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1、 西安建筑科技大学结构设计大赛方案设计致青春西安建筑科技大学结构设计竞赛计算书 作品名称： 致青春 学院名称： 土木工程学院 队员姓名： 阮星星、赵加兵、李朝、胡琦、高山俊男 联系方式： 15594696583 二一五年十一月十六日目 录前 言2一、设计说明书31、设计概要32、结构设计说明与方案比选33、设计细节44、方案特色4二、方案图51、作品简介5三、计算书71.计算假定72.材料力学性能7四、结构建模7 1、模型简化：72、荷载分析8五、构件几何尺寸及数量101.构件材料表102.制作工艺103.节点处理114.桥梁两跨间的连接问题：115.风干及修饰:11结 语12参考文献1211
2、前 言当人类的记忆尚处于模糊不清的原始时代的时候，桥梁便伴随着人类文明的发展，时时刻刻影响着人类的发展历程。建筑物是人类智慧的结晶，是凝固的音乐，是艺术的绽放。毫无疑问，结构是建筑物的根本。桥梁作为人类主要交通承载体，它的承载能力，稳定性，安全性等便显得极为重要。结构设计竞赛是一个极富现实意义，挑战性的科技竞赛。它旨在通过对所学知识的综合运用和团队精神，提高学生的动手能力与思维能力，激发创新意识，培养科学思维，加强团队协作，提高动手能力，提升大学生的责任担当，更好地去思考建设的结构。 这次比赛无疑给我们建立了一个理论联系实际的平台，将理论知识用于与实际问题的解决之中，为社会问题建言献策。通过本
3、次比赛，我们不仅会锻炼我们自己的思考能力，加深入了对理论知识的理解，还会跟来自全校其他学院的同学交流我们对结构的认识。这将是我们学海生涯中难忘的一笔。一、设计说明书1、设计概要此次结构设计大赛题目为“不等跨双车道桥梁结构设计”。主要要求为： 1）、模型制作材料为白卡纸、白卡纸和蜡线。 2）、模型跨度1200-1300mm，分为长跨和短跨，模型宽度不超过300mm3）、模型加载为动荷载，两辆小车载重先后在车道上通过，测量长跨跨中竖向位移，不超过10mm则加载成功。2、结构设计说明与方案比选 在实际工程中，桥梁种类很多，例如斜拉桥，拱桥，桁架桥，梁式桥等。结合比赛题目要求，我们在设计之初先做出以下
4、分析：第一，此次比赛题目提供的支座不提供水平方向约束，即不能提供水平力，而拱桥对桥梁的基础有要求，而拱桥的设计原理是将竖向的力转化为沿水平方向的力，若要设计拱桥的话难度非常大，因此我们排除了做拱桥的想法。第二，比赛提供的材料中有蜡线，如果设计斜拉桥的话，会大大减少模型质量。但是考虑到蜡线太细，在受力时蜡线受到的应力会很大，而且可能会造成结构不稳定。另外，斜拉桥主要应用于大跨度的桥梁，此次比赛题目中的桥梁长度长跨部分为800mm，仅为加载小车长度的4倍，故此次设计的桥梁属于小跨径的公路桥，而且对刚度有要求，因此我们也排除了做斜拉桥的想法。第三，在高跨比控制较好的前提下（1：81：12），梁式桥有
5、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。故排除单独做梁式桥的想法。第三，模型加载时，受到移动荷载作用，故设计时优先提高桥的抗弯能力，为了使结构受到弯矩最小，同时考虑到模型的质量因素，我们最终确定的结构为梁式桥或者桁架桥。相比于梁式桥，桁架结构主要由上弦杆和腹杆受压，
6、下弦杆主要受拉，尽量减少结构所受弯矩，且比较节省材料，同时外观比较美观，也能满足题目要求，故我们最终选择设计梁式桥与桁架桥的组合。第四，考虑的比赛加载时，有两辆下车分别在两个车道上通行，所以模型应该具有一定的抗侧能力，最终，我们选择的结构式一个空间桁架，其正投影是一个三角桁架。3、设计细节：为了提高结构的整体抗弯刚度，首先要使梁的抗弯刚度EI增加，结合材料力学知识，对于矩形截面梁，I=；对于圆形截面梁，I=；因此增加矩形截面的高度，加大圆形截面的直径，都可以提高梁的抗弯刚度。对于三角形截面梁，惯性矩为截面各微元面积与各微元至截面某一指定轴线距离二次方乘积的积分，因此通过计算得出，当高度和宽度的
7、比值为2：1时，可以充分发挥材料的性能，提高梁的抗弯刚度。通过综合的计算分析，当使用材料量相同的条件下，高宽比为2：1的三角形截面梁的EI最大。其次，可以利用桁梁组合的方法，提高结构的整体抗弯刚度。在桥面的下端增设塔式桁架结构，从而构成三角形截面梁和塔式桁架的组合结构，从力学计算上缩小跨度,有效减少弯矩，在竖直方向上有效的提高了结构的抗弯刚度。4、方案特色:1）.整个结构由空间桁架组成，下部成倒锥形，使得整个结构有一定的抗侧能力，并且在两跨各自只设置了一条拉带，使得整个结构显得非常美观。2）.各个构件不同截面的选择：结合材料力学与结构力学的相关知识，我们选用高低比为2:1的三角形截面来作为梁来
