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1、桥梁结构设计理论方案作品名称参赛学校参赛队员、专业名称指导教师大庆市大学生结构创新设计竞赛组委会二o年目录1设计说明根据本次大赛要求及所提供材料，本组成员秉承“安全、节省、承载力高、美观”原则，设 计此桥梁“步步精心”结构模型。桥梁以桁架结构为主体，尽量做到受力均匀，拉杆和压杆合理分 布。其中“杆件承载力充分利用和桥身自重轻”为此设计最大亮点。1.1设计构思在接到比赛要求最初，本组成员经过分析得出“材料本身承载力强、材质轻、只适合粘结” 的结论，初步确定以“平面结构，主梁主要承力，桁架结构”为大体思路。为减轻桥梁自重，我们决定尽量多用拉杆，但在模拟加载过程中，发现此想法难以实现。遂 改用另一种
2、减重方式，即尽量使每根杆都受力均匀，所受最大拉（压）力和最小拉（压）力差值最 小。1.2结构选型在确定“平面结构、主梁主要承力、桁架结构”为大体思路后，设计步骤如下： 根据大赛尺寸要求，初步确定桥梁的跨度、高度和宽度； 根据以往经验和资料分析，设计出桥梁大体模型； 以实际情况为准，提取计算简图； 利用结构力学求解器软件对结构进行模拟加载，计算出各杆所承受轴力及弯矩，以确定桥 梁各单元杆件截面尺寸； 结合杆件密度，取最优荷重比。1.3详细计算1.3.1设计资料根据大赛要求，可以确定桥梁跨度L=1300mm，净跨L0=1200mm，桥宽B=185mm，由经验和资 料初步确定桥高H=150mm，竖向
3、腹杆间距由比赛小车车轮中心轴距离确定，选为120mm。1.3.2桥梁形式、尺寸及支撑布置根据上述原则，最终确定桥梁如图1-1,1-2图1-2俯视图1.3.3基本假定 节点粘结处按照铰接计算； 支座简支； 荷载取为竖直集中静荷载，分别作用在结点和单元上 考虑动荷载影响，计算荷载取为实际荷载1.2倍； 忽略桥本身自重， 材料材质均匀。定义杆件单元和结点码，下文提到单元和结点码皆基于此定义图1-4 桥面板近似为均布荷载q=mg/l0=3X 10/1300=0.0125N/mm 一辆小车加砝码P =120N，考虑动荷载影响P=1.2P =144N 一辆小车在两根桁架上荷载分配的原则如图1-5P1=0.
4、25P=36NP2=0.75P=108N考虑每辆小车轮距，将一辆小车及砝码的荷载简化为两集中力Q1和Q2Q1=0.5P2=18NQ2=0.5P1=54N则桥梁计算简图如图1-6QlQIQ2 妙图1-6按照图1 -6将计算简图输入结构力学求解器，将集中荷载依次作用在各单元中间位置，得出 各杆件所受最大轴力和弯矩值，依次列在附表1-5，再将集中荷载依次作用在各结点位置，同样得 出各杆件所受最大轴力和弯矩值，依次列在附表6-9,此数据作为设计最终依据。1.3.5计算示例材料性质: 木材E=10 4Mpa，抗拉强度f =30MPat查阅有关资料可知：木材抗压强度f =30MPa，抗弯强度f =20MP
5、a，抗剪强度f =2Mpa cmv从表1-9可知，杆件单元共分为三类。一、受拉构件；二、受压构件；三、压弯构件。以下每类杆件均举例说明计算过程，其余不再列出。另在结构中还存在拉弯和受剪构件，因其对结构影响较小，在此忽略不计。一受拉构件，以单元1为例Af 二 =8.5mm2 f 30 t选截面2 X 6mm的杆件二受压构件，以单元23为例试选5X6杆件Ti= ；A =62.5/30=2.1入二 =192/2.1=133.02754=3000/入0.17AN/ 4 f = 100.5 = 19.7mm2c 0.17x30选5X6杆件合适。三压弯构件，以单元10为例试选如图1-7截面图1-7由图1-
6、7知:A=52mm2, I =497.33mm4, i =3.093mm, I =169.33mm4, i =1.81mm, W = 2 =99.47xxyyx h由图1-1知:L =10 =120mm强度验算：N + 工=282.6+1267.6=0.981气f52 x0.9x30 99.47x0.9x20Afc强度满足要求刚度验算:入=I /i =120/0.093=38.8入=120入二1/i=120/1.81=66.3入=120刚度满足要求稳定性验算:K=忻.气Af。M:N、, )99.47x0.9x20x(1+ 1267七 2826=0.48952x0.9x30中(1-K) 2=0.
