结构设计大赛理论设计方案

1、桥梁结构设计理论方案 作品名称 途锐参赛学校 大连交通大学参赛队员 周权峰 、 袁彬、 魏剑锋、赵桐玉 、 杨馨胜专业名称 土木工程指导教师 张涛大连交通大学结构设计竞赛组委会二一一年作品简介考虑到本次竞赛题目要求为两跨双车道桥梁，在移动荷载以及均布静荷载作用下的加载，根据所学专业理论知识，认识到主要应该解决的是桥梁跨中的抗弯问题以及细节的抗扭问题、主梁的局部稳定性和支座处的抗剪能力。从全国各高校的比赛情况来看，大多数模型均采用空腹式梁桁架组合结构。这种桥型不仅制作简单、计算方便、理论与实际吻合情况较好，而且可以通过变桁高来实现竖向抗弯刚度沿桥长方向的变化，从而最大程度减轻结构自重。在主梁类型

2、的选择上我们曾考虑两种截面形式单箱双室截面和空心圆形截面。在截面面积及杆件厚度相等的情况下（即控制“自重影响”这一变量），容易验证单箱双室截面比空心圆截面惯性矩大40%以上。此外，前者节点处理较圆形截面简单，故最终可选用单箱双室截面。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1. 材料的强度特性我们查阅了浙江大学土木系对结构设计大赛材料的性能试验数据，如下：2.结构整体受力分析我们对支座实际的约束情况加以分析，得到进行结构力学理论计算的杆件约束体系如下：考虑到此次大赛规则有变，加载了均布的静荷载。联系所学桥梁知识对主梁的连续及非连续不同情况做了

3、对比，（单位力）a. 中间为简支非连续梁在均布荷载下的弯矩图： M图b.中间为简支连续梁在均布荷载作用下的弯矩图: M图 由上述受力分析可知在单位均布荷载作用下，连续梁的跨中最大弯矩较小，仅有1.04NM,但是支座处弯矩交大，为2.08NM；而非连续梁的跨中最大弯矩为较大的3.12NM，但是支座处弯矩为0。综合考虑不同情况下弯矩的影响，我们选择了中间连续梁的形式，因为这样整个梁的弯矩承受较小，只需在支座处稍加强即可，达到节约材料、减轻自重的目的。C.移动单位荷载作用下距左端1/8处截面弯矩影响线：（左右对称）D.移动单位荷载作用下中间支座处截面弯矩影响线：3.荷载简化 由于计算机模拟分析纸质桥

4、梁模型的局限性，我们对计算模型进行了下列简化和假定：1. 采用空间梁单元模拟桁架结构；2. 车轮荷载按横向线集度荷载在两片主桁间进行分配，等效为作用在纵梁上的集中荷载；3. 不考虑桥面板参与受力；4. 忽略桥面及桥面系局部加劲构造的作用；5. 两跨受力模式一样，仅取一跨进行计算分析。应该承认，上述简化和假定会带来一定的计算误差。考虑到理论分析用于纸质模型的指导性作用，这样的简化和假定是可以接受的。采用简化计算模型，考虑将小车荷载转化为加载在左右两根纵梁上的移动点荷载来计算，将总重为100N的小车荷载简化为加载在两根纵梁上的竖向点荷载，即左右两个纵梁分别加载40N和10N的力，简化后的等价小车荷

5、载模式如图3所示。图1 简化后的小车荷载（单位：mm）4.模型单元编号桁梁模型单元的编号见图2、图3。鉴于纵梁的重要性，每节间的纵梁划分为35个单元；为使计算便捷，将其余杆件均视作一个单元。图2 纵梁单元编号图3腹杆单元编号5.纵梁受力情况及挠度 腹杆单元可近似按轴心受压构件计算，根据Midas软件的桁架单元内力分析结果可知53号腹杆单元为控制单元；纵梁单元同时受轴向应力、弯曲应力和剪应力的作用，根据软件的应力分析结果可知68号梁单元为控制截面；跨中挠度的大小也为本次模型设计成功与否的关键因素。模型的53号、68号单元内力和跨中挠度计算结果如表4所示：表4： 单元内力和跨中挠度计算结果中心距5

6、3号腹杆轴力(N)68号纵梁轴向应力(MPa)68号纵梁弯曲应力(MPa)68号纵梁剪应力(MPa)跨中挠度（mm）150mm61.62913.616.72.611.03 腹杆轴力 采用第四强度理论计算模型68号纵梁单元的相当应力： 6. 47号纸带单元截面尺寸的选取基于浙江大学结构设计大赛的材料试验结果和补充试验数据，并参考有关资料，拟定8mm宽的纸带的性能参数如表5所示。表5 材料性能参数名称层数面积弹性模量极限拉压应力（N/mm2）白卡纸110.38=2.4mm2113022.2/7.0白卡纸220.68=4.8mm2114544.0/14.0白卡纸330.98=7.2mm2160066

7、.0/21.0白卡纸441.28=9.6mm2196088.0/28.0桥梁模型结构的各杆件单元采用不同层数的白卡纸制成，软件分析计算中采用表6中所列参数。表 6 单元几何参数表（单位：mm）项目材料截面形状宽高厚纵梁白卡纸3矩形9100.9横梁白卡纸2矩形9100.6腹杆白卡纸1矩形1060.3下弦横联白卡纸1三角形边长为80.3纸带四层纸带白卡纸4矩形81.21.2三层纸带白卡纸4矩形80.90.947号纸带单元为桁架单元，主要承受拉力，由Midas分析结果得其轴力为126.87N。1) 选取一层白卡纸： ，不满足要求；2) 选取二层白卡纸：，满足要求；综上可知，两层8mm的白卡纸可以满足

8、要求，但处于结构的构造要求和47号纸带单元对结构的重要性，最终我们选定47号纸带单元采用三层8mm的纸带。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）。作品简图我们最终采用的方案结构体系为两跨简支鱼腹式桁梁桥，为无竖杆的三角形桁架，模型按1015mm1015mm等跨布置，全长2030mm，宽200mm。两纵梁中心距为130mm，桥面板自纵梁外缘向外各悬挑30mm，实际通车桥面宽200mm。纵梁采用单箱截面，梁高10mm,箱宽9mm；横梁也采用单箱截面，不等间距布置，梁高10mm，宽9mm；腹杆为不等节间布置，截面采用6mm10mm矩形空心管；下弦杆采用纸带，尺寸高1.2mm，宽8mm；下弦跨中横联采用正三角形截面，边长为8mm；桥面采用经厚薄处理的