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1、木结构桥梁设计目录1. 方案的设计思路21.1 利用木构件受拉还是受压强度21.2 比较卯桦连接与胶连接32. 结构尺寸选择42.1 拟定梁高、节间长度、斜腹杆倾角42.2 最优化设计52.2.1 模型假设与约定52.2.2 符号说明列表52.2.3 模型图例52.2.4 最优计算53. 制造工艺73.1 胶水的薄厚与连接强度的关系73.2 木构件表面的粗糙度与连接强度的关系74. 其他有特色方面的说明84.1 纵向预应力84.2 竖向预应力94.3 含水率的影响95. 参考文献9桥梁模型设计说明书1. 方案的设计思路由于结构主要承受竖向力，所以结构选型主要在于正面的形状。平纵联和横联只用于提
2、供侧向支撑，减小主桁长细比，而且形成空间效应，共同作用, 提高抗扭刚度，具体计算需要空间有限元计算。利用木构件受拉还是受压强度方案一：斜腹杆受拉:/方案二斜腹杆受压:/木材的顺纹抗拉强度，是指木材沿纹理方向承受拉力荷载的最人能力。木材的顺纹抗拉 强度较人，各种木材平均约为117.7-147.lMPa,为顺纹抗压强度的2-3倍。这是木材受拉的 优点一一强度大。但是，木材受拉有以下缺点：（1）木材顺纹受拉的应力一应变曲线接近于直线，因此木材受拉破坏前并无明显的塑性变形阶段，表现为脆性破坏。木材顺纹受压破坏时，纤维失稳而屈曲。木材顺纹受压和受 拉相比，受压时木材具有较好的塑性。（2）由于木材顺纹受压
3、时的纤维失稳屈曲性质， 能使局部的应力集中逐渐趋于缓和，所以在受压构件中 通常可以不考虑应力集中的不利影响。（3）木节（如右图）对受拉构件承载能力的影响 很人，木节与周闱木质之间的联系很差，削弱了截面， 并使截面偏心受力。而木节对受压强度的影响也远小于 对受拉强度的影响。综上所述，木构件的受压要比受拉工作可靠的多。方案三： 考虑弧形桁架优点：（1）受力更接近弯矩图的形状，受力更为合理，可充分利用材料。（2）针对本模型来说，如果上弦杆用一整根桐木条制造，则木条上侧受拉，下侧受压, 在加荷时，构件上侧受压，卞侧受拉相反。也就是说，弧形桐木条能提供一小部分预应力。缺点：但其计算复杂，而且拼装工艺也较
4、复杂。方案四:交叉式腹杆桁架:两套腹杆能够承受更人的剪力，但是自重更大。需要计算确定荷重比（F二Q/W ）进行 取舍，其中Q代表模型所承受的静荷载或冲击荷载（N ）, W代表模型自重（N ）。缺点：斜腹杆端部伸入点构造复杂，胶水不好粘。并且存在应力集中现彖。另，在后文的验算中，发现结构的控制杆件为中部的下弦杆。加强腹杆能够提高结构刚 度，但对承载力提高不人。而本模型的评分标准是载重/自重，不需要考虑变形。所以，我 组直接没有釆用这种交叉式腹杆结构，以减轻自重。1.2比较卯禅连接与胶连接卯桦连接，对于本模型来说：木构件很小，进行卯桦连接的工艺过于复杂。 工具、材料和时间有限。在关键部位采用卯禅连
5、接提高结构的延性。胶连接的优缺点：优点：高度的刚性；在通常的情况下，当连接的面积相等时具有较高的承载能力缺点：对不熟练的制造高度敏感；缺乏明显的生产控制；在现场制造受到严格限制：复 杂的力学机理；往往是非常脆性的。综上所述，我组主要采用胶连接，局部使用卯禅连接。2. 结构尺寸选择2.1拟定梁高、节间长度、斜腹杆倾角题目要求桥梁总长在900100mm，梁高为100200mmo首先，让我们来思考梁高越大越好，还是越小越好。对于平行弦桁梁。主桁高度应先满足使用要求，对本模型，即：题目要求的 lOOmmOOmmo下面考虑刚度、材料用量与梁高的关系。在刚度方面，当跨度一定时，桁高越人，挠度就越小，梁端转
6、角也越小，有利于小车的 平顺和安全行驶：反之，桁高越小不仅会对行车有影响，节点刚性次应力和活载动力作用也 越大。在材料用量方面，当跨度一定时（900mm）,桁高越人，弦杆受力越小，弦杆用材量就 少，但腹杆较长，腹杆用材量较人；反之，当桁高减小时，弦杆用木量增加但腹杆用木量增 人。查阅资料表明，用量最少的梁高约为其跨度的第”13。这里我组自己建模，进行了最 优化设计。梁高.节间长度、斜腹杆倾角都会影响斜腹杆长度，因此我组综合考虑进行了建模。2.2最优化设计2.2.1模型假设与约定（1）在设计时，应考虑受压杆件的长度，因为压杆由稳定控制。但是，考虑稳定进行 最优化设计过于麻烦，另外该模型木构件的长
