西南交通大學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽橋梁承重任務(wù)書

1、西南交通大學(xué)第十六屆結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽橋梁承重B組設(shè)計理論方案作品名稱 自錨式多塔張弦桁架梁懸索橋 參賽編號 B010 西南交通大學(xué)第十六屆結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽組委會二一六年摘 要橋梁建筑的設(shè)計講究造型美觀、受力合理、節(jié)省材料、承載力大、制作精細。作為一個土木學(xué)子，我們的目標是成為一名優(yōu)秀的土木工程師，因此我們想通過參加這樣的一次結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽，提前感受下“工程師”的滋味在此次結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽中，我們對模型選型設(shè)計等經(jīng)過了長時間考慮，最終決定做成自錨式多塔魚腹梁懸索橋，在此次結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，我們著重對懸索橋的加勁梁進行優(yōu)化設(shè)計，解決懸索橋為了增大加勁梁的剛度而增加加勁梁截面尺寸的問題，首先采用桁架梁結(jié)構(gòu)，再對桁架

2、梁受力進行優(yōu)化，設(shè)計成為張弦梁，大大減輕了橋梁的質(zhì)量，同時又保住了主梁的剛度。整個過程全方位模擬了從設(shè)計到施工各個環(huán)節(jié)，讓我們真實的了解到了真正的施工過程中遇到問題是難以預(yù)測的，在發(fā)現(xiàn)問題是，仔細想出一個完美的解決方案才是我們應(yīng)該去做的。在做橋過程中，我們切身體會到了作為一名工程人員的自豪，經(jīng)過本次結(jié)構(gòu)大賽，我想無論結(jié)果怎么樣，我們不會太去在乎，我們在乎的是在這個過程中，我們終究是沒有放棄，也讓我們體會到了橋梁的美，提升了對未知知識學(xué)習(xí)的興趣。關(guān)鍵詞模型，懸索橋橋，荷重比，撓度，節(jié)點，承重，魚腹梁目錄一、設(shè)計說明書1 方案構(gòu)思1.1作品名1.2造型2 結(jié)構(gòu)選型2.1設(shè)計準則2.2整體選型3 材

3、料試驗4 結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1結(jié)構(gòu)整體布置圖4.2構(gòu)件尺寸詳細設(shè)計4.3構(gòu)造（節(jié)點）設(shè)計圖4.4 模型三維效果圖5 特色處理6 制作工藝二、模型計算書7 計算模型7.1模型簡化7.2荷載模擬8 內(nèi)力分析8.1靜力荷載工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力8.2移動荷載工況下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力8.3結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析9 構(gòu)件驗算9.1材料參數(shù)9 承載力估算參考文獻- 12 -一、 設(shè)計說明書1 方案構(gòu)思對于本次結(jié)構(gòu)設(shè)計，我們首先對賽題進行了詳細分析，考慮到組委會提供的材料特點以及賽題對組合橋型的限制，從安全、耐用、美觀的角度出發(fā)，我們選擇了現(xiàn)在作為我國大跨徑橋最流行的橋型之一的懸索橋。懸索橋作為一種拉索體系，比梁式橋的跨越能力更大，

4、是大跨度橋梁的最主要橋型。為了明確體現(xiàn)組合形式，改進受力和合理性，我們選擇了桁架梁與懸索兩種橋型相結(jié)合。為了進一步優(yōu)化受力結(jié)構(gòu)和減輕橋梁質(zhì)量，我們將桁架梁改為張弦體系的魚腹式桁架梁以此來減輕橋梁自重和提高承載質(zhì)量，考慮到橋梁的加載重量，我們采用自錨式。1.1作品名自錨式多塔張弦桁架梁懸索橋1.2造型按照賽題細則要求，以及為了減小橋梁撓度和最大彎矩，我們將橋設(shè)為等跨的三跨，橋的全長為1785mm，橋面寬為240mm，主梁為三根，每根主梁由兩塊長1785mm，高15mm的PVC條粘貼而成，橫梁采用15根T型梁來支撐橋面、傳遞荷載以及為此主梁的側(cè)向穩(wěn)定，懸索橋采用多塔形式，在考慮橋梁自重和賽題要求的