8、承弯，用圆形截面来做弦杆来承受轴力，用纸带代替杆来承受拉力。3）.质量较轻：在满足荷载承受要不的前提下，我们尽可能希望尽可能的发挥材料的性能，而且我们所有的杆件截面几乎均为一层白卡纸组成，所以在模型质量上有很大的优势。4）.复杂节点的处理：我们的结构中，最关键的就是节点处理，我们的结构下部有6个节点连接的杆件个数达到8根（不包括2根拉带）。二、方案图1、作品简介理论效果图图1主视图 图2俯视图图3侧视图图4节点设计图图5节点实际图图6结构实际图图7作品质量：300g左右作品高度：100mm作品宽度：240mm三、计算书1.计算假定1) 白卡纸材质连续、均匀；2） 桁架的节点与节点之间铰接。实际
9、并非铰接，而是介于刚接与铰接之间，为方便计算这里假设结构刚接；3） 小车通过桥面时是以均布荷载的形式作用于结构。2.材料力学性能230g白卡纸弹性模量名称种类层数弹性模量（MPa）230g白卡纸156.92148.2表1230g白卡纸极限应力名称类型层厚（mm）拉应力（N/mm2）压应力（N/mm2）230g白卡纸0.322.27.0表2 四、结构建模 1、模型简化： 根据以上基本假定，取构件的形心线为计算轴线对结构进行建模，为方便计算，我们对取结构的正投影进行计算。实际应计算模型：图8简化后计算模型（仅计算长跨部分）图9 2、荷载分析 对简化后结构通过桁架力学求解器进行计算，以集中力形式加于
10、指定点，每个节点按5kN计算，计算荷载下的结构内力。轴力图：图10 由上图中轴力示意图可知：模型下弦杆承受拉力，故在模型制作中我们充分利用纸带的较强的抗拉能力，在下弦部分采用纸带代替弦杆。在保障模型结构整体性的条件下，减轻了模型质量。位移图：图11有荷载位移图可知：当模型长跨部分加载达到25kg时，跨中位移略大于10mm，可知当加载小于25kg时跨中挠度小于10mm满足题目要求。五、构件几何尺寸及数量1.构件材料表：表3项目编号名称长跨短跨截面形式数量（根）长度（mm）梁1横梁800400三角形底*高12*1742纵梁600*4=240020*2032弦杆（第一节点）3中弦杆69.546.1圆
11、形（直径）844边弦杆120.9109.284弦杆（第二节点）5中弦杆105.9561.0826边弦杆145.0116.382横向弦杆7V型腹杆A180.0127.91088V型腹杆B197.0138.1108边缘弦杆9中弦杆150.381.184拉带10拉带250.0360.0矩形 (长*宽)7*1.542.制作工艺：制作结构模型即相当于桥梁的施工过程，这是一个关键的环节。制作工艺，毫无疑问在比赛中很重要，质量的好坏直接决定了加载的成败。制作模型须以严谨的学术态度来对待，尺寸必须精确,否则模型无法加载。此外，模型中每一根杆件都需要根据长度、厚度精确取好图纸，以保证尺寸准确。在制作过程中，还要
12、注意节点捆绑牢固，在模型加重载时，节点不牢固，直接导致变形过大。在制作过程中我们发现，在杆件外层初步粘结后，对杆件进行若干次单方向（卷杆方向）的搓动，杆件会利用白乳胶提供的初步粘结力内裹，使杆件的密实程度增加，几层纸共同受力。由于白卡纸自身硬度较大，通过在卷杆之前对白卡纸进行预卷数次，使其具备一定的预曲率，方便工艺进行。其次为保证杆件尽可能快地风干，按照拼接的顺序卷杆。首先量取所需材料，并于纸上标注相应的标号。先卷出所有的柱，然后卷通体编号的杆件，其余杆件按编号顺序卷；将卷好的杆件套于模具上，用冷风机吹干后取下，并用铅笔于杆中间标好杆件号，便于查找。3.节点处理：三角形杆件可以有较好的稳定性，
13、较圆形杆件容易成形、制作，但是其在节点处的粘接较为困难，而节点却恰恰是力传递效率的关键。纵横梁与下部桁架的连接：将下部桁架的上端捏扁以适应纵横梁的角度，同时增加节点片，其强度和整体性大大增强。桁架杆与桁架杆的连接：将下部桁架的下端打磨后压扁,使得8根下部桁架的下端得以粘在一起,然贴上节点片，使得节点比较牢固。杆件不均匀干燥的弯曲问题由于刷胶过程中纸张遇水膨胀以及在干燥过程中的不均匀性，三角形杆件在干燥后存在一定程度的弯曲，不但给制作过程带来一定的不便，也使杆件产生一定的附加应力，对结构产生不利的影响。为了解决这个问题，我们会尽量减少杆件粘合过程中的用胶量，减少水分以控制纸张的膨胀问题。在杆件干
14、燥过程中使用电吹风使杆件均匀受风干燥。4.桥梁两跨间的连接问题：为了保证两跨的连接有一定的刚度，制作60mm长的截面为三角形的楔子（三角形尺寸略小于上弦杆的尺寸），分别将两头插入两跨的四根上弦杆中。为了防止楔子插入上弦杆过程中变软，该处的连接不使用胶水。5.风干及修饰:用冷风机间断性地吹模型，让其尽快地干掉；按规定尺寸裁剪结点处杆件,最后粘接。模拟加载示意图：结 语这次比赛为同学们的理论知识与实践结合提供了一个良好的平台。通过结构模型的设计制作，参赛同学充分理解了桥梁结构的构造原理和受力点。提高和巩固了他们的力学知识、桥梁专业知识，增强了大家的学习兴趣，同时也增强了他们的动手能力和团队间的合作精神。参考文献：1 杨茀康、李家宝.结构力学.高等教育出版社2 孙训方、方孝淑.材料力学.高等教育出版社3 赵青、李海涛.桥梁工程.武汉大学出版社4 苏彦江.钢桥构造与设计.西南交通大学出版社