桥梁模型木桁架设计说明书.doc

桥梁模型制作20112011/11/24目录1.方案的设计思路31.1利用木构件受拉还是受压强度31.2比较卯榫连接与胶连接42.结构尺寸选择52.1拟定梁高、节间长度、斜腹杆倾角52.2最优化设计62.2.1模型假设与约定62.2.2符号说明列表62.2.3模型图例62.2.4最优计算63.制造工艺83.1胶水的薄厚与连接强度的关系83.2木构件表面的粗糙度与连接强度的关系94.其他有特色方面的说明94.1纵向预应力94.2竖向预应力104.3含水率的影响105.参考文献11桥梁模型设计说明书1. 方案的设计思路由于结构主要承受竖向力，所以结构选型主要在于正面的形状。平纵联和横联只用于提供侧向支撑，减小主桁长细比，而且形成空间效应，共同作用，提高抗扭刚度，具体计算需要空间有限元计算。1.1 利用木构件受拉还是受压强度方案一：斜腹杆受拉：方案二：斜腹杆受压：木材的顺纹抗拉强度，是指木材沿纹理方向承受拉力荷载的最大能力。木材的顺纹抗拉强度较大，各种木材平均约为117.7-147.1MPa，为顺纹抗压强度的2-3倍。这是木材受拉的优点强度大。但是，木材受拉有以下缺点：（1）木材顺纹受拉的应力应变曲线接近于直线，因此木材受拉破坏前并无明显的塑性变形阶段，表现为脆性破坏。木材顺纹受压破坏时，纤维失稳而屈曲。木材顺纹受压和受拉相比，受压时木材具有较好的塑性。（2）由于木材顺纹受压时的纤维失稳屈曲性质，能使局部的应力集中逐渐趋于缓和，所以在受压构件中通常可以不考虑应力集中的不利影响。（3）木节（如右图）对受拉构件承载能力的影响很大，木节与周围木质之间的联系很差，削弱了截面，并使截面偏心受力。而木节对受压强度的影响也远小于对受拉强度的影响。综上所述，木构件的受压要比受拉工作可靠的多。方案三：考虑弧形桁架决定利用木构件抗压后，我们看到，可以进一步改进为弧形桁架，其有以下优缺点：优点：（1）受力更接近弯矩图的形状，受力更为合理，可充分利用材料。（2）针对本模型来说，如果上弦杆用一整根桐木条制造，则木条上侧受拉，下侧受压，在加荷时，构件上侧受压，下侧受拉相反。也就是说，弧形桐木条能提供一小部分预应力。缺点：但其计算复杂，而且拼装工艺也较复杂。方案四：交叉式腹杆桁架：两套腹杆能够承受更大的剪力，但是自重更大。需要计算确定荷重比（ F=Q/W ）进行取舍，其中 Q 代表模型所承受的静荷载或冲击荷载（ N ）， W代表模型 自重（ N ）。缺点：斜腹杆端部伸入点构造复杂，胶水不好粘。并且存在应力集中现象。另，在后文的验算中，发现结构的控制杆件为中部的下弦杆。加强腹杆能够提高结构刚度，但对承载力提高不大。而本模型的评分标准是载重/自重，不需要考虑变形。所以，我组直接没有采用这种交叉式腹杆结构，以减轻自重。1.2 比较卯榫连接与胶连接卯榫连接，对于本模型来说：木构件很小，进行卯榫连接的工艺过于复杂。工具、材料和时间有限。在关键部位采用卯榫连接提高结构的延性。 胶连接的优缺点：优点：高度的刚性；在通常的情况下，当连接的面积相等时具有较高的承载能力缺点：对不熟练的制造高度敏感；缺乏明显的生产控制；在现场制造受到严格限制；复杂的力学机理；往往是非常脆性的。综上所述，我组主要采用胶连接，局部使用卯榫连接。2. 结构尺寸选择22.1 拟定梁高、节间长度、斜腹杆倾角题目要求桥梁总长在900100mm，梁高为100200mm。首先，让我们来思考梁高越大越好，还是越小越好。对于平行弦桁梁。主桁高度应先满足使用要求，对本模型，即：题目要求的100mm200mm。下面考虑刚度、材料用量与梁高的关系。