桥梁结构设计理论方案.doc

桥梁结构设计理论方案作品名称_彩_虹_倒_影_参赛学校_武汉理工大学_参赛队员_崔月辉_、_张_平_、_陈晓庆_专业名称_土木工程_、_土木工程_、_建筑学_指导教师_李保德_全国大学生结构设计竞赛组委会二八年【摘 要】依据“全国第二届大学生结构设计竞赛”竞赛要求，在充分利用纸、线、胶的力学性能的基础上，以结构重量最轻，承载力最大为结构设计目标，设计制作了符合竞赛要求的结构模型彩虹倒影。通过结构设计、理论分析、模型设计及试验分析等一系列过程，对“彩虹倒影”结构方案进行优化，并以此结构模型参加竞赛。【关键词】纸、线、胶；两跨双车道；结构模型；重量；承载力目 录1参赛依据. 12方案设计. 12.1 建筑构思. 12.2 结构选型. 12.3 结构图设计. 22.3.1 效果图. 22.3.2 结构布置图. 52.3.3 结构断面图. 62.4 构造设计. 73. 理论分析. 83.1 简介. 83.2 计算简图. 83.3 荷载分析. 93.4 内力分析. 113.5 位移分析. 123.6 小结. 144. 模型设计. 154.1 构件几何尺寸及数量. 154.2 模型制作工序. 165. 试验分析. 175.1 试验方案. 175.2 试验数据. 17结 论. 18参考文献. 191参赛依据本参赛方案是根据“全国第二届大学生结构设计竞赛”组委会颁布的第一、二号通知组织设计的。2方案设计2.1 建筑构思“彩虹倒影”，一个雨后初晴的黄昏，漫步在长江之边，彩虹在此刻使天地合一。我们希望我们的桥能给人们的生活带来一个彩虹般的绚丽、遐想与辉煌，以它的热力与生机召示我们创造更为灿烂与辉煌的生命行迹。2.2 结构选型结构使用的主要材料是纸、线、胶，本次组委会没有提供材料的力学性能指标。由于本次组委会指定的材料与 “第一届全国大学生结构设计竞赛”组委会提供材料相近，因此，我们的设计计算假定纸、线力学性能指标分别见表1和表2。表1 230克白卡纸弹性模量和极限应力名称种类层数层厚/mm弹性模量/Nmm2备 注230克白卡纸10.31459受压计算时需考虑长细比对稳定的影响表2 蜡线极限拉力股 数123458极限力(N)48110168207225232充分利用纸、线的抗拉强度，防止整体和局部失稳是结构方案设计的出发点。模型结构受到移动荷载作用。为了使杆件结构受到的弯矩最小，并充分利用纸、线的抗拉强度受力优势，方案采用拱式桁架结构体系。使上弦杆和腹杆主要受压，下弦杆主要受拉，尽量减少结构受到的弯矩作用。为了防止受压杆件的失稳问题，增加结构的整体受力性能，在竖向腹杆之间用线构造“X”的联系；为了减少上弦杆在平面内和平面外的计算长度，在顺桥向和横桥向用线和杆件设置联系；为了充分发挥各构件空间协同工作性能，除用纸形成桥面铺装层外，在桁架的侧面上蒙上半层厚的纸，发挥蒙皮效应，使整个结构的受力均匀和变形协调，提高压杆的欧拉临界力，增强其稳定性。 在结点处，所有杆件做成实的圆柱体，并与线、胶连接，防止结点破坏。所有杆件用直径3mm模具卷成环形圆柱体，以提高压杆的稳定性。根据受力类型和大小不同确定各杆件的外直径，具体尺寸见第4节模型设计。2.3 结构图设计2.3.1 效果图结构的整体效果图、桥面效果图、立面效果图和侧面效果图分别见图14。图1 整体效果图图2 立面效果图图3 桥面效果图图4 侧面效果图2.3.2 结构布置图结构的立面、桥面和下部结构布置图见图57，图中单位：mm。图5 立面结构布置图图6 桥面结构布置图图7 结构下拱布置图2.3.3 结构断面图图5中的1-14-4断面图见图8。图8 断面图2.4 构造设计模型构造设计示意图见图9。(a) 弦杆的接长(b) 腹杆（横杆）与上下弦杆的连接图9 构造设计示意图3. 理论分析为了更好的了解和掌握实际模型的受力特征，我们应用SAP2000对其进行了有限元分析。3.1 简介SAP2000软件是由美国CSI公司研制开发的，该公司研发的系列软件主要为大型通用有限元软件，SAP2000广泛应用在土木工程、机械、汽车、航空、仿真等领域，该软件突出的特点是贴近于工程应用，不止用于科学研究。