5、最大加載量的情況下，我們將左右塔設(shè)置成為獨塔不連接形式也能滿足加載要求，并在有支座的地方布置。為了降低加載時的最大撓度和彎矩，我們將主梁設(shè)計成魚腹梁，采用桁架體系結(jié)構(gòu)，考慮到各桿件的受力特性，我們將桁架梁的下弦桿換為鉛發(fā)絲線，并施加一定的預(yù)張力，形成張弦桁架梁體系，使受力情況得到優(yōu)化，橋體質(zhì)量得到減輕。其具體尺寸大小見“4.2構(gòu)件尺寸詳細設(shè)計”。2 結(jié)構(gòu)選型橋梁和基本形式有梁橋、拱橋以及索橋幾種。由于賽題要求主要承重構(gòu)件必須采用兩種獨立結(jié)構(gòu)體系組合而成，一般組合形式有很多，但能夠明確體現(xiàn)出多種橋型的主要有懸索和梁的組合以及拱和梁的組合。首先我們考慮組合的三種基本橋型的優(yōu)缺點：u 斜拉橋 斜拉橋

6、由索塔、主梁、斜拉索組成。是一種由一條或多主塔與鋼纜組成來支撐橋面的橋梁。是由承壓的塔，受拉的索和承彎的梁體組合起來的一種結(jié)構(gòu)體系。斜拉鎖的兩端分別錨固在主梁和索塔上，將主梁的恒載和車輛荷載傳遞至索塔，再通過索塔傳遞至地基。因而主梁在斜拉鎖的各點支承下，像多跨彈性支承連續(xù)梁一樣，可使梁體內(nèi)彎矩大大減小，使主梁尺寸大大減小，顯著減輕了結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省了材料。u 拱橋拱橋是我國歷史悠久的一種橋型，拱式結(jié)構(gòu)在豎向荷載下，兩端產(chǎn)生水平推力，使拱內(nèi)產(chǎn)生軸向壓力，從而大大減小了拱圈的截面彎矩，充分利用截面材料強度，使跨越能力增強。但拱橋自重大，相應(yīng)的水平推力也較大，該橋型在保證具有足夠承載能力的時候不易滿足

7、大賽對模型質(zhì)量的要求，而且拱形模型不易制作。u 懸索橋懸索橋是用懸掛在塔架上的強大纜索作為主要承重結(jié)構(gòu)的橋梁。它由主纜、橋塔、錨碇、吊桿、加勁梁、鞍座及橋面結(jié)構(gòu)等幾部分組成。其中主纜、橋塔和錨碇構(gòu)成主要承重結(jié)構(gòu)，梁則主要提供橋面、傳遞荷載及維持抗風(fēng)穩(wěn)定的作用。如果不設(shè)加勁梁，因而剛度較小，在車輛荷載作用下，橋面將隨懸索形狀的改變而產(chǎn)生S形的變形。選型結(jié)果由以上分析我們可以看出，斜拉橋和懸索橋是我們組合橋理想的基本橋型，懸索橋和斜拉橋的質(zhì)量都大大的得到降低，受力形式得到大大的優(yōu)化，滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計的宗旨：以最少的材料，經(jīng)最合理的設(shè)計，承載最大的重量。有根據(jù)制作過程中的難易程度，我們選擇了懸索橋，為了

8、減小主梁的撓度，我們需要加設(shè)加勁梁，因此也會造成橋體重量增加，為了減輕重量，我們需要對加勁梁進行優(yōu)化設(shè)計。方案一、傳統(tǒng)加勁梁傳統(tǒng)加勁梁就為一矩形截面的直梁，當橋跨度較小時，矩形截面的直梁有一點的剛度，且質(zhì)量較輕，但隨著跨度的增大，梁中點處的彎矩大大增加，撓度變大，為了阻止其變化，必須通過增加矩形截面面積來增大剛度，使橋質(zhì)量增加。方案二、魚腹桁架梁魚腹結(jié)構(gòu)利用了下部受拉魚腹 , 從而有效地減小了上部梁系的跨度 ,改善了因跨度較大而產(chǎn)生的梁撓度和彎應(yīng)力過大的現(xiàn)象, 使其能適用于跨度較大橋梁施工 。當橋梁跨度增大時 ,單純的直梁結(jié)構(gòu)就不能滿足施工時對撓度的控制要求 ,此時可以在梁下部增加魚腹拉桿,形

