结构设计计算书2

设计资料场地条件桥梁结构模型将置于总宽度为1400mm的“鸿沟”之上。在“鸿沟”之间离两岸各50~350mm的范围内设有支座连接点。具体情况在竞赛手册的附图已经详细给出。模型加载条件1．竖向加载条件在离跨中左右各50mm处桥的两侧共设计四个加载点，均匀向下加载。每级荷载四个点共加2kg，共计加载十级。加力架重1.2kg，总共加载（包括加力架）21.2kg。2．水平加载条件在跨中通过转向滑轮及支架沿水平方向加载，加力悬挂件重0.82kg，每级加2kg，共计五级，总计加载10.82kg。模型材料及制作工具1．主体材料铝质等边角铝：L8×1铝板：厚0.8，0.6，0.4黄铜圆管：Φ12/0.25，Φ10/0.25，Φ8/0.25黄铜丝：Φ1.5，Φ1.8,Φ22．连接方式、材料胶接：502胶铆接：纯铜丝焊接：（仅用于铜质构件）用焊锡螺钉：M1，M2，M3，M43．主要制作工具万能试验机、手动折边机、剪板机、手枪钻、电烙铁等加工试验工具设计要求一、模型结构布置要求支座要求在“鸿沟”中离两岸各50~350mm之间最多允许做8个（每端限定不多于4个）铰接支承点供固定桥墩用。铰接支承点离桥中轴线的最大距离为80mm。铰支点只允许在沿纵横方向以20mm为间隔的方格上布置。支座离相邻支座之间不得小于40mm。桥面要求面标高为±0.000，为保证其刚度，桥面板采用厚度不小于0.4mm的铝板，桥面宽60mm。通航要求可采用任意结构形式，但桥下跨中400mm宽度范围内结构底部标高不得低于-0.080以保证“通航”净空。桥面全宽范围向上有60mm高度净空，保证“通车”。二、模型加载要求竖向加载要求在十级加载中跨中挠度不得超过8mm（加力架引起变形不计）。水平加载要求在后五级加载中，跨中水平变形不得大于2mm（加力架引起变形不计）。局部措施加载受力用18号镀锌铁丝，模型设计时须考虑在加载点范围作适当构造和加固，使模型可承载此集中力。设计构思根据此模型的桥面宽度与跨度的比例，并参照现在较为经济的桥梁结构形式，融合空间受力概念，使集中的荷载尽量分散，从而充分利用结构材料，以便达到结构尽量轻的目的。本桥梁结构对水平位移的要求较高，从简化的结构挠度计算公式可知挠度的主要影响参数为桥面的侧向刚度及跨中支撑长度，并且与成正比，而与桥面板成反比。从本桥梁构思出发用增大桥面板宽度来保证侧向变形需要较大的材料用量，并且在此种方法的实施过程中会有许多支撑构件受力较小，但又不得削减，拉压受力不一，不能充分利用金属材料的抗拉性能。从减小跨度的角度讲，利用下部结构减小跨度必然出现斜杆件，长度大，用料多，质量大，稳定不利。因此考虑利用铜丝较大的抗拉强度，将斜拉形式发展为适应于此模型的设计要求的空间形式，使拉索既对竖向变形起作用又有利于侧向变形。通过分析，侧向变形利用拉索基本有两种形式，即内侧斜拉与外侧斜拉（见图1），内侧斜拉效果较好，但由于通车要求及桥面板宽度要求，侧向内拉不易实现。因此采用外侧斜拉形式，使桥塔上部外张，拉索向内收拢与桥面板连接。另外，桥塔下部为适应刚度要求两个柱子向外张开，整个桥塔成X形。桥两侧设置柱墩以便将拉力传到地基，从而平衡两侧拉力，使上柱尽量受轴压。从造型上考虑，采用细丝以便形成韵律，并且向外张紧的拉索形成张力感觉，给人以稳定感，平衡了桥塔上部偏大的倒置感觉。(见图2)(a)(b)图1(a)内侧斜拉（b）外侧斜拉图2效果图结构布置整体布置图3三维整体布置图桥面板结构布置两边长杆件为∟角铝，中间各支撑∟自制角铝，此桁架上铺桥面板,桥面板为槽形。桥面板剖面图桥塔结构布置桥塔结构布置图内力及稳定分析内力计算简化模型内力计算采用美国MSC公司有限元通用计算程序Nastran，运用Patran前后处理软件进行建模及输出计算结果。模型的建立采用空间杆系计算模型，并对一些节点做理想简化处理，具体情况见下表：构件材料连接方式简化节点单元形式拉索铜丝螺栓铰接Rod单元塔架铜管焊接刚接Beam单元桥板边角铝角铝螺栓铰接Beam单元支撑角铝铝螺栓铰接Rod单元边柱铝螺栓铰接Rod单元由于rod单元可承受拉力或压力，拉索不能受压力，因此对拉索的rod单元进行处理设置其抗压强度为0。另外，桥板与塔架的连接拟定采用焊接，因此也简化为刚接。简化模型见下图：内力计算材料参数内力计算参数见下表：参数材料 () ()铜0.35200铝0.33150内力计算结果利用上述材料常数及简化模型，支座边界条件简化为空间铰，得出以下分析结果：上图为各截面最大压应力图。图示黑色条块为各根杆件中最大的压应力为，小于铜及铝的抗压强度、，各根杆件满足强度要求。下图为各截面最大拉应力图。图示白色条块为各根杆件中最大的压应力为，小于铜及铝的抗拉强度、，各根杆件满足强度要求。位移结果利用上述材料常数及简化模型，支座边界条件简化为空间铰，得出以下位移分析结果：上图为模型竖向变形图,由图可知跨中部位为黑色,对应黑色块现示竖向位移为,远远小于模型变位要求,因此模型竖向刚度满足要求。但偏小，这是由于加设两个边柱所致，而边柱对降低最大应力有明显效果，因此只能保持此刚度。上图为模型水平变形图，据图跨中显示为白色，对应白色条块位移数值为，模型满足水平刚度要求。下图为模型整体变形图：稳定分析由于整个模型应力较小，因此只针对受力较大的桥塔进行。利用材料力学欧拉公式分别对上柱、下柱及长支撑进行验算。具体临界应力计算见下表：构件名长度（mm）截面桥塔上柱181.96Φ1052.77354.4桥塔下柱188.47Φ1053.78341.1上部横支撑163.47Φ859.63529.5下部斜支撑118.36Φ843.17277.6根据以上表格，可知临界应力都大于材料的屈服强度，再加之模型压应力最大仅为，因此模型满足稳定要求。节点计算焊接节点计算焊接节点主要分布于塔架各铜管的连接点及桥板与塔架的连接点。由于焊接尺寸难于在制作时控制，因此焊接节点采用构造处理，全部满焊，典型节点见下图：此节点为一个比较复杂的节点，其余焊接形式与此类同。铜丝弯头焊接节点如下：焊接长度不大于，铜丝为直径1.5mm，因此焊缝长度取为15mm。螺栓连接计算由于桥板为铝制，所以采用螺栓连接，根据应力图得知跨中各杆件受力较大，因此计算此主要接点自然会得到其他满足的节点。此三个螺栓都采用M1螺栓，抗剪强度按C级螺栓为140，根据应力图此处应力为27.9，小于螺栓的抗剪强度，所以螺栓连接满足要求。对于杆件截面：