桥梁结构设计理论方案.docx

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桥梁结构设计理论方案

桥梁结构设计理论案

作品名称：

参赛学院：

建工学院

参赛队员：

云腾越祖鑫欣阳

联系式：

一、案构思

1、设计思路

2、材料力学性能分析

3、结构选型

4、结构尺寸说明

5、连接式的选择

6、桥墩结构的选择

二、制作工艺

1、截杆

2、拱形加工

3、端部加工

4、拼接

5、风干

6、修饰

三、计算书

1、荷载分析

2、设计假定

3、简化模型

4、计算简图

（1）、位移图

（2）、轴力图

（3）、剪力图

（4）、弯矩图

5、材料用量统计

四、其他特色面说明

五、设计总结

六、结语

一、案构思

1、设计思路

对于此次的设计，我们分别考虑了斜拉桥、悬索桥和拱形桥的设计案。

斜拉桥可以看作是小跨径的公路桥，且对强度有较高的要求，进而斜拉桥对材料的要求比较高，而对于所用桐木的强度斜拉桥自然没有其他结构承重能力强；而悬索桥虽然可以充分利用材料的强度，并且具有省料，自重轻的特点，但是考虑到其悬索在此次设计中只能采用蜡线或桐木条，因为蜡线的弹性模量较小，在力的作用下变形会比较大，从而会导致桥梁挠度值较大，然而桐木条又会增加桥体自重，所以我们也放弃了做悬索桥的想法；因为拱形结构的跨越能力较大，可以节省材料，而且构造较简单，外形美观，所以几种桥型相比之下，我们决定采用拱形结构案。

2、材料力学性能分析

（1）、桐木

桐木的顺纹抗压强度比抗拉强度低，因此用桐木做拉杆能够更好的利用材料。

桐木强度指标的离散性大,变异性强。

由一于部结构不均匀导致的应力集中所致。

尤其是抗拉强度，因此受拉杆件宜采用较大的安全系数。

木在受压时，在某个较小力值围会产生很大的变形；当变形到达一定数值时，桐木所能承受的压力急剧增大，但此时变形却很小。

桐木为各向异性材料，顺纹向与横纹向受力性能差异较大。

制作中要避免横纹受力。

（2）、蜡线

蜡线的弹性模量较小，受力变形较大，所以不宜用作悬索等承重结构中。

3、结构选型

我们借鉴古代拱形桥梁的设计理念，充分利用拱形结构良好的抗压能力，并在两侧悬挑出去的部分采用半拱的形式增强桥梁整体的承载力，根据力的传递原理，我们在主拱和两侧半拱之间各增加了一个小拱对桥身进行加固，巧妙的将桥面结构的承重力以拱形的传递路径传递，从而达到分担主拱压力的作用，并使力的传递路径缩短，同时可以有效控制小车在跨中时的桥面挠度值；为了减轻桥体自重，桥墩采用箱型结构，并将两侧小拱进行结构优化，有效节省材料，我们最终确定的上承式拱梁结合结构案既充分发挥了拱形结构的承重优势，又使桥体结构美观。

