20160422-北京理工大学第9届结构设计大赛-辅导讲座

1,桥梁模型设计方案与计算简介, 北京理工大学 第九届结构设计大赛 辅导讲座,主讲：白若阳 宇航学院 力学系,良乡校区 1#201 2016年4月24日 14:0015:30,2,桥梁的种类 设计方案的制定 计算书的编制 4. 桥梁计算介绍,3,1. 桥梁的种类,1.1 梁式 1.2 拱桥 1.3 斜拉桥 1.4 悬索桥,简支梁桥、连续梁桥、钢桁架梁桥,1.1 梁式,4,简支梁桥： 上部结构由两端简单支承在墩台上的桥梁，是静定结构。,5,开封黄河大桥,6,开封黄河大桥：全长4475.09 m，共108孔，其中77孔为跨径50m的预应力混凝土简支T型梁，其余31孔跨径为20m。桥宽18.5m，机动车道12.3m，非机动车道人行道两侧个3.1m。下部结构为单排双柱式墩，直径220cm大直径钻孔灌注桩基础。,7,连续梁桥： 上部结构由连续跨过三个以上支座的桥梁。在较大跨径时较简支梁经济，且桥墩宽度小，节省材料，接缝少，行车平顺。但连续梁为超静定结构，适用于地质良好的桥位处。,8,杭州钱塘江二桥,9,杭州钱塘江二桥 为公路、铁路并行分离的公路、铁路两用桥。当时国内最长的预应力混凝土箱型连续梁。公路、铁路正桥均为18孔一联预应力混凝土箱形连续梁。基础采用钻孔灌注桩。公路桥按高速公路标准设计，桥宽20m，4车道，全长1792.8m。铁路桥全长2861.4m。,10,钢桁梁桥： 桁梁桥构造简单，施工方便，工期短、造价低、且易维修。,11,钱塘江大桥（1937）,12,钱塘江大桥： 为中国工程师自己设计并建造的公路铁路两用简支钢桁梁桥。全长1453米，上层设双车道公路，宽6.1米，下层为单线铁路。正桥18孔，由2x14.63 m简支上承式钢板梁与16x65.84m简支钢桁梁组成。正桥主要采用空心钢筋混凝土桥墩、气压沉箱基础。,13,武汉长江大桥（1957）,14,武汉长江大桥： 中国第一座跨越长江的公路铁路两用钢桁架桥。上层为公路，行车道宽18米，两侧人行道各宽2.25米，下层为双线铁路。正桥有9孔，共长1155.5米，包括3联3孔平行弦连续桁架，每孔跨度128米，桁高16米。,15,1.2 拱桥,圬（wu）工拱桥,石拱桥以及拱圈不配钢筋的混凝土拱桥，跨越能力较小。我国公路桥中70%为拱桥。由于我国是一个多山的国家，石料资源丰富，因此拱桥取材以石料为主。,16,赵州桥,17,赵州桥,18,赵州桥 世界上现存最早、保存最好的巨大石拱桥，建于隋代开皇年间（581601），距今已有1400多年历史，被誉为“华北四宝之一“。赵州桥是一座弧形单孔石拱桥。桥全长64.4米，拱顶宽9米，两端宽9.6米，跨径37.38米在桥两端的石拱上，辟有两个券洞，这种结构叫“敞肩拱“，拱矢高7.23米。这些敞开的小拱在减轻桥身的重量同时，又起到减少流水冲力的作用。这在当时是世界桥梁中的首创。,19,宁海越溪桥,20,宁海越溪桥： 桥主孔为净跨75m的预应力混凝土桁架拱，拱矢度为1/9；边孔为净孔40m的双曲拱，中墩为钢筋混凝土高桩承台，石砌箱形墩身。,21,卢浦大桥 （2003）,22,卢浦大桥 （2003）,23,卢浦大桥施工,24,卢浦大桥： 世界上跨径（550米）最大的拱形桥，大桥主桥为全钢结构，大桥全长3900米，其中主桥长750米，宽28.75米，采用一跨过江，整座主桥结构用钢量达35000多吨，主桥建造中融合了斜拉桥、拱桥、悬索桥三种不同类型桥梁施工工艺于一身。,25,1.3 斜拉桥,组合梁斜拉桥 组合梁及钢斜拉桥系、桥跨结构由钢结合梁与斜向拉索组成的斜拉桥。钢组合梁由钢梁与钢筋混凝土桥面板组合而成，较预应力混凝土轻，建筑高度小，跨越能力大，施工速度快。,26,杨浦大桥（1993）,27,杨浦大桥 (1993),28,杨浦大桥 主桥为双塔三孔结合梁斜拉桥，分跨为243 + 602 + 243米，其跨度曾经在世界斜拉桥中排行第三，于1993年底建成通车。