结构设计大赛之桥梁模型设计（完整版）.docx

结构设计大赛之桥梁模型设计 结构设计大赛之桥梁模型设计 戴洁 （广东交通职业技术学院，广东广州 510650） 摘要：文中从结构设计大赛的模型要求及比赛加 载方式分析入手，提出桥梁模型的设计方案构 思，选择结 构方案.并进一步对模型进行了强度、刚度和稳 定性受力分析。试验证明本次设计制作的桥梁模 型非常坚固， 承受极限荷载接近于封顶值50 kg。 1桥梁模型设计 1. 1模型要求及加载方式分析 结构设计大赛拟设计桥梁结构模型。桥梁结构模 型设计尺寸要求为：桥面总长I 000 mln ;桥面 高不低于120 toni :桥面总宽160?180rnITI ; 桥面净空高度不小于200 toni :最大跨径不小 于400 mm尺寸要求体现了桥梁设计的桥下净 空和桥面净空等功能要求。比赛加载方式为动静 载结合方式，初赛要求徒手将一辆I5 kg的小车 从桥头拉至最大跨的跨中位置.并在该位置停留 不少于5 S然后拉到桥部。模型不至于失效方 可进入决赛。决赛采用跨中集中力加载方式，初 始荷载为20 ,荷载增加梯度为5 k次，封项荷 载为50 o每次加载后停留5 So模型不失效即 加载成功。模型不失效的标准：模型强度足够、 不失去整体承载力：模型跨中挠度不超过15 mm。 小小桥模型须承受15 小小桥模型须承受15?50 kg的重: 由此带 来的跨中弯矩较大，承载亦不易。但更难控制的 还是弯曲变形，挠度不超出15 mln即要求模型 具有足够的抗弯刚度。 2材料分析 3!!参赛的结构模型要求采用组委会统一提供的绘 图纸、棉线和乳胶。主体材料为绘图纸.辅助材 料为棉线和乳胶。单张的绘图纸只能承受少量拉 力，不能作为受弯、受压构件，即使多张绘图纸 叠放具有抗弯强度.也不能提供足够的抗弯刚 度。要使纸构件提供足够的强度和刚度.一种方 法将纸卷成圆柱形.作成圆形梁和圆形柱：另 一种方法将纸张切片叠成一定厚度并粘在一 起.作成一定高度的薄梁.可以用作桥面的抗弯 构件。但从整体结构上必须布置成纵、横梁网格 系。棉线抗拉能力强，不能受压.只能用来做受 3!! 拉构件，吊（拉）桥面或捆绑节点，增强节点强度。 白乳胶主要起粘结作用。 1. 3结构选型与方案构思 鉴于比赛的加载重量大。且挠度变形量控制严 格，桥型结构不能采用单一的梁桥、拱桥、悬索 桥，而必须采用组合体系桥梁。为使桥面平整， 便于行车，主体结构采用梁式桥型。为了增强模 型的整体抗弯强度和抗弯刚度.布置斜拉杆（索） 或垂直吊杆（索）。用卷成圆柱形的纸杆作为刚性 斜拉杆或吊杆.节点用棉线捆绑牢固，做成类似 斜拉桥的板拉桥刚性拉杆。桥面下可用拱形结构 支撑桥面.也可以采用桥墩加斜撑辅助支撑桥 面。拱形结构受力合理.但制作困难。下部结构 主要采用实心的圆柱形纸杆作桥墩.由于直径有 限（直径大时耗材多），难以保证桥墩的稳定性， 而空心纸卷制作起来有困难. 也不能提供足够 的抗压强度，所以桥墩结构上必须加强各杆件的 横向联系.以增强桥梁的整体稳定性。主孔纵向 设计为梁式桥结合“ A”型塔斜拉桥。主梁5 片，横梁10根，等间距地布置主梁、横梁，形 成网格式梁式结构。 “ A”型塔斜拉结构设计 为双塔，两侧各一个. 中间设一撑杆加强两边 “A 型塔的横向联系。 “A 型塔采用三角 形刚架结构.中部设一横梁.横梁上设垂直的刚 性吊杆和柔性的棉线吊索。上部结构如图 1所 示。图中粗实线为纸杆，细实线为棉线。“ A” 型塔下面构成桥梁的主孔。塔柱脚外各设一小孔 作为边孔。 平面 图1桥梁摸型上部结构（单位:M） 受材料限制，模型不可能仿照公路桥设计足够粗 大的桥墩。因此， 为保证桥墩的稳定性?三孔 桥墩之问设水平杆加强联系.形成四边形框架结 构，增强柱的稳定性。 1 ? 4桥梁模型受力分析 圆柱形纸杆可以承受一定的拉力和压力.可以作 为受弯结构的梁。梁的抗弯强度很大程度上取决 于梁高，圆柱直径越大，抗弯强度越大。网格式 梁式结构使荷载沿纵横向传递更均匀.减少单根 梁集中受力。主跨中间布置45 k2的集中荷载时， 简单的梁桥按跨度50 cm计，结构须承受55 N- m的弯矩.而纸杆梁高有限.结构无法承受 这么大的弯矩。实际模型结构采用三孔连续结构 并结合“ A型塔斜拉桥。 “ A型塔下布置 多根垂直吊杆（索），再加上桥墩的斜撑杆，从力 学计算上缩小跨度，有效减少弯矩。粗略计算结 构实际承受弯矩为30N?m左右。若再考虑横梁 的横向联系作用.将荷载较均匀地分配给5片主 梁，则单梁承受的弯矩更小。合理的结构方案保 证了结构足够的抗弯强度。实心圆柱纸杆具有一 定的刚度.在荷载不大情况下.弯曲下沉的挠度 较小。但要在跨中布置40?50的集中荷载，将 挠度控制在15 rrfn以内并不容易。事实上参赛 的多座桥梁模型承载能力很大