4、结构尺寸说明

此次结构设计的桥梁结构为单跨桥梁，桥梁总长1600-1680mm,单跨跨度大于1000mm，桥下净空至少355mm，悬臂端部不小于320mm。

5、连接式的选择

连接式是本模型制作的关键之一。

由于是杆件截面较小，接触面积不够，乳胶干燥较慢等原因，连接是较为困难的。

我们将采取很多措施加以控制，如用铁夹子对连接处加强压、用蜡线进行绑扎固定等。

乳胶粘接时要不断用电吹风间断性地吹风，使其尽快形成粘接力，达到强度的70%（基本固定）后即可让其自行风干。

6、桥墩结构的选择

根据本次比赛中的加载式，我们认为桥墩不仅仅要承受压力，还要承受由拱结构引起的水平推力，所以桥墩要有较强的抗扭能力，于是我们采用箱型结构制作桥墩。

二、制作工艺

1、截杆

裁杆是模型制作的第一步。

经过试验我们发现，截杆时应该根据不同的杆件，采用不同的截断法。

对于质地较硬的杆应该用工具刀不断切磋，如同锯开；而对于较软的杆应该直接用刀刃用力按下，不宜用刀口前后切磋，易造成截面破损。

2、拱形加工

对于拱形的制作，则预先将杆件置于水中浸泡并加上预应力使其不断弯曲，并按照先前划定的拱形不断调整，直至达到理想形状。

在对拱脚处进行处理时，先粘结一个小的木块，让后用铁夹子施加很大的压力，保证连接能足够牢固。

3、

端部加工

端部加工是连接的是关键所在。

为了能很好地使杆件彼此连接，我们根据不同的连接形式，对连接处进行处理，例如，切出一个斜口，增接的接触面积；刻出一个小槽，类似榫卯连接等。

4、节点及其详图

拱形结构与桥墩的节点将采用白乳胶粘结并用蜡线捆扎的形式。

5、风干

模型制作完成后，再次用吹风机间断性地吹粘接处，基本稳定后，让其自然风干。

6、修饰

在模型完成之后，为了增强其美观性，用砂纸小心翼翼的将杆件表明的毛刺打磨光滑，注意不要破坏结构，以免影响其稳定。

三、计算书

1、荷载分析

加载时先使模型的中轴线与加载仪器的中轴线重合,将面板轴线对准加载仪器轴线重合放好后铺上；选手自行摇动手轮,牵引小车从加载仪器的一端到达另一端。

所以我们分析荷载，其横载主要有自重，桥面板重，活载为小车荷载，引起速度慢，可认为其为拟静力荷载。

2、设计假定 

（1）、材质连续，均匀；

（2）、梁与索之间结点为铰结，梁与塔柱（撑杆）之间的连接为刚结，撑杆与下部拉条之间为铰结，桥梁支座为连续弹性支座；

（3）、桥面和桥梁本身质量以均布荷载作用在整个梁上，加载时，车辆移动荷载以集中力的形式作用在指定的梁上；

（4）、杆件计算时采用结构的计算模式。

根据以上假定，通过结构力学求解器建立计算模型，所得的力和位移作为构件设计的依据。

3、

简化模型

4、计算简图

（1）、位移图

（2）、轴力图

（3）、剪力图

（4）、弯矩图

5、材料用量统计

我们的模型希望将材料性质发挥到最大，所以没有多余的桁架与斜撑，大多构件为拱形，所以构件的使用较长，粗略估计，我们大约需要3根2m长的桐木。

四、其他特色面说明

1、主拱与桥梁之间的连接没有采用普通的杆件，而是在两侧各增加了一个小拱形构件，充分发挥拱形结构的优势，并充分利用曲线美打造美观外形；

2、采用箱型结构的桥墩，增强其抗扭能力的同时减轻桥体自重，节省材料。

五、设计总结

针对跨中弯矩过大的情况，我们决定将中部做成鱼腹梁形状，来抵抗较大的弯矩，减少过大的挠度，这样取得了很好的效果。

结构分析中由于各面因素有限，我团队没有考虑到结构及各杆件的失稳以及无法确定材料的极限弯矩，这使得计算结构存在诸多不确定因素和误差。

在设计过程中，我团队遇到了很多困难：

一面，我团队欠缺很多桥梁结构设计面的知识；另一面，我团队对于画图软件和力学计算软件的熟悉程度有所欠缺；此外，我团队还缺少构建材料的相关数据，这使得计算对我们而言有了相当大的难度。

我团队查阅了相当多的资料，且听取了各面的意见，并咨询了老师有关结构设计的数据，这对我们的设计提供了巨大的帮助作用。

我团队经过反复的推敲和计算，最终将数据图纸全部确定下来。

自确定参赛以来，我组各位同学都抽出了大量的时间来参与到结构的设计与研究过程中，本次设计是全组成员的共同的劳动成果，这次比赛增强了我们的团队合作精神，大大丰富了我们的桥梁知识，提高了我们的动手和思考能力，为我们今后对桥梁的学习打下了良好的基础，使我们都获益匪浅。

真诚的希望老师能提出宝贵的建议和意见，指出我们出现的问题。

六、结语

桥梁拥有非常古老的历史，但仍是一个新颖的话题。

由公元605年春设计建造的州桥，到2004年竣工的横跨黄浦江的上海卢浦大桥，桥梁的形式在不断的更新和变化。

新材料的不断出现，结构形式的不断创新，让桥梁设计仍然极具挑战。

拿到大赛要求，我们觉得这个课题还是有相当大的挑战性。

首先，我们查阅了很多世界著名桥梁和各种结构设计大赛的桥梁模型，经过反复研究，我们最终确定桥梁的形式为：

上承式拱梁结合结构。

确定形式后，我们先初步确定桥梁的大致尺寸，然后运用结构力学求解器和理论力学、材料力学、结构力学和荷载分析等学科的知识，计算出结构各个部分的力，后根据拱形结构的优化法，逐步优化桥梁的尺寸，最终确定桥梁的最终尺寸。

尺寸确定后，我们着重研究了桥梁模型的制作法，确定出一套合理的制作工艺。

希望通过本次大赛能够让我们使自身的自主学习能力和动手能力有所提高。