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1、word2013-2014年度学生研究计划（SRP）“桁架结构模型结构优化及试验”结题论文姓 名 骆辉军 学 院 土木与交通学院 专 业 土木工程（卓越全英班）学 号 0 指导老师 学明 时 间 2014年10月 一.实验背景随着科学技术的发展和计算机软件技术的应用，应用相关的软件来进行桁架结构模型的优化已经可以成为现实。桁架结构中的桁架指的是桁架梁，是格构化的一种梁式结构。桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。由于大多用于建筑的屋盖结构，桁架通常也被称作屋架。在桥梁结构中，桁架结构也应用广泛。只受结点荷载作用的等直杆的理想铰结体系称桁架结构。它是由一些杆轴交于一点的工
2、程结构抽象简化而成的。合理地设计桁架结构，就能够最大限度地利用材料的强度，起到减轻桁架重量，节省材料的目的，从而也能为工程实际应用提供相关的依据和参考。 但桁架的结构模型形式千变万化，仅仅从理论上分析桁架的受力特征和破坏特征，而不进行相应的试验研究是无法取得实质性的进展的。正是基于这样一个原则，我们需要在理论研究的基础上通过试验来优化桁架的结构模型，在各式各样的桁架结构中挑选出受力合理的结构，最大限度地使材料的强度得以利用。研究桁架结构模型优化的意义桁架结构中，各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压力实现了自身平衡，整个
3、结构不对支座产生水平推力。结构布置灵活，应用围非常广。桁架梁和实腹梁（即我们一般所见的梁）相比，在抗弯方面，由于将受拉与受压的截面集中布置在上下两端，增大了力臂，使得以同样的材料用量，实现了更大的抗弯强度。在抗剪方面，通过合理布置腹杆，能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是抗弯还是抗剪，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥，从而适用于各种跨度的建筑屋盖结构。更重要的意义还在于，它将横弯作用下的实腹梁部复杂的应力状态转化为桁架杆件简单的拉压应力状态，使我们能够直观地了解力的分布和传递，便于结构的变化和组合。由于杆件之间的互相支撑作用，且刚度大，整体性好，抗震能力强，所以能够承受来自多个方向的荷载。
4、而且具有结构简单，运输方便等优点，其应用于各个工程领域。古代木构建筑，而今的2008奥运会的主体育馆鸟巢；太空中的大型可展天线，地面上的跨海大桥，随处都可见到桁架的身影。由于桁架的结构模型千变万化，不同的桁架结构形式对桥梁或者屋架的受力特征有很大的影响，因而，研究桁架结构模型的优化具有重大的意义。二 实验的相关资料桁架指的是桁架梁，是格构化的一种梁式结构，即一种由杆件彼此在两端用铰链连接而成的结构。桁架由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构，桁架杆件主要承受轴向拉力或压力，从而能充分利用材料的强度，在跨度较大时可比实腹梁节省材料，减轻自重和增大刚度。由于大多用于建筑的屋盖结构，桁架通常
5、也被称作屋架。 桁架结构常用于大跨度的厂房、展览馆、体育馆和桥梁等公共建筑中。其主要结构特点在于，各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布置，可适应结构部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。结构布置灵活，应用围非常广。桁架梁和实腹梁（即我们一般所见的梁）相比，在抗弯方面，由于将受拉与受压的截面集中布置在上下两端，增大了力臂，使得以同样的材料用量，实现了更大的抗弯强度。在抗剪方面，通过合理布置腹杆，能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是抗弯还是抗剪，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥，从而适用于各种跨度的建筑屋盖结构。从力学方面
