结构设计大赛计算书.doc

一、设计要求竞赛模型为竹质单跨桥梁结构，采用竹质材料制作，具体结构形式不限1.几何尺寸要求(1) 模型长度：模型有效长度为1200mm，两端提供竖向和侧向支撑对于竖向支撑，每边支撑长度为0-70mm2)模型宽度：在模型有效长度范围内（中央悬空部分），模型宽度应不小于180mm，最宽不应超过300mm；在支座范围内，宽度不限，但不应超过320mm 3) 模型高度：模型上下表面距离最大位置的高度不应超过400mm；为方便小车行驶，中央起拱高度不应超过40mm；端部支座位置处的高度不应超过150mm2.结构形式要求对于结构形式没有特定要求，桥面设置两个车道，每个车道宽不得小于90mm，车道之间不能有立柱、拉索一类的构件结构可以仅采用竖向支撑的方式，也可以采用竖向和侧向同时支撑的方式来实现约束3.材料(1) 竹质：用于制作结构构件有如下两种规格：竹子规格（单位：mm）      材料 2 mm×2 mm×1000mm        竹子 2 mm×4 mm×1000mm 竹子2 mm×6 mm×1000 mm        竹子 4 mm×6 mm×1000mm      竹子1 mm×55 mm×1000 mm 竹子竹子力学性能参考值：顺纹弹性模量1.0×104MPa，顺纹抗拉强度30Mpa。

  (2) 502胶水：用于模型结构构件之间的连接二、结构选型拱桥桥梁的基本体系之一，建筑历史悠久，外形优美，古今中外名桥遍布各地，在桥梁建筑中占有重要地位它适用于大、中、小跨公路或铁路桥，尤宜跨越峡谷，又因其造型美观，也常用于城市、风景区的桥梁建筑根据不同的分类标准，可以分为不同的类型按拱圈(肋)结构的材料分：有石拱桥（见石桥）、钢拱桥、混凝土拱桥、钢筋混凝土拱桥按拱圈（肋）的静力图式分：有无铰拱、双铰拱、三铰拱（见拱）前二者属超静定结构，后者为静定结构无铰拱的拱圈两端固结于桥台（墩），结构最为刚劲，变形小，比有铰拱经济；但桥台位移、温度变化或混凝土收缩等因素对拱的受力会产生不利影响，因而修建无铰拱桥要求有坚实的地基基础双铰拱是在拱圈两端设置可转动的铰支承，铰可允许拱圈在两端有少量转动的可能结构虽不如无铰拱刚劲，但可减弱桥台位移等因素的不利影响三铰拱则是在双铰拱顶再增设一铰，结构的刚度更差些，但可避免各种因素对拱圈受力的不利影响 经过我们分析讨论，按“实用、经济、安全、美观”的桥梁设计原则，比较三个方案的优缺点决定选做拱桥模型其具有如下优点：（1）具有较大的跨越能力，充分发挥圬工及其它抗压材料的性能；（2）构造较简单，受力明确简洁；（3）形式多样、外型美观； 拱式桥由拱上建筑、拱圈和墩台组成。

在竖直荷载作用下，作为承重结构的拱肋主要承受压力，拱桥的支座既要承受竖向力，又要承受水平力，因此拱式桥对基础与地基的要求比梁式桥要高拱式桥按桥面位置可分为上承式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥由于结构设计规则中的规定，我们选择上承式拱（见图2），起名为“虹桥” 图1 虹桥正立面图三、模型制作竹桥跨度为1. 20m，两端支座长度为0.07m，桥高为0.15m，桥面上弦杆采用3根2 mm×6 mm粘结而成，截面尺寸为6mm×6mm；拱截面为两根4mm×6 mm和1根2 mm×6mm粘结而成，截面尺寸为6mm×10 mm；拱平面内竖杆尺寸为4mm×6 mm，斜杆尺寸2 mm×6 mm两榀拱桥通过横梁（上、下平面杆截面尺寸均为4mm×6 mm）和垂直交叉支撑（杆截面尺寸为4mm×6 mm）连接成一立体拱桁架桥模型具体尺寸图见图3a）正立面模型尺寸图 （b）俯视模型尺寸图（c）下平面拱间杆件连接模型尺寸图 四、荷载分析本桥为上承式拱桥，全桥荷载主要包括静载和动载两个方面，静载包括桥体自重，小车的自重及铁块自重，动载即小车的自重以及小车行进过程中所产生的冲击力。

1.静力分析（1）桥体自重经天平称量本桥的质量m=168g，则桥模型自重W=mg=0.168×10=1.68N根据桥梁设计载荷简化原则，桥体自重应简化为一均布荷载q1（q1= W/L=0.168/1.2=0.14N/m），再以集中力的形式施加在上弦平面的各个节点上3）施加荷载求解 在上弦平面各节点施加桥体自重等效的集中力P1=0.1N，在跨中的两个节点上分别施加小车满载后的等效集中力P2=11kg×10N/kg=110N，施加荷载图见图2，进行求解图2 施加静力荷载经过求解得到跨中节点的最大位移为3mm，小于20mm，满足要求在荷载作用下的变形图见图3图3 桥在静载作用下的竖向变形图2.动力分析 （1）荷载简化 根据加载要求，整个加载程的总时间不得多于120s，其中小车在跨中停止10s，小车在桥上行进的长度为1.2m，由此计算出移动小车的速度v=1.2m/110s=0.011m/s在移动荷载作用下，桥梁将发生振动，产生的变形和应力都比荷载静止不动作用时大根据桥梁车辆振动分析的古典理论，在简支桥上匀速移动的小车可简化为一匀速移动的常力F（F=11kg×10N/kg=110N）作用在桥面上，则每个满载小车两个轮分别等效的常力为F/2=55N。

这两个力随着时间的变化沿着桥面移动刚开始施加的荷载图形见图4表1 各杆件的最大内力值及其应力杆件名称上弦杆拱上横杆下横杆垂直斜杆内力最大值（N）-241.18-338.47-0.33-0.125-0.73截面面积（mm2）3660241212应力(Mpa)-6.70-5.64-0.0140.010-0.06五、总结1、本结构利用细杆来提高柱子的承载力，并利用竹子的抗拉性能，及抗压性能来抵抗荷载的作用2、我们选择拱作为主体形状，受力均匀，加载方便3、拱越高承受压力越大，我们将上弦杆与拱连在一起，既提高了抗压能力，又节约了材料4、我们加强顶部和支座处节点强度5、根据多次加载试验的总结，我们加强了梁端部的强度6、由于拱桥左右受力不均容易产生扭曲，我们用上横杆的拉力和斜撑的推力来固定左右7、桥梁综合性能一部分取决于做工细度，做工越细，抗压、抗拉、抗扭程度越高参考文献1、土木工程材料,湖南大学 天津大学、同济大学东南大学 合编,2001,中国建筑工业出版社 2、材料力学(第四版),孙训方,2005,高等教育出版社 3、建筑结构选型概论，叶献国等，2003，武汉理工大学出版社1。