西南交通大学结构设计竞赛桥梁承重任务书.docx

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西南交通大学结构设计竞赛桥梁承重任务书

西南交通大学

第十六届结构设计竞赛

桥梁承重B组设计理论方案

作品名称自锚式多塔张弦桁架梁悬索桥

参赛编号B010

西南交通大学第十六届结构设计竞赛组委会

二〇一六年

摘要

桥梁建筑的设计讲究造型美观、受力合理、节省材料、承载力大、制作精细。

作为一个土木学子，我们的目标是成为一名优秀的土木工程师，因此我们想通过参加这样的一次结构设计大赛，提前感受下“工程师”的滋味……

在此次结构设计大赛中，我们对模型选型设计等经过了长时间考虑，最终决定做成自锚式多塔鱼腹梁悬索桥，在此次结构设计过程中，我们着重对悬索桥的加劲梁进行优化设计，解决悬索桥为了增大加劲梁的刚度而增加加劲梁截面尺寸的问题，首先采用桁架梁结构，再对桁架梁受力进行优化，设计成为张弦梁，大大减轻了桥梁的质量，同时又保住了主梁的刚度。

整个过程全方位模拟了从设计到施工各个环节，让我们真实的了解到了真正的施工过程中遇到问题是难以预测的，在发现问题是，仔细想出一个完美的解决方案才是我们应该去做的。

在做桥过程中，我们切身体会到了作为一名工程人员的自豪，经过本次结构大赛，我想无论结果怎么样，我们不会太去在乎，我们在乎的是在这个过程中，我们终究是没有放弃，也让我们体会到了桥梁的美，提升了对未知知识学习的兴趣。

关键词

模型，悬索桥桥，荷重比，挠度，节点，承重，鱼腹梁

一、设计说明书

1方案构思

1.1作品名

1.2造型

2结构选型

2.1设计准则

2.2整体选型

3材料试验

4结构设计

4.1结构整体布置图

4.2构件尺寸详细设计

4.3构造（节点）设计图

4.4模型三维效果图

5特色处理

6制作工艺

二、模型计算书

7计算模型

7.1模型简化

7.2荷载模拟

8内力分析

8.1静力荷载工况下的结构内力

8.2移动荷载工况下的结构内力

8.3结构动力响应分析

9构件验算

9.1材料参数

9承载力估算

参考文献

一、设计说明书

1方案构思

对于本次结构设计，我们首先对赛题进行了详细分析，考虑到组委会提供的材料特点以及赛题对组合桥型的限制，从安全、耐用、美观的角度出发，我们选择了现在作为我国大跨径桥最流行的桥型之一的悬索桥。

悬索桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。

为了明确体现组合形式，改进受力和合理性，我们选择了桁架梁与悬索两种桥型相结合。

为了进一步优化受力结构和减轻桥梁质量，我们将桁架梁改为张弦体系的鱼腹式桁架梁以此来减轻桥梁自重和提高承载质量，考虑到桥梁的加载重量，我们采用自锚式。

1.1作品名

自锚式多塔张弦桁架梁悬索桥

1.2造型

按照赛题细则要求，以及为了减小桥梁挠度和最大弯矩，我们将桥设为等跨的三跨，桥的全长为1785mm，桥面宽为240mm，主梁为三根，每根主梁由两块长1785mm，高15mm的PVC条粘贴而成，横梁采用15根T型梁来支撑桥面、传递荷载以及为此主梁的侧向稳定，悬索桥采用多塔形式，在考虑桥梁自重和赛题要求的最大加载量的情况下，我们将左右塔设置成为独塔不连接形式也能满足加载要求，并在有支座的地方布置。

为了降低加载时的最大挠度和弯矩，我们将主梁设计成鱼腹梁，采用桁架体系结构，考虑到各杆件的受力特性，我们将桁架梁的下弦杆换为铅发丝线，并施加一定的预张力，形成张弦桁架梁体系，使受力情况得到优化，桥体质量得到减轻。

