第五届大学生结构设计大赛计算说明书.doc

第五届大学生结构设计竞赛桥梁结构设计理论方案作品名称 渊 虹 参赛队员 王明雪、谭亚琪 、代云龙 、刘文杰 、 高一 专业名称 土木、 土木、 机械 、 机械 、 土木 指导教师 王生武 大连交通大学结构设计竞赛组委会二一三年作品简介1、 设计说明书本次结构赛的题目要求用白卡纸、白胶以及绳子制作一双跨双车道的桥，所制作的桥梁在满足承重要求的同时，还对小车行驶过程中的跨中挠度提出了要求，以保证桥梁的正常使用。与实际工程有所不同，我们不需要考虑桥梁在设计使用期的疲劳问题，只需要考虑强度与刚度的问题。我们在研究了白卡纸的材料性能、参考了实际工程中的桥梁设计后，提出了备选桥梁形式的方案。1、 材料性能分析1.1白卡纸白卡纸的抗拉性能较好，单层纸的抗拉强度在30MPa左右。反之，由于存在纸张局部失稳的问题，纸张的抗压性能相对较弱。与钢材等各向同性的材料不同，纸张属于各向异性的材料，其顺纤维方向的抗拉、抗压强度要比垂直纤维方向的弹性模量较大，通过试验可知其可以达到1400MPa3200MPa，可以较好地控制桥梁在使用过程中的变形。1.2纤发丝线绳子是较好的抗拉材料，质量亦比较轻。但是绳子的初始弹性模量很小，对桥梁的变形控制不利；同时在制作中使用绳子不易控制绳子的张紧程度，使用过程中绳子还存在松弛的问题。 通过以上对材料性能的分析，为了更好地控制桥梁的变形，简化制作过程，我们决定放弃使用绳子，仅使用白卡纸作为桥梁的制作材料。2、桥梁形式分析实际工程中的桥梁多为斜拉桥（如杨浦大桥、徐浦大桥）、拱桥（如赵州桥、卢沟桥）、桁架桥（如武汉长江大桥）、梁式桥、吊桥等。结合题目，下面对几种较为可行的桥梁形式做一些分析。2.1斜拉桥 斜拉桥是由承压的塔，受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系，可以看作是用拉索代替了支墩的一种多跨弹性支承连续梁形式。斜拉桥属于柔性结构，在荷载作用下即可产生明显的变形，但是其可以有很大的跨度，实际工程中斜拉桥的跨径一般在3001000m左右。而这次的题目中要求制作的桥梁单跨跨径为一米左右，仅为小车长度的五倍，可以看作是小跨径的公路桥，且对刚度有较高的要求，所以斜拉桥并不合适于题目的要求。2.2拱桥 拱桥是在竖直平面内以拱作为上部结构主要承重构件的桥梁。拱桥的最大主应力沿拱桥曲面作用，而拱桥垂直方向的最小主应力为零，可以较好地控制桥梁的竖直方向的位移。拱桥比较适合于小跨度的公路桥，但是拱桥对于桥梁的基础要求，特别是水平方向的支撑要求比较高。然而题目所规定的支座条件弱，且不能提供水平力，虽然拱桥适合于小跨度的桥梁，但是在这样的制作条件下，拱桥显然也不是一个好的选择。2.3梁式桥 梁式桥是我们最初选择的桥梁形式。在高跨比控制较好的前提下（1:81:12），梁式桥有较好的承载弯矩的能力，亦可以较好地控制使用中的变形。以桥的主梁为工字形截面为例，若两车道各用两根主梁支撑，高跨比为1:8，那么在纸张不失稳的前提下，各主梁均只需要一层纸就可以满足承载力和变形的要求。但是主梁的稳定性是个不容忽视的问题，若增加主梁所用纸张的层数以提高主梁的稳定性，就可大大增加了桥梁的质量。同时，各个主梁之间的联系不紧密，在偏心受压的情况下，还存在着扭转的问题。鉴于以上问题，为了控制桥梁的用纸量和扭转变形，我们放弃了制作梁式桥的想法。2.4桁架桥桁架桥的结构体系中包括上弦杆、下弦杆和腹杆，上弦杆主要承受弯矩及压力，下弦杆承受拉力，而腹杆则可能交替承受拉力和压力。桁架桥具有比较好的刚度，对于控制桥梁的位移比较有利。在控制位移的同时，桁架桥对制作的要求相对比较低，在较弱的制作条件下就可以达到使用的要求。制作桁架桥最大的优势在于用材比较省。