桥宽30.35米，共设6车道。离浦江水面为48米，桥下可畅通万吨级以上船舶。挺拔高耸的208米主塔似一把利剑直刺穹苍，塔的两侧32对钢索连接主梁，每座索塔两侧各有32对拉索，全桥共256根。最大索长330m，拉索最大断面由313根直径7高强钢丝组成。,29,1.4 悬索桥,悬索桥是以悬索为主要承重结构，与桥塔、吊杆、锚锭和桥面结构组成的缆索承重桥。悬索承受拉力，现在主要由高强钢丝制成。是目前跨越能力最大的桥梁。,30,泸定桥 (1706),31,泸定桥 (1706),32,泸定桥 始建于清康熙44年（1705年），桥长103米，宽3米，13根铁链固定在两岸桥台落井里，9根作底链，4根分两侧作扶手，此桥每根铁链约重2.5吨，由890个扁环左右扣联在一起，上铺木板形成桥面。桥之两端，各有1座20米高的桥台，内置若干铁桩，13根铁链铆定其上。桥台自重作为压重，承受铁索的巨大拉力。,33,润扬大桥 （2005）,34,润扬大桥 （2005）,35,润扬长江公路大桥 为目前我国第一大跨径的组合型桥梁，第一大跨径：主桥是目前中国第一、世界第三、主跨径长1490米钢梁悬索桥。 第一大锚碇：锚碇要承受6.8万吨的主缆拉力，锚体由近6万立方米混凝土浇筑而成。 第一高塔：悬索桥索塔高达215.18米，第一长缆：悬索桥主缆缠丝采用的是国内首次使用的“S”型钢丝，两根主缆每根长2600米，为国内第一长缆。 第一重钢箱梁：大桥悬索桥桥面钢箱梁宽38.7米，高3米，钢箱梁共有93节，总重量为21000余吨，最大一节钢箱梁重达506吨，是目前国内最重的。,另外再补充一种形式：钢悬臂玻璃栈道,36,2. 设计方案的制定,修改设计,2.1 根据使用要求，确定结构形式和结构布局。,初步设计,结构计算,2.3 绘制结构设计图 平面图、侧视图，结构几何尺寸，主要构件截面几何尺寸。,2.2 根据载荷工况，粗略的估算主要构件截面的尺寸、比如梁、柱、杆。,37,“结构设计大赛”，强调的是设计，而不仅仅是动手能力的比赛。 计算书是结构设计的依据，通过对主要受力构件的计算，得出结构的承载力，使设计者作到心中有数，了解自己设计的结构在比赛条件下，是否安全，有多大的安全度。,3. 计算书的编制,38,对计算书的要求,(1) 结构的计算简图（计算模型）（如：结构的几何尺寸，约束的情况，载荷的大小、方向及作用位置）；(2) 主要受力构件（如：立柱和横梁等）的横截面形状、尺寸；(3) 根据实验资料确定材料的力学性能（材料的许用应力，弹性模量等），并阐述“如何确定”的；(4) 各主要承载构件的强度、刚度、稳定性以及动载荷的计算等。,39,模型计算书的计算可以是比较精确的计算（对结构的力学模型的简化较少），可以利用计算软件计算。也可以通过简化，对主要受力构件作比较粗略的估算。,计算书在写作上，应该尽量作到，叙述清楚、简明，有条理，能说明问题，作为技术档案，是模型制作的依据，不仅要自己能看得懂，也要别人能看得懂。图文并茂最好。切记：不要将计算书搞成一堆数据的堆砌，自己不会去看，别人更不会去看。,40,41,4. 桥梁计算简介,4.1 简支梁 （静定）,等截面梁,变截面梁,横截面形式,桁架,42,4.2 连续梁 （静不定）,等截面梁,梁刚度变化内力也变化,变截面梁,43,4.3 计算的工具,通用计算软件：,例如：ANSYS,小型软件：SMSOLVER,4.4 压杆稳定,临界载荷 Fcr,大柔度（细长）压杆,中柔度、小柔度,44,45,4.5 刚度,不能变形过大，但大赛对刚度没有“硬性”要求。,46,4.6 动载荷,加载方式的影响 （快、慢）,加载装置如下图,47,48,49,50,祝同学们取得好的成绩！,希望通过结构设计大赛使同学们更好地掌握工程力学的理论知识，培养创新思维，提高动手能力，增强团队合作意识。,