其具体尺寸大小见“4.2构件尺寸详细设计”。

2结构选型

桥梁和基本形式有梁桥、拱桥以及索桥几种。

由于赛题要求主要承重构件必须采用两种独立结构体系组合而成，一般组合形式有很多，但能够明确体现出多种桥型的主要有悬索和梁的组合以及拱和梁的组合。

首先我们考虑组合的三种基本桥型的优缺点：

◆斜拉桥

斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。

是一种由一条或多主塔与钢缆组成来支撑桥面的桥梁。

是由承压的塔，受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。

斜拉锁的两端分别锚固在主梁和索塔上，将主梁的恒载和车辆荷载传递至索塔，再通过索塔传递至地基。

因而主梁在斜拉锁的各点支承下，像多跨弹性支承连续梁一样，可使梁体内弯矩大大减小，使主梁尺寸大大减小，显著减轻了结构重量，节省了材料。

◆拱桥

拱桥是我国历史悠久的一种桥型，拱式结构在竖向荷载下，两端产生水平推力，使拱内产生轴向压力，从而大大减小了拱圈的截面弯矩，充分利用截面材料强度，使跨越能力增强。

但拱桥自重大，相应的水平推力也较大，该桥型在保证具有足够承载能力的时候不易满足大赛对模型质量的要求，而且拱形模型不易制作。

◆悬索桥

悬索桥是用悬挂在塔架上的强大缆索作为主要承重结构的桥梁。

它由主缆、桥塔、锚碇、吊杆、加劲梁、鞍座及桥面结构等几部分组成。

其中主缆、桥塔和锚碇构成主要承重结构，梁则主要提供桥面、传递荷载及维持抗风稳定的作用。

如果不设加劲梁，因而刚度较小，在车辆荷载作用下，桥面将随悬索形状的改变而产生S形的变形。

选型结果

由以上分析我们可以看出，斜拉桥和悬索桥是我们组合桥理想的基本桥型，悬索桥和斜拉桥的质量都大大的得到降低，受力形式得到大大的优化，满足结构设计的宗旨：

以最少的材料，经最合理的设计，承载最大的重量。

有根据制作过程中的难易程度，我们选择了悬索桥，为了减小主梁的挠度，我们需要加设加劲梁，因此也会造成桥体重量增加，为了减轻重量，我们需要对加劲梁进行优化设计。

方案一、传统加劲梁

传统加劲梁就为一矩形截面的直梁，当桥跨度较小时，矩形截面的直梁有一点的刚度，且质量较轻，但随着跨度的增大，梁中点处的弯矩大大增加，挠度变大，为了阻止其变化，必须通过增加矩形截面面积来增大刚度，使桥质量增加。

方案二、鱼腹桁架梁

鱼腹结构利用了下部受拉鱼腹,从而有效地减小了上部梁系的跨度,改善了因跨度较大而产生的梁挠度和弯应力过大的现象,使其能适用于跨度较大桥梁施工。

当桥梁跨度增大时,单纯的直梁结构就不能满足施工时对挠度的控制要求,此时可以在梁下部增加鱼腹拉杆,形成鱼腹式桁架这种桁梁组合结构,利用鱼腹结构的拉杆限制支架的变形,并抵消部分弯矩。

鱼腹式桁架,具体地说是由上部的桁架梁和下部的斜拉杆、主拉杆及竖杆构成的折线形鱼腹结构组成,斜拉杆的两端与上部桁架梁的两端相接,竖杆的上下两端焊接在上部桁架梁与折线形鱼腹结构之间,形状如鱼腹。

其具有设计合理、结构简单、易于加工、使用方便、省工省时、承载力大等特点。

方案三、张弦桁架梁

通过内力计算，可以找到鱼腹式桁架的各个下弦杆均受拉，由于所给的材料中铅发丝线具有良好的抗拉性能，且其质量要比PVC轻的多，因此可以通过将拉杆改为拉索,并施以一定大小的预应力,形成张弦桁架梁结构,利用下部拉索的预应力产生的反向弯矩,抵消上部重荷载产生的弯矩,从而调整支架的内力。

综上所述，我们选择方案三。

2.1设计准则

1.符合赛题桥型要求、各尺寸要求与对材料使用限制的要求

2.在满足安全的条件下尽量少使用材料，以减轻桥梁自重和节约成本

3.注重结构美观、简洁

2.2整体选型

综合承重能力、桥体自重与制作过程等多个方面的诸多因素，我们最终选择以张悬桁架梁作为加劲梁的三跨相等的悬索桥。

3材料试验

经实验检测，得到如下材料特性：

.白卡纸力学特性试验

试样自重241g/m^2

试样厚度0.3mm

试样宽度30mm

试样原始标距200mm

最大力

对应位移

N

mm

第一根

117.18

11.46

由上述实验结果可以知道：

白卡纸有较好的受拉性能，适于用作桥面

.软质PVC塑料板

厚度2mm，力学性能参考值：

弹性模量1.5-15MPa，抗拉强度30MPa。

适于用于制作梁等结构构件。

AB胶

在混合搅拌24小时后达到最高强度，具有很大的抗拉抗剪强度适用于模型结构杆件之间的连接。

铅发丝线力学特性试验

试样自重0.71g/m

试样直径1.1mm

试样原始标距200mm

最大力

对应位移

N

mm

第一根

67.81

35.76

由实验结果可知：

铅发丝线抗拉强度较大，但由于其具有一定弹性，当承受力较大时仍会有较大变形量，可以在制做之前给予其足够的拉力，使其失去形变能力，这样就适用于模拟悬索桥拉索以及张悬梁的拉索。

最大力

对应位移

N

mm

第一根

67.81

8.76

经长时间拉伸后的铅发丝线的力学性能：

故由胡克定律△L=Fl/EA得经过拉伸后的铅发丝线的弹性模量为：

E=Fl/A△L=1.63GPa

3.1模型称重

498g

3.2模型的模拟加载试验

在做正式参赛作品前，由于三跨完全一样，我们选取一跨，做了两次进行试验，由于没有标准砝码，我们用石头代替，经测量石头总重为14.87kg，超过了最大荷载，经加载试验可以看见在要求加载范围内，模型完全能够承受住，且挠度也在小范围内。