虽然桁架桥对于制作工艺提出了较高的要求，但是相较之下，是比较符合题目要求的桥梁形式。 经过以上的分析比较，我们决定选择桁架作为我们的桥梁形式。3、设计思路 我们的桁架桥由四根桁架形式的主梁支撑，为了增强桥梁的整体性，减少其扭转变形，我们将同一车道的两根梁的下弦杆结合，成为一个矩形整体，内部由斜支撑杆支撑，提高其稳定性，同时两个车道的矩形下部叶用桁架形式连接，使整座桥形成整体桁架。 在制作过程中，考虑到纸张各向异性的特殊性，在制作过程中注意选取制作杆件及桥面纸张方向很重要。 桁架桥的刚度可以很好的满足要求，在结构没有破坏的情况下，桁架的位移一般都不会超过所要求的范围。所以以下的计算分析将着重于桥梁强度的分析。总而言之，我们的桥梁的设计思路就是将分散的杆件结合成一个整体的结构，用精细的工艺制作一个简单的桥梁。在保证满足承载力和变形要求的前提下尽量减少用纸量，提高美观程度。4、结构特色在横向方向，我们结合桥梁的弯矩图，采用和弯矩图类似的形状设计整体结构，即鱼肚形结构，使桥符合力与美的结合。同时桥梁主衡量采用近似1：1.5的截面，使其既具有很好的抗弯能力，又能节省材料。注：作品简介应包括对方案的构思、造型和结构体系及其他有特色方面的说明（可加页）。结构承重验算二、计算说明书桥结构的正视图：2.1 轴力的计算及杆件选择 根据加载要求，小车车尾经过桁架结构中间位置时停止5秒，桁架结构受力简图如上。 结构近似为静定平面桁架，用定节点法计算轴力。节点A受力分析图 由平衡条件可知： FX=0 F=FYAC FY=0 -FAB=FXAC 再利用比例关系 FAB=LABF/LBC 对于节点C用截面法得： 以D点为矩心，列力矩平衡方程：-F LAD+FXCE LBC+FYCE LBD=0再利用几何关系FYCE=tan FXCEtan=(LDE-LBC)/LBD再以C为矩心，列力矩平衡方程-F LAB-FBD LBC=0最后，利用投影平衡方程FX=0FY=0FBD+FXCE+FXCD=0F+FYCD-FYCE=0由上面几公式便可将轴力全求出，同理可求得桁架所有杆件的轴力。 在D， F处各加1N的力各杆件的受力为： FAB=-1.458N FBC=0N FBD=-1.458N FAC=1.867N FCE=2.379N FCD=-1.1207N FDE=-0.3904N FDF=-2.083N FFG=-2.083N FFE=-1.0N FEG=0.6508N FEH=1.699N FIH=0N FGH=-2.480N FGI=-1.0416N FJH=1.334N FIJ=-1.0416N2、弯矩计算及结构选型假设梁为刚体 设在D、F处各加1N的荷载 由力矩平衡方程可得：M（A）=0M（J）=0解得A、J处的约束反力各为F1=7/6、F2=5/6.在AD段：MAD=7X/6在DF段：MDF=7X/6-（X-LAD）=X/6+LAD在FJ段：MFJ=5/6（LAJ-X）=-5/6+5LAJ/6 在D点：MD=7LAJ/18 在F点：MF=10LAJ/18静载时的弯矩图如下图所示： 静载时其中一跨的受力分析如下：FQC剪力图如下图2： 当荷载作用于跨中时内力影响线图如下图：注：结构承重验算应包括结构选型、计算简图、荷载分析、内力分析、承载能力估算等（可加页）。3、 作品简图 桥结构主视图 桥结构俯视图 桥结构俯视图整体结构效果图 注：作品简图应包括结构整体布置图、主要构件详图和方案效果图（可加页）。三维模型图样和受力演示（可选）。附件2大连交通大学第五届大学生结构设计竞赛报名表 编号：学院名称土木与安全工程学院联 系 人王明雪电 话手参赛作品名称类别序号姓名性别专业班级参赛学生1王明雪女土木工程1132谭亚琪男土木隧道1013代云