结构设计大赛报告书讲解

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1、“锥映长空”桥梁结构设计计算说明书学院名称: 公路学院 团队名称: 突击小分队 专业名称: 公路工程 学生姓名: 龚威 黄富斌 胡栋梁 黄蕾 联系电话: 18729358083 (一) 结构设计说明书1, 结构的选型 各种结构形式优缺点的比较结构形式优点缺点桁架杆件只受拉、压,材料性能得到充分利用结点不易处理,制作难度大,重量大拱受力合理、承载力大制作复杂、重量大、计算烦琐(移动荷载作用下,拱处于弯、剪、压复合受力状态,稳定性不好验算)悬索、斜拉主要受拉,材料性能得到充分利用,跨度可以很大、重量轻绳的弹性大,加载仪器不提供锚固,制作要求苛刻,无法实现索拱受力明确、合理,材料性能得到充分利用,重

2、量轻,制作简单、上承式受荷便于小车通过,计算方便对受拉蜡线带制作、安装要求高 通过上表的比较,我们容易得出结论:无论从受力、重量、制作加工各个方面看,索拱结构都是我们的最佳选择。我们的桥采用的结构形式为:索拱结构,其中桥梁上部结构采用的是连续钢构。具体来讲,结构有如下优点 主梁采用连续刚构,这样能时跨中的弯矩变小提高承载能力,同时能减少桥梁的扭曲变形。 悬索由多根蜡线组成,处于受拉状态,充分发挥这种材料的抗拉性能。 悬索与主梁之间采用大小不等的四棱锥联接,由于四棱锥侧面为三角形,三角形的结构是相当稳固的。其中创新之处在于 我们制作模型时将直梁做成微弯曲的拱形,并用蜡线拉紧,这样相当于预应力梁,

3、可以提高结构的承载能力, 且减少挠度值。 从桥梁的整体来看,结构的材料用量少,满足了经济性,从外观上,将会在视觉上产生一种极有张力的效果,在结构受力与凸显力度上两全其美。此外主梁段的锥以索相连,形成倒拱的效果,虽其线条不能做到与真正的拱一般圆滑柔美,但是其效果将简洁明快,不输弧度的风采。2 模型的制作工艺 桥面主梁与横隔梁 都采用矩形截面,制作方便,施工速度快。跨中立柱采用圆柱型结构,充分利用圆柱的抗压能力,提高立柱的强度。接点处理 个别重要接点运用蜡线箍扎,并且涂刷乳白胶加固定型。 提高了接点的牢固性,提高结构整体性。3 施工操作的可行性与难度经过我们组的反复讨论与研究,这种结构操作上是可行

4、的,但是锥与蜡线如何连接时一个难题,因此我们商讨出两种方案来处理这个问题。第一种: 在四棱锥的四个棱柱顶端分别刻槽,然后让从这四个槽中穿过,但这种方案的缺点锥顶不能把力集中在一个点上,从而破坏了锥的稳定性。第二种:将锥顶粘结在一起,然后削平,再集中粘结在一个小木片上,再在这个木片的底端刻槽,将蜡线从槽中穿过。这种解决办法将锥形成一个整体,符合结构的要求。经过我们的反复讨论决定采用第二种方法。 (二) 结构计算书1 计算简图通过用midas对结构内力分析,得到如下的结构计算简图2 荷载分析通过对桥梁分析,我们可以看出结构受力是明确合理的,其传递方式是:小车荷载 桥面板(横隔梁) 主梁和柱子 蜡线

5、 基础 桥受的荷载小车和是砝码的移动动荷载,小车是缓慢匀速速的通过桥面,我们认为每一时刻小车的荷载为静荷载,动力效应很小,且小车的轴距与桥梁的跨度相比较小,因此为了计算简便,将荷载视为集中荷载由对连续梁的弯矩包络图可知,存在两个不利位置,如下图: 不利位置1 不利位置2通过midas对两种不利位置的内力计算,发现不利位置2的内力小于不利位置1的内力,因此我们只需验算不利位置1的内力。3 结构的尺寸 (单位cm) 结构平面图尺寸 立面图尺寸4 截面选取 bh (cm)片数每片长度 (cm)总长度(m)主梁0.52.821643.28横隔梁111.413172.21横隔梁20.51.410171.

6、70锥截面0.60.61816.58/11.4/81.84蜡线R=0.3预计所需各类木材量为:5mm28mm 3.5m 10mm14mm 5m 5mm14mm 2m 注:以上尺寸是初步设计时用的,可能后面需要局部加强。5 内力分析用midas进行受力分析,对单元进行如下定义:E木=600N/mE线=1300 N/m单元长度及尺寸用上面所示可得到 不利位置1的弯矩图, 不利位置1的上部结构轴力图 不利位置1的下部轴力图不利位置1的剪力图6 承载能力验算 最不利情况下各构件的内力 Mmax(Nmm)Nmax(N)Qmax(N)主梁2630+11.2-16.625.0锥形桁架0-23.20横隔梁1,

7、2由于内力较小,可忽略验算蜡线将强度视为无限大,忽略验算截面最大应力情况弯曲应力(MPa)轴向应力(MPa)剪切应力(MPa)主梁4.0+0.44-0.110.18锥形桁架0-0.640横隔梁1,2由于内力较小,可忽略验算蜡线将强度视为无限大,忽略验算根据已知:【】桐木抗压=12 MPa, 【】桐木抗拉=8MPa, 可以得出各点的应力在安全范围之内,考虑到小车在实际中并不是以集中力的形式加在桥梁上,因此我们的设计还是偏于安全的, 以上是用手算得出的结果,现在我们用midas对结构的应力分析:通过以上结果分析,我们可以看出在跨中位置和索缆与桥面连接处的应力较大,与手算的基本相符,因此在模型制作过

8、程中对以上部位进行局部加强。 稳定性验算:根据内力图分析,最存在稳定性问题的构件是最大四棱锥的最长杆件,将其杆简化成两固定的,有已知可得:回转半径:i = (I/A)= ( hh/12)长度因数:=0.5长细比=li = 48【】=(E【】)=22故【】,因此需要进行压杆稳定验算:Fcr=El(ll)=600N69.5N,故不会发生失稳破坏。结构变形验算:用midas进行位移分析,将参数输入其中,可以得到:最大位移发生在跨中截面,位移值:11.279,满足要求。承载能力预估: 以上是10 Kg的位移情况,按荷载、受力分析,挠度要求,以及结构承载能力成线性增长关系,估算我们的结构可承重18Kg,但是考虑到汽车动力影响和材料各向异性,所以其实际承载能力将小于18Kg。 参考文献:材料力学第5版,高等教育出版社; Midas有限元分析软件; 木结构设计规范。

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