6、分析，桁架外形与简支梁的弯矩图相似时，上下弦杆的轴力分布均匀，腹杆轴力小，用料最省；从材料与制造方面分析，木桁架做成三角形，钢桁架采用梯形或平行弦形，钢筋混凝土与预应力混凝土桁架为多边形或梯形为宜。桁架的高度与跨度之比，通常，立体桁架为1/121/16，立体拱架为1/201/30，拉立体拱架为1/301/50，在设计手册和规中均有具体规定。桁架的使用围很广，在选择桁架形式时应综合考虑桁架的用途、材料和支承方式、施工条件，其最佳形式的选择原则是在满足使用要求前提下，力求制造和安装所用的材料和劳动量为最小。三角形桁架在沿跨度均匀分布的节点荷载下，上下弦杆的轴力在端点处最大，向跨中逐渐减少；腹杆的轴
7、力则相反。三角形桁架由于弦杆力差别较大，材料消耗不够合理，多用于瓦屋面的屋架中。梯形桁架和三角形桁架相比，杆件受力情况有所改善，而且用于屋架中可以更容易满足某些工业厂房的工艺要求。如果梯形桁架的上、下弦平行就是平行弦桁架，杆件受力情况较梯形略差，但腹杆类型大为减少，多用于桥梁和栈桥中。多边形桁架也称折线形桁架。上弦节点位于二次抛物线上，如上弦呈拱形可减少节间荷载产生的弯矩，但制造较为复杂。在均布荷载作用下，桁架外形和简支梁的弯矩图形相似，因而上下弦轴力分布均匀，腹杆轴力较小，用料最省，是工程中常用的一种桁架形式。空腹桁架基本取用多边形桁架的外形，无斜腹杆，仅以竖腹杆和上下弦相连接。杆件的轴力分
8、布和多边形桁架相似，但在不对称荷载作用下杆端弯矩值变化较大。优点是在节点相交会的杆件较少，施工制造方便。桁式组合拱桥是由两个悬臂桁架支承一个桥梁拱组成，它除保持桁式拱结构的用料省、跨越能力大、竖向刚度大等特点外，更具有桁梁的特性和可以采用无支架悬臂安装的方法施工，使桁式组合拱桥具有一定的竞争能力。我国省建造桁式组合拱桥数量最多，国较知名的有以下几座：(1)省剑河大桥，桥梁跨径为150m，桥面宽为11m，建于1985年；(2)省牛佛大桥，桥梁跨径为160m，桥面宽为11m，建于1990年；(3)省江界河大桥，桥梁跨径为330m，桥面宽为12m，建于1995年。省剑河大桥2.桁架结构常见材料的截面
9、形式、强度等材料性能参数桁架的几种常用材料：1. 钢材：而通常用于桁架中的钢材主要有两种： 碳素结构钢：强度：含碳量约0.05%0.70%，个别可高达0.90%。可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢两类。而用于结构工程中常用的是普通碳素钢。一般Q195、Q215、Q235钢碳的质量分数低，因为焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构。而“Q”表示钢材的屈服点。 低合金钢：强度：典型碳素结构钢的最小屈服点为235MPa。而典型低合金高强度钢的最小屈服点为345MPa。因此，根据其屈服点的比例关系，低合金高强度钢的使用允许应力比碳素结构钢高1.4倍
10、。与碳素结构钢相比，使用低合金高强度钢可以减小结构件的尺寸，使重量减轻。必须注意，对于可能出现弯曲的构件，其许用应力必须修正，以达到保证结构的坚固性。有时用低合金高强度钢取代碳素结构钢但不改变断面尺寸，其唯一的目的是在不增加重量的情况下而得到强度更高更耐久的结构；成形性能：具有适当的成形性能，容易地和经济地进行热或冷加工以制成工程结构的各种部件；2. 钢筋混凝土：由于混凝土的抗拉强度远低于抗压强度，因而素混凝土结构不能用于 受有拉应力的梁和板。如果在混凝土梁、板的受拉区配置钢筋，则混凝土开裂后的拉力即可由钢筋承担，这样就可充分发挥混凝土抗压强度较高和钢筋抗拉强度较高的优势，共同抵抗外力的作用，