7、细比不是太人。因此，本模型假设不存在稳定 问题。（2）小车的力为两个F/2的轴重，为简化计算，设为一个集中力F。（3）桁架受轴力，忽略刚性次内力。（4）按简支梁计算。（5）不考虑动力效应，即取冲击系数为1.0。（6）只计算最不利位置。222 符号说明列表符号说明L模型长度n节间长度a斜腹杆倾角A味下标杆件的截面积f木材强度V木材体积h桁架高度F小车重量223 模型图例图例为8个节间的示意图，节间为6或10与其类似。L/2.2.4最优计算按静定结构简支钢横梁进行受力分析，计算简图如卞：考虑到上弦杆要承受同时弯矩、剪力，所以适当提高上弦杆的截面积，使其与下弦杆截 面积相同，这样也便于计算。木构件的
8、截面积和长度列表：项目截面积A长度体积上、下弦杆nF cot a4f2LnFL cox a 2/竖腹杆F2/(n+1) Ltan a(/? + 1)FL tan a2/斜腹杆FhLnFL2 sin afcos a2 f cos a sin ar/计算结果如下:总体积:V = n cot a+ (/? +1) tan a +sin a cos aFlV“1 Fla n cot a + n tail a + rsiii a cos aIfCOS + E1 I 也siii a cos a ) If罟 a=KiAK为比例系数，常数）由此，得到斜腹杆角度为45。o同时，得到n越小，材料用量越小。 所以，
9、取n=6。（当n=4时，梁高超过200mm）综上，可取桥全长L=960mm,梁高h=160mmo3. 制造工艺31胶水的薄厚与连接强度的关系首先，我们来看胶水的强度：UHU胶水的强度：120公斤/平方厘米1 kg/cm2= 10N / 100mm2=0.1 MPa,而木材强度平均约为 117.7-147.lMPa 胶水强度太小了，所以应避免单纯利用胶水抗拉。尽量利用胶水的抗剪强度。因为通常胶缝厚度非常薄，胶与木材之间的界面存在复杂的过渡，并且胶和木材剪切模 量为可相比较的数值。通过改善连接处的粘接面形状等，提高连接强度。通过查阅文献，我们发现clad （1965）得到对于常用的胶黏剂，当胶缝厚
10、度为0.1mm.0.4mm和0.8mm时,剪变模量大致相应于下列范围:13001800N/mm2x 700850N/mm2 和 600N/mm2o综上，粘接时应注意以下两点：（1）尽量利用胶水抗剪，而不是抗拉；（2）压紧压薄，胶水越薄越结实。3.2木构件表面的粗糙度与连接强度的关系指形连接如下:这种连接町以提高抗拉强度。受力如下。原理在于:(1) r = VJcr(2) 受剪面积增人。其他方向的强度也增人了。综上，增大粗糙度有利于提高抗剪强度，但是需注意保证连结构件的完全契合，否则, 连接内部的缺陷会导致应力集中，降低承载力。4. 其他有特色方面的说明4.1纵向预应力棉线提供预拉应力:牌线/类
11、似下图这种，首先拉紧棉线，然后在两组棉线之间插入小木棒。接着，通过小木棒的 旋转让两组棉线绞在一起，拉紧下弦杆。42竖向预应力与上述工艺类似，由于支座外侧的结构受拉，提前施加预应力，对结构受力有利。如下 图：畅、支座4.3含水率的影响水分会降低木材的强度和刚度，所以应注意防潮。别让木材受潮。另，平纵联、横向联系主要起到形成整体空间结构骨架的作用。只要实验时，小车荷载 不偏离中线过多，没有抗扭问题。则连接系不要太强，以减轻自重。5. 参考文献樊承谋等.木结构设计指南M.北京：中国建筑工业出版社,2010.2何敏娟等.木结构设计M.北京：中国建筑工业出版社,2008.樊承谋等.木结构基本原理M.北京：中国建筑工业出版社,200&4 东南人学等.混凝土结构M.北京：中国建筑工业出版社,2008.夏禾.桥梁工程M.北京：高等教育出版社,2011.6国家标准.木结构设计规范(GB50005-2003) S.北京：中国建筑工业出版社,2003.
