西南交大结构设计大赛 桥梁承重组 特等奖“115”的设计任务书.doc

西南交通大学第十一届结构设计（桥梁承载）竞赛设 计 方 案目 录设计说明书一、 方案构思2二、 功能布局2三、 结构选型2四、 材料试验及数据处理2五、 结构设计3六、 特色处理6设计计算书一、 计算模型7二、 内力分析7三、 破坏形式分析8参考文献91、设计说明书1.1方案构思随着桥梁事业的蓬勃发展，从最初的梁桥，到拱桥，斜拉桥，悬索桥，桥梁形式日新月异，而如今，多种多样的组合式桥更是层出不穷。结构设计的意义主要在于从安全和经济之间寻求平衡点，考虑到组合式桥梁在功能上利用到多种结构，从而更加有效地发挥其各自优点，并且，在造型上也能有变化的美感，更具有想像的空间，因此它成为我们青睐的对象。1.2功能布局通过对赛题的研究我们发现，以白卡纸作为材料来承受远远大于自身重量的小车和集中力作用，类似于铁路桥的功能，因此，我们的桥型主要是作为铁路桥模型出现，在实际运用中，也主要担负重载功能。1.3结构选型组合桥梁的选型变幻无穷，无论是从数量上还是种类上来说都是如此，侧重点也不一样，有的是为了美观，有的是为了实用。还有的是为了经济等等。对于桥梁承重来说，以最少的材料，即最小的自重来承担最大的荷载，才是最终极的目标，其次考虑的才是外观等等。我们考虑过拱和斜拉，但是发现前者在保证足够抗压强度时自重很大，而后者在挠度方面与悬索类似，比较薄弱，所以在综合各方面因素之后，我们还是决定选用桁梁组合桥作为我们的桥型，以简洁唯美，明快的力线来彰显结构之美。1.4材料试验及数据处理比赛所给的三种材料我们对其中两种白卡纸和蜡线做了实验，对白乳胶简单的调和了一下，找到了较适合的稠度。材料密度重度弹性模量泊松比线膨胀系数N-s2/mm4N/mm3N/mm21/纸6.00E-096.00E-0614590.31.17E-05线2.40E-112.36E-084.00E+040.29.90E-061.4.1 白卡纸力学特性试验试样自重241 g/m2试样厚度0.3 mm试样宽度30 mm试样原始标距200 mm最大力对应位移 Nmm第 1 根117.1811.46图1 纸带力-位移图1.4.2蜡线拉伸试验试样自重0.71 g/m试样直径1.1 mm试样原始标距200 mm最大力对应位移 Nmm67.8135.76图2 蜡线力-位移图通过以上拉伸试验可以看出，纸的抗拉性能远远强于蜡线，无论是形变量还是抗拉强度，因此我们在选择受拉构件的时候，采用了纸带而不是蜡线。15 结构设计1.5.1 整体设计整体采用桁梁组合，通过加载试验以及内力分析，我们一步步找到了最适合的整体构造。 图3 最初的整体布局（六分之一跨） 图4 七号梁横截面处应力最大处分析图图5 主梁以工字梁设计时计算简图 图6 改进后的整体布局（六分之一跨） 图7 七号梁横截面应力最大处分析图图8 主梁以T型梁设计时的计算简图将工字型梁改成T型梁（去掉下翼缘并降低腹板高度），然后增加斜杆，在材料使用略微减少的情况下，我们看到，梁单元最大应力情况从2.97 降低到了1.63，接近一半，因此可以说这是非常有用的一次改进。整体改进主要是添加了斜向连杆以增加稳定性和刚度，其余就结构尺寸以及杆件做了多次改进。在多次加载试验之后，我们还用实验检验了压杆稳定的情况，减少短杆数量，减小纸带宽度等等，进一步将结构做的轻便，从而减小自重。1.5.2 杆件设计杆件设计不仅随着结构整体尺寸的改变而改变，同时还考虑到自身的受力特点而采取改进措施。图9装配前杆件展示 图 10 跨间连接杆 图 11 纸带做拉杆 图12 柱底连接件 图13 斜杆底部连接件 图14主要受压构件 立柱 图15 特殊横杆 图 16 T型梁设计(中跨) 图 17 一般横杆16 特色处理集中力加载处是设计的一个重要环节，我们花了一个下午的时间用来研究怎样用稳定的结构来承受。图18 集中力处加载示意图17 模拟加载试验由于大赛不提供砝码加载，因此我们在寝室利用哑铃，书本，以及水桶等工具模拟加载 图19 均布15KG 图20 集中力6KG+均布9KG加载情况良好，只是在杆端有较大变形： 图21 梁端压屈图 图 22梁端加固图2、设计计算书21 计算模型图123 计算模型图22 内力分析图图24决赛二次加载弯矩包络图图25 决赛二次加载剪力包络图23 破坏形式分析图图26 集中力加载破坏示意图可以看出，是梁上部被压屈导致变形破坏，与内力图相符合，因此需要在梁上缘进行加固。图27 加上移动荷载之后的破坏形式可以看出是偏载引起桥跨扭矩，一侧下沉，另一侧抬高，使桥整体受力变得复杂和难以估计，导致桥梁破坏。改进是通过增大横向刚度。决赛加载中，还涉及到剪断3kg砝码引起的冲击荷载，由于软件计算能力不足，无法模拟出来，所以我们用试验的方法，进行了测试，发现只要桥梁满足了静载要求并达到一定的富余承载能力，就能承受住冲击荷载。分析原因，可能是纸属于塑形材料，在冲击荷载产生的时候能够很好的吸收这部分能量，然后缓慢释放，因此，可以满足承载要求。总结：本次结构设计总花了2个多星期，模型制作共（包括试验用的四跨）7跨，总长度4.2米。白卡纸耗费5张，乳胶两瓶。各类杆件制作十余种，数量达6百多根。参考文献：【参考文献】【1】结构力学（、） 龙驭球，包世华，匡文起，袁驷编著 北京：高等教育出版社，2002.7【2】结构概念和体系（美）林同炎 斯多台斯伯利SD著 高立人等译 北京:中国建筑工业出版社,1999.2【3】材料力学（、） 孙训芳，方孝淑，关来泰编著 北京：高等