9、成魚腹式桁架這種桁梁組合結(jié)構(gòu) ,利用魚腹結(jié)構(gòu)的拉桿限制支架的變形,并抵消部分彎矩 。魚腹式桁架 ,具體地說是由上部的桁架梁和下部的斜拉桿、主拉桿及豎桿構(gòu)成的折線形魚腹結(jié)構(gòu)組成, 斜拉桿的兩端與上部桁架梁的兩端相接 ,豎桿的上下兩端焊接在上部桁架梁與折線形魚腹結(jié)構(gòu)之間, 形狀如魚腹。其具有設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)簡單、易于加工、使用方便、省工省時、承載力大等特點。 方案三、張弦桁架梁通過內(nèi)力計算，可以找到魚腹式桁架的各個下弦桿均受拉，由于所給的材料中鉛發(fā)絲線具有良好的抗拉性能，且其質(zhì)量要比PVC輕的多，因此可以通過將拉桿改為拉索 ,并施以一定大小的預(yù)應(yīng)力 ,形成張弦桁架梁結(jié)構(gòu) ,利用下部拉索的預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的

10、反向彎矩, 抵消上部重荷載產(chǎn)生的彎矩,從而調(diào)整支架的內(nèi)力。綜上所述，我們選擇方案三。2.1設(shè)計準則1.符合賽題橋型要求、各尺寸要求與對材料使用限制的要求2.在滿足安全的條件下盡量少使用材料，以減輕橋梁自重和節(jié)約成本3.注重結(jié)構(gòu)美觀、簡潔2.2整體選型綜合承重能力、橋體自重與制作過程等多個方面的諸多因素，我們最終選擇以張懸桁架梁作為加勁梁的三跨相等的懸索橋。3材料試驗經(jīng)實驗檢測，得到如下材料特性：.白卡紙力學(xué)特性試驗試樣自重 241g/m2試樣厚度 0.3mm試樣寬度 30mm試樣原始標距 200mm最大力對應(yīng)位移Nmm第一根117.1811.46由上述實驗結(jié)果可以知道：白卡紙有較好的受拉性能，

11、適于用作橋面.軟質(zhì) PVC 塑料板厚度 2mm，力學(xué)性能參考值：彈性模量 1.5-15MPa，抗拉強度 30MPa。適于用于制作梁等結(jié)構(gòu)構(gòu)件。 AB膠在混合攪拌24小時后達到最高強度，具有很大的抗拉抗剪強度適用于模型結(jié)構(gòu)桿件之間的連接。鉛發(fā)絲線力學(xué)特性試驗試樣自重 0.71g/m試樣直徑 1.1mm試樣原始標距 200mm最大力對應(yīng)位移Nmm第一根67.8135.76由實驗結(jié)果可知：鉛發(fā)絲線抗拉強度較大，但由于其具有一定彈性，當承受力較大時仍會有較大變形量，可以在制做之前給予其足夠的拉力，使其失去形變能力，這樣就適用于模擬懸索橋拉索以及張懸梁的拉索。最大力對應(yīng)位移Nmm第一根67.818.76