4结构设计

4.1结构整体布置图

4.2构件尺寸详细设计

T形横梁尺寸

T形梁实物图

一跨桁架尺寸图

桁架杆件实物图

4.3构造（节点）设计图

对于主梁与横梁的接口，我们采用节点卡将T形横梁与主梁相接，将节点卡削出T形，使其正好与T形横梁相接，然后将桁架的腹杆与节点卡和主梁相连，如下图所示：

4.4模型三维效果图

5特色处理

1.横梁采用T形小横梁，在保证桥梁刚度的同时，保证了桥面与梁的接触面积，使桥面更安全不下陷，

并且有效的减轻了桥体的质量。

2.节点采用节点卡，有效防止杆件脱落

3.加劲梁采用鱼腹桁架梁，并将桁架下弦拉杆改为拉索,并施以一定大小的预应力,形成张弦桁架梁结构,利用下部拉索的预应力产生的反向弯矩,抵消上部重荷载产生的弯矩,从而调整支架的内力。

使得加劲梁质量大大减小，结构受力更为合理。

4.主缆采用橡胶圈连接，为施加震动荷载时提供足够的缓冲，保证震动加载成功。

6制作工艺

1.各个杆件均用砂纸打磨，使其易于粘贴，不易脱落。

2.制作统一大小、形状的节点卡，并将其用砂纸打磨，使其形成劈肩形状，既减轻了质量有显得美观。

3.在上索时，采用抬起一端的方法为其施加预应力，使其成为张弦体系。

二、模型计算书

7计算模型

桥梁三跨等跨，且结构一样，由于施加震动荷载时，小车停留位置在中跨中间，且两次加载过程中小车在此处停留时间最长，故只取中跨进行研究，以便受力分析和强度计算。

7.1模型简化

可以将梁简化为桁架结构，由桁架结构可知，各杆均只受轴向力，负值表示压力，正值表示轴向拉力，由于桁架下弦杆改为连续绳索结构，故可认为其受力大小均相等，且受拉力，各杆件所受内力图如下图所示：

7.2荷载模拟

利用MidasCivil821建模分析

对于静力荷载，可以直接在每跨跨中施加6kg的等效荷载，即60N的节点荷载。

对于小车产生的动荷载，由于定义较为负载，为了简化计算，采用静力荷载工况，计算小车移动中最不利位置附近时的

受力情况。

下图是在MIDAS中分析出的结构在静力荷载作用结构的位移等值线图，从图中可以清晰地看到最大位移量为2.34mm，发生在边跨的跨中位置附近。

最大应力发生在边跨跨中附近的下翼缘，最大值1.7MPa。

静力荷载作用结构的位移等值线图

静力荷载作用最大位移处位移等值线图

下图是在MIDAS中分析出的结构在小车荷载处于最不利位置时的位移等值线图，从图中可以清晰地看到最大位移量为5.39mm，发生在中跨的跨中位置附近。

最大应力发生在中跨的跨中附近的下翼缘，最大值2.76MPa。

小车荷载处于最不利位置时的位移等值线图

小车荷载处于最不利位置时最大位移处位移等值线图

以上计算模型中的相关参数如下表所示：

材料

PVC板

白卡纸

铅发丝线

弹性模量

8MPa

10MPa

1.63GPa

泊松比

0.3

0.3

0.3

8内力分析

由7.1计算的各杆内力图进行强度校核：

各杆件截面尺寸见4.2，由于各杆均受在轴向力作用，因此只需要校核抗拉抗压强度σ.

σ=FN/A

对于上弦杆：

A=4*15=60mm^2FN=-134.62Nσ=-2.24MPa

对腹杆：

A=4*6=24mm^2FNmax=-81.8Nσ=-3.41MPa

综上|σ|max=3.41MPa≤σu=8MPa故强度满足要求。

极限位移计算（单位荷载法）

由单位荷载法求得中点位移为

由于我们主梁可以看作三个平面桁架组成，由T形梁将荷载的力均匀分担给三根主梁，故桥的整体挠度应该为：

所以梁的最大挠度小于赛题规定的15mm，满足赛题要求。

9材料参数……（以下略）

材料

PVC板

白卡纸

铅发丝线

弹性模量

8MPa

10MPa

1.63GPa

泊松比

0.3

0.3

0.3

10承载力估算

通过实验，本结构能够承受14kg以上的静载，估计能够承受给定的荷载。

参考文献

[1]《结构力学》,杜正国主编，西南交通大学出版社

[2]《材料力学I》第五版，孙训方、方孝淑、关来泰主编，高等教育出版社

[3]“张弦梁结构在桥梁工程中的应用”，黎明、杨晖，《工业建筑》2008年第38卷增刊，401-405

[4]“鱼腹式梁结构在桥梁结构设计中的应用与受力”，金鑫，《路桥工程》2014年8月第4卷第22期