7、261中=1/1+ (入 /80)2 = 一=0.811+(箜8)280N/( A)=2826二25.71N/mm2f =30 N/mm2m0.81x0.261x52cB平面外1267 6N/( Af ) + M/( Nf )2=+()2 =0.41y c1 m0.593x52x0.9x30282.6x0.9x20282.6满足稳定性要求图1-7截面适合。其余各杆件算法与此相同，不再列出，以上公式皆取自木结构设计规范GB500052003。最终各单元截面选择见附表10、11。2节点设计2.1节点构思经过实验，胶水粘结可以承受的力比材料本身的只强不弱，但考虑到构件用胶水粘结时，接触 面积较小，为
8、增加构件之间粘结强度，用1X55 mm木板做成垫片，辅助粘结。同样原理，细杆与 其他杆件连接时，不用正面粘结，而用侧面。且为增加胶结强度，特别对结点粘结处进行砂纸打磨处理，以增加其摩擦力。并对于多结点交 接处，滴加更多胶水，以增加粘结力。2.2节点详图图2-1节点1实际详图图2-2节点2实际详图图2-3节点6实际详图3设计总结 结构整体采用桁架结构，既满足受力均匀的要求，同时又保证了计算、施工的方便； 计算过程利用结构力学求解器软件，使结果更准确，为设计提供了有效依据； 交点多的节点，采用1 X55mm薄片做垫片，既充分利用了材料，又使节点承载力有了显著提高； 桥梁中只承受拉力的单元做到了足够
9、多，此设计较多的减少了桥身自重； 施工精细，节点、杆件处理分毫不差，每根杆件都根据连接做出相应角度坡口，真正地诠释了桥 梁的名字“步步精心”。4破坏分析 动荷载影响可能估计不足，实际加载过程中，可能因此破坏; 节点胶水过少，或者因温度变化开裂，造成粘结强度降低； 木材本身有结点，截面削弱，虫眼等因素； 结构不对称，加载时整体失稳，发生脆性破坏。附表1 Q1作用在单元13和14, Q2作用在单元5和6 （见图附-1）单兀码杆端1杆端2轴力N剪力N弯矩N.mm轴力N剪力N弯矩N.mm177.490.000.0077.490.000.30266.000.000.3066.000.000.00382.
10、110.010.0082.110.011.604108.95-0.011.60108.95-0.010.005-100.56-8.790.00-100.5610.71115.626-100.56-9.94115.62-100.569.5692.447-58.76-1.4292.44-58.760.0812.478-58.76-1.1512.47-58.760.35-36.099-72.75-0.25-36.09-72.751.2523.5410-72.75-1.2823.54-72.750.22-40.6011-81.44-0.76-40.60-81.440.74-41.8812-81.442
11、.64-41.88-81.444.14365.5013-203.18-26.66365.50-203.1828.84496.3314-203.18-31.89496.33-203.1823.610.0015220.120.030.00220.120.033.3616141.22-0.013.36141.22-0.010.0017-60.730.000.00-60.730.000.001878.890.000.0078.890.000.0019-78.310.000.00-78.310.000.00206.330.000.006.330.000.0021-7.580.000.00-7.580.0
12、00.002210.820.000.0010.820.000.0023-11.580.000.00-11.580.000.0024-27.270.000.00-27.270.000.002526.830.000.0026.830.000.0026-20.660.000.00-20.660.000.0027-1.240.000.00-1.240.000.0028-2.530.000.00-2.530.000.00291.910.000.001.910.000.00单兀码杆端1杆端2轴力N剪力N弯矩N.mm轴力N剪力N弯矩N.mm1139.720.000.00139.720.000.542117.
13、260.000.54117.260.000.003137.210.010.00137.210.012.044145.53-0.022.04145.53-0.020.005-134.33-1.910.00-134.33-0.41-139.456-134.33-6.83-139.45-134.3312.67210.637-106.04-9.91210.63-106.049.59191.868-106.04-3.37191.86-106.04-1.87-122.999-130.670.87-122.99-130.672.3771.4810-130.67-3.0971.48-130.67-1.59-209.3111-153.854.76-