11、提高混凝土梁、板的承载能力。 钢筋混凝土结构钢筋与混凝土两种不同性质的材料能有效地共同工作，是由于混凝土硬化后混凝土与钢筋之间产生了粘结力。它由分子力（胶合力）、摩阻力和机械咬合力三部分组成。其中起决定性作用的是机械咬合力，约占总粘结力的一半以上。将光面钢筋的端部作成弯钩，及将钢筋焊接成钢筋骨架和网片，均可增强钢筋与混凝土之间的粘结力。为保证钢筋与混凝土之间的可靠粘结和防止钢筋被锈蚀，钢筋周围须具有1530毫米厚的混凝土保护层。若结构处于有侵蚀性介质的环境，保护层厚度还要加大。 3. 梁和板等受弯构件中受拉力的钢筋，根据弯矩图的变化沿纵向配置在结构构件受拉的一侧。在柱和拱等结构中，钢筋也被用来
12、增强结构的抗压能力。它有两种配置方式：一是顺压力方向配置纵向钢筋，与混凝土共同承受压力；另一是垂直于压力方向配置横向的钢筋网和螺旋箍筋，以阻止混凝土在压力作用下的侧向膨胀,使混凝土处于三向受压的应力状态，从而增强混凝土的抗压强度和变形能力由于按这种方式配置的钢筋并不直接承受压力，所以也称间接配筋。在受弯构件中与纵向受力钢筋垂直的方向，还须配置分布筋和箍筋，以便更好地保持结构的整体性，承担因混凝土收缩和温度变化而引起的应力，及承受横向剪力。木材：木材有很好的力学性质，但木材是有机各向异性材料，顺纹方向与横纹方向的力学性质有很大差别。木材的顺纹抗拉和抗压强度均较高，但横纹抗拉和抗压强度较低。木材强
13、度还因树种而异，并受木材缺陷、荷载作用时间、含水率及温度等因素的影响，其中以木材缺陷及荷载作用时间两者的影响最大。建筑用木材，通常以原木、板材、枋材三种型材供应。原木系指去枝、去皮后按规格加工成一定长度的木料;板材是指宽度为厚度的三倍或三倍以上的型材;而枋材则为宽度不足三倍厚度的型材。按照国家标准，根据木材的缺陷情况对各种商品木材进行了等级划分，通常分为一、二、三、四等。结构和装饰用木材一般选用等级较高的木材。对于承重结构用的木材，又根据木结构设计规(GBJ588)的规定，按照承重结构的受力要求对木材进行分级，即分为I、II、III三级，设计时应根据构件的受力种类选用适当等级的木材。例如承重木
14、结构板材的选用，根据其承载特点，一般I级材用于受拉或受弯构件;II级材用于受弯或受压弯的构件;III级材用于受压构件及次要受弯构件。三实验的过程1.设计过程以下是我们设计的12个方案。方案1方案2方案3方案4方案5方案6方案7方案8方案9方案10方案11接下来以其中一个设计方案为例，对设计过程进行详细阐述。I. 结构的构件.图1图2图3图4图5图6提示： 图1是该结构的前视图，每个部件的中间表示它的轴。此外，我们对不同元素的标记是从1号到11号（部件12是两个结构之间的连接件）。 图2表示顶部梁1，主梁2 和底部支撑梁3的构造，梁1,2,3，用表面上的竖直线分割，由于定位所有其他构件。 图3和
15、图4表示各构件具体的尺寸，作为我们做出精确模型的基础依据。 图5和6解决我们切材料的方式。Ax指6 * 6的轻木条和Bx指63轻木条。Table 1Summary of ElementsNumberAmountLength(cm)Sectional Dimensions (mm*mm)Total Length (cm)Tips126*6A2:2226*6 & 6*3Strengthen both sides 41.45*2=82.9 A1:2 B3:2346*3B1:4446*6A2:2 A5:2546*6A4:4646*6A4:4786*6 & 6*3A3:8 Strengthen 4 elements in both sides 10.81*2*4=86.48 B4:884