尤其近年来其ETABS软件针对土木领域的发展，专门灌入美国、欧洲、中国等国家的土木相关规范，其应用越来越普及。3.2 计算简图模型的轴测图、渲染图和立面图分别见图1012。图10 模型轴测图图11 模型渲染图图12 模型立面图模型有两种材料：纸和线。其材料性能参数见下表3。模型中杆件为FRAME单元，桥面为SHELL单元，线为FRAME只拉单元。其中FRAME单元529个，SHELL单元144个。表3 材料性能参数表材料密度重度弹性模量泊松比线膨胀系数N-s2/mm4N/mm3N/mm21/纸6E-096.00E-0614590.31.17E-05线2.40E-112.36E-084.00E+040.29.90E-063.3 荷载分析根据竞赛委员会第二号通知，加载小车重量分为6kg、7kg、8kg、9kg、10kg五个级别，只能加载两次。选取最大移动荷载10kg进行计算，且其作用范围为80mm宽车道左右各一个，加载车道见图13。图13 加载车道示意图 根据竞赛规则，其最不利荷载组合为两种情况，情况1：一车在跨中（图14a，工况4）；情况2：两车分别在第一跨和第二跨的跨中位置（图14b，工况12）(假定小车均为从右向左行驶)。（a）工况4（b）工况12图14 最不利荷载布置图3.4 内力分析 各主要工况下的内力计算结果见图1521。图15 自重轴力（最大轴压力0.9N）图16 工况4轴力图(最大轴压力82.3N)图17 工况12轴力图(最大轴压力80.4N)图18 工况4桥立面壳单元最大主力图19 工况4桥平面壳单元最小主力图20 工况12桥立面壳单元最大主力图21 工况12桥平面壳单元最小主力3.5 位移分析假定小车从右向左行驶，右跨为第一跨，左跨为第二跨；各跨各等分点从右依次为右1、右2、右7、中支座、左1、左2、左7。第一、二跨跨中竖向变形的影响线见图22和图23。工况4和工况12的位移图见图24和图25。图22 右跨跨中挠度影响线图23 左跨跨中挠度影响线图24 第一辆车行至右跨跨中时（工况4）的变形图图25 第一辆车行至左跨跨中时（工况12）的变形图3.6 小结通过以上分析，在2个最不利荷载作用下结构挠度最大值为9.8mm，未超过允许限值20mm，结构满足正常使用要求，故本方案可行。4. 模型设计4.1 构件几何尺寸及数量构件下料的几何尺寸及数量见表4，模型图见图26。表4 构件几何尺寸及数量表位置内直径(mm)外直径(mm)展开面尺寸HB(mmmm)数量上弦杆3780240，8027016下弦杆3542245，4228016上横杆1365815014上横杆237801503下横杆34.5301556竖向腹杆134.53064，302616竖向腹杆2354210044斜腹杆1354214012斜腹杆2354212016纸的展开平面图卷成后的纸杆图4.2 模型制作工序（1） 模型下料；（2） 模型杆件的制作（上弦杆下弦杆腹杆水平杆斜撑）；（3） 上弦拱的连接、下弦拱的连接；（在工序2、3进行的同时，本组的一名队员完成竖杆、水平杆和斜撑塞子的制作过程）（4） 上弦拱和下弦的拼装；（5） 桥上加绳；（在工序5进行的同时，本组的另两名队员完成桥面的打磨工作）（6） 桥的骨架拼装；（7） 桥的最后整理工作（包括桥面的铺设、桥两边纸的粘贴和吹烘桥体）。图26 实体模型图1图26 实体模型图25. 试验分析5.1 试验方案先称量模型自重，再将模型放在支座上，支座间的距离按竞赛要求设置。在模型每跨的两个跨中侧面放置丁字尺，以测量模型的竖向位移。按竞赛要求加载。加载图见图27。图27 模型加载图1图27 模型加载图25.2 试验数据试验数据见表5，模型最终的评价指标见表6。表5 试验结果加载序号累计加载量/g下弦杆跨中点的位移量/mm第一跨左侧第一跨右侧第二跨左侧第二跨右侧1800045532100008101110表6 模型最终的评价指标累计加载量/g模型质量/g累计加载量/模型质量最大位移量/mm1000042023.811结 论通过建筑构思、结构设计、理论分析、模型设计及试验分析等一系列过程，我们认为采用“彩虹倒影”结构方案是可行的，拟用此结构模型参加决赛。参考文献1 王心田建筑结构体系与选型上海：