结构设计大赛(桥梁)计算书

桥梁结构设计理论方案作品名称蔚然水岸参赛学院建筑工程学院参赛队员吕远、李丽平、李怡潇、赵培龙专业名称土木工程一、方案构思1、设计思路对于这次的设计，我们分别考虑了斜拉桥、拱桥、梁式桥和桁架桥的设计方案。斜拉桥可以看作是小跨径的公路桥，且对刚度有较高的要求，所以斜拉桥对材料的要求比较高，对于用桐木强度比不上其他样式的桥来得结实；拱桥最大主应力沿拱桥曲面而作用，而沿拱桥垂直方向最小主应力为零，可以很好的控制桥梁竖直方向的位移，但锁提供的支座条件较弱，且不提供水平力，显然也不是一个好的选择；梁式桥有较好的承载弯矩的能力，也可以较好的控制使用中的变形，但桥梁的稳定性是个很大的问题，控制不了桥梁的扭转变形，因此，我们也放弃了制作梁式桥的想法；而桁架桥具有比较好的刚度，腹杆即可承拉亦可承压，同时也可以较好的控制位移用料较省，所以，相比之下我们最后选择了桁架桥。2、制作处理（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，采用不同的截断方法。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）、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，增大连接的接触面积；刻出一个小槽，类似榫卯连接等。（3）拼接拼接是本模型制作的最大难点。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。我们采取了很多措施加以控制，如用铁夹子对连接处加强压、用蜡线进行绑扎固定等。对于拱圈的制作，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。在拱脚处处理时，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。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。（4）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。（5）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。3、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，所得的内力和位移作为构件设计的依据。二、材料的力学性能1、桐木根据试验分析数据,每次试验有三到四组试验数据，剔除无效的数据，采用有效数据的平均值，根据弹性理论计算桐木的弹性模量E。拉伸试验：(1)2×2木杆：去除第三组偏差较大的数据E1=F×L/（△L×A)=168.714×70/(2×2×2.5307)=1166.67MPaE2=F×L/（△L×A)=178.0272×70/(2×2×2.2598)=1378.65MPaE=(E1+E2)/2=1272.66MPa(2)2×5木杆：E1=F×L/（△L×A)=471.1845×70/(2×5×3.8002)=867.93MPaE2=F×L/（△L×A)=462.1775×70/(2×5×3.8319)=844.29MPaE=(E1+E2)/2=856.11MPa(3)2×10木杆：E1=F×L/（△L×A）=404.9354×110/(2×10×2.713)=820.83MPaE2=F×L/（△L×A）=694.5129×110/(2×10×2.985)=1279.33MPaE3=F×L/（△L×A)=203.97×110/(2.10×1.738)=645.47MPaE=(E1+E2+E3)/3=915.21MPa(4)3×3木杆：E1=F×L/（△L×A)=281,436×70/(3.3,3.581)=611.27MPaE2=F×L/（△L×A)=314.277×70/(3×3×6.4352)=379.84MPaE3=F×L/(△L×A)=299.169×70/(3×3×7.2362)=321.56MPaE=(E1+E2+E3)/3=437.56MPa(5)3×5木杆：去除第三组偏差较大的数据E1=F×L/(△L×A)=515.566×70/(3×5×3.6519)=658.83MPaE2=F×L（△L×A）=1085.104×70/(3×5×7.4596)=676.11MPaE=(E1+E2)/2=667.47MPa(6)4×6木杆：去除第三组偏差较大的数据E1=F×L/(△L×A)=976.335×70/(4×6×4.6522)=608.18MPaE2=F×L/(△L×A)=798.416×70/(4×6×4.7955)=485.60MPaE=(E1+E2)/2=546.89MPa由以上计算数据可以得出，截面越大，计算得到的弹性越小。这是由于木材内部的缺陷导致的，桐木截面面积越大，截面越对称，所含的缺陷对弹性模量E的影响越小。因此，我们取弹性模量E=60OMPa。此外，根据木材的拉伸、压缩试验，压杆试验及弯曲试验的试验结果，我们还可以得出以下结论：①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。②4×6木杆的抗弯强度比抗压强度降低很多．要充分利用材料，使之受拉较好．③桐木强度指标的离散性大,变异性强。由一于内部结构不均匀份致的应力集中所致。尤其是抗拉强度，因此受拉杆件宜采用较大的安全系数。在计算桐木的弹性模量时，要充分考虑这个影响因素，选用有效的实验数据。④木在受压时，在某个较小力值范围内会产生很大的变形；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。⑤桐木为各向异性材料，顺纹方向与横纹方向受力性能差异较大。制作中要避免横纹受力。2、腊线根据试验数据，由公式E=F×L/（△L×A）计算出腊线的弹性模量，在试验数据的取值方面，由于多股腊线由单股腊线人工搓捻而成，因此多股腊线的受拉承载力受人为因素的影响，故在数据的选取中我们取保守值。计算单股腊线的弹性模量：E=F×L/(△L×A)=37.2539×200/(4×20.7×14.6275)=1323.566MPa·图表资料(2)双股腊线计算双股腊线的弹性模量：E=F×L/（△L×A）=90.905×200/（4×20.7×21.5295）=2194.309·图表资料(3)三股腊线计算三股腊线的弹性模量：E=F×L/(△L×A)=114.6968×200/（4·20.7·18.7512》＝3178.822MPa·图表资料(4)四股腊线计算四股腊线的弹性模量：E=F×L/(△L×A)=153.4951×200/(4×20.7×23.6309)=3375.657MPa·图表资料由于以上的计算结果及图表资料得知,由于人工搓绳的不确定性较大．不能保证多股腊线与单股腊线的弹性模量的倍数关系。因此,腊线的弹性模量:E=1323.566MPa三、方案立体图四、计算书1、结构选型：我们所设计的桥采用的是空间组合形式，结构以梁承受抗弯，以腹杆承受抗压抗拉。桁架桥结构应用桐木材料和线索柔性构件抗拉强度高的腊线，结构可以做到结构自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较大，因而可以跨越很大的空间。同时四棱锥式的设计有避免了结构受侧向力和扭转的影响,并可以使满载时的小车可以顺利通过。2、荷载分析桥的主要承重为：桥面板和梁本身的重量和车辆移动荷载。（1）桥面板和梁本身的重量。桐木材料的平均重量为0.5g/cm平方，考虑乳胶及其他因素，将其扩大至N/M。桥梁长1660mm，经计算，桥梁自重约为g。将其设置为均匀荷载，经计算得q=1.3N/m，考虑乳胶及其他因素，将q扩大至q=2N/m（2）车辆移动荷载。通过做影响线确定梁、腹杆和腊线的最不利荷载位置，进而求出桥面梁和拉索的极限力和弯距。将小车在车轮与桥面接触点简化成2个集中荷载，同时车辆通过速度可控制，所以在任意时刻可以按静载处理。这样每条主梁同时受均布力及两个集中荷载。小车质量=15kg。经过计算，每个集中荷载为N=73.5N另外在加载时会存在一定的动力效应，及加载时的不均匀性等不利因素的影响，采取在制做时适当加强构件的措施，计算时不予考虑。3、简化模型4、计算简图由于集中荷载为可动荷载，分四种最不利情况考虑，如图所示：（1）（2）（3）（4）5、荷载分析轴力(N)剪力（N）弯矩（N*m）不利位置10.03936.8220.92不利位置20.03829.4315.39不利位置30.03322.0510.56不利位置40.0157.363.02