在刚度方面，当跨度一定时，桁高越大，挠度就越小，梁端转角也越小，有利于小车的平顺和安全行驶；反之，桁高越小不仅会对行车有影响，节点刚性次应力和活载动力作用也越大。在材料用量方面，当跨度一定时（900mm），桁高越大，弦杆受力越小，弦杆用材量就少，但腹杆较长，腹杆用材量较大；反之，当桁高减小时，弦杆用木量增加但腹杆用木量增大。查阅资料表明，用量最少的梁高约为其跨度的1/62/13。这里我组自己建模，进行了最优化设计。梁高、节间长度、斜腹杆倾角都会影响斜腹杆长度，因此我组综合考虑进行了建模。2.2 最优化设计11.11.2122.12.22.2.1 模型假设与约定（1）在设计时，应考虑受压杆件的长度，因为压杆由稳定控制。但是，考虑稳定进行最优化设计过于麻烦，另外该模型木构件的长细比不是太大。因此，本模型假设不存在稳定问题。（2）小车的力为两个F/2的轴重，为简化计算，设为一个集中力F。（3）桁架受轴力，忽略刚性次内力。（4）按简支梁计算。（5）不考虑动力效应，即取冲击系数为1.0。（6）只计算最不利位置。2.2.2 符号说明列表符号说明L模型长度n节间长度斜腹杆倾角A下标下标杆件的截面积f木材强度V木材体积h桁架高度F小车重量2.2.3 模型图例图例为8个节间的示意图，节间为6或10与其类似。2.2.4 最优计算按静定结构简支钢横梁进行受力分析，计算简图如下：计算结果如下：考虑到上弦杆要承受同时弯矩、剪力，所以适当提高上弦杆的截面积，使其与下弦杆截面积相同，这样也便于计算。木构件的截面积和长度列表：项目截面积A长度体积上、下弦杆2L竖腹杆（n+1）Ltan斜腹杆总体积：由此，得到斜腹杆角度为45。同时，得到n越小，材料用量越小。所以，取n=6。（当n=4时，梁高超过200mm）综上，可取桥全长L=960mm，梁高h=160mm。3. 制造工艺33.1 胶水的薄厚与连接强度的关系首先，我们来看胶水的强度：UHU胶水的强度：120公斤/平方厘米1 kg/cm2= 10N / 100mm2=0.1 MPa，而木材强度平均约为117.7-147.1MPa胶水强度太小了，所以应避免单纯利用胶水抗拉。尽量利用胶水的抗剪强度。因为通常胶缝厚度非常薄，胶与木材之间的界面存在复杂的过渡，并且胶和木材剪切模量为可相比较的数值。通过改善连接处的粘接面形状等，提高连接强度。通过查阅文献，我们发现clad（1965）得到对于常用的胶黏剂，当胶缝厚度为0.1mm、0.4mm和0.8mm时，剪变模量大致相应于下列范围：13001800N/mm2、700850N/mm2、和600N/mm2。综上，粘接时应注意以下两点：（1）尽量利用胶水抗剪，而不是抗拉；（2）压紧压薄，胶水越薄越结实。3.2 木构件表面的粗糙度与连接强度的关系指形连接如下：这种连接可以提高抗拉强度。受力如下。原理在于：（1）（2）受剪面积增大。其他方向的强度也增大了。综上，增大粗糙度有利于提高抗剪强度，但是需注意保证连结构件的完全契合，否则，连接内部的缺陷会导致应力集中，降低承载力。4. 其他有特色方面的说明44.1 纵向预应力棉线提供预拉应力：类似下图这种，首先拉紧棉线，然后在两组棉线之间插入小木棒。接着，通过小木棒的旋转让两组棉线绞在一起，拉紧下弦杆。4.2 竖向预应力与上述工艺类似，由于支座外侧的结构受拉，提前施加预应力，对结构受力有利。如下图：4.3 含水率的影响水分会降低木材的强度和刚度，所以应注意防潮。别让木材受潮。另，平纵联、横向联系主要起到形成整体空间结构骨架的作用。只要实验时，小车荷载不偏离中线过多，没有抗扭问题。则连接系不要太强，以减轻自重。5. 参考文献1樊承谋等. 木结构设计指南M. 北京：中国建筑工业出版社, 2010.2何敏娟等. 木结构设计M. 北京：中国建筑