12、經(jīng)長時間拉伸后的鉛發(fā)絲線的力學(xué)性能：故由胡克定律L=Fl/EA得經(jīng)過拉伸后的鉛發(fā)絲線的彈性模量為：E=Fl/AL=1.63GPa3.1模型稱重498g3.2模型的模擬加載試驗 在做正式參賽作品前，由于三跨完全一樣，我們選取一跨，做了兩次進行試驗，由于沒有標準砝碼，我們用石頭代替，經(jīng)測量石頭總重為14.87kg，超過了最大荷載，經(jīng)加載試驗可以看見在要求加載范圍內(nèi)，模型完全能夠承受住，且撓度也在小范圍內(nèi)。4 結(jié)構(gòu)設(shè)計4.1結(jié)構(gòu)整體布置圖4.2構(gòu)件尺寸詳細設(shè)計T形橫梁尺寸 T形梁實物圖一跨桁架尺寸圖 桁架桿件實物圖4.3構(gòu)造（節(jié)點）設(shè)計圖 對于主梁與橫梁的接口，我們采用節(jié)點卡將T形橫梁與主梁相接，將

13、節(jié)點卡削出T形，使其正好與T形橫梁相接，然后將桁架的腹桿與節(jié)點卡和主梁相連，如下圖所示： 4.4 模型三維效果圖5 特色處理1.橫梁采用T形小橫梁，在保證橋梁剛度的同時，保證了橋面與梁的接觸面積，使橋面更安全不下陷，并且有效的減輕了橋體的質(zhì)量。2.節(jié)點采用節(jié)點卡，有效防止桿件脫落3. 加勁梁采用魚腹桁架梁，并將桁架下弦拉桿改為拉索 ,并施以一定大小的預(yù)應(yīng)力 ,形成張弦桁架梁結(jié)構(gòu) ,利用下部拉索的預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的反向彎矩, 抵消上部重荷載產(chǎn)生的彎矩,從而調(diào)整支架的內(nèi)力。使得加勁梁質(zhì)量大大減小，結(jié)構(gòu)受力更為合理。4.主纜采用橡膠圈連接，為施加震動荷載時提供足夠的緩沖，保證震動加載成功。6 制作工藝1.

14、各個桿件均用砂紙打磨，使其易于粘貼，不易脫落。2.制作統(tǒng)一大小、形狀的節(jié)點卡，并將其用砂紙打磨，使其形成劈肩形狀，既減輕了質(zhì)量有顯得美觀。3.在上索時，采用抬起一端的方法為其施加預(yù)應(yīng)力，使其成為張弦體系。二、 模型計算書7計算模型橋梁三跨等跨，且結(jié)構(gòu)一樣，由于施加震動荷載時，小車停留位置在中跨中間，且兩次加載過程中小車在此處停留時間最長，故只取中跨進行研究，以便受力分析和強度計算。7.1模型簡化可以將梁簡化為桁架結(jié)構(gòu)，由桁架結(jié)構(gòu)可知，各桿均只受軸向力，負值表示壓力，正值表示軸向拉力，由于桁架下弦桿改為連續(xù)繩索結(jié)構(gòu)，故可認為其受力大小均相等，且受拉力，各桿件所受內(nèi)力圖如下圖所示：7.2荷載模擬利

15、用Midas Civil 821 建模分析對于靜力荷載，可以直接在每跨跨中施加6kg的等效荷載，即60N的節(jié)點荷載。對于小車產(chǎn)生的動荷載，由于定義較為負載，為了簡化計算，采用靜力荷載工況，計算小車移動中最不利位置附近時的受力情況。下圖是在MIDAS中分析出的結(jié)構(gòu)在靜力荷載作用結(jié)構(gòu)的位移等值線圖，從圖中可以清晰地看到最大位移量為2.34mm，發(fā)生在邊跨的跨中位置附近。最大應(yīng)力發(fā)生在邊跨跨中附近的下翼緣，最大值1.7MPa。靜力荷載作用結(jié)構(gòu)的位移等值線圖靜力荷載作用最大位移處位移等值線圖下圖是在MIDAS中分析出的結(jié)構(gòu)在小車荷載處于最不利位置時的位移等值線圖，從圖中可以清晰地看到最大位移量為5.3

16、9mm，發(fā)生在中跨的跨中位置附近。最大應(yīng)力發(fā)生在中跨的跨中附近的下翼緣，最大值2.76MPa。小車荷載處于最不利位置時的位移等值線圖小車荷載處于最不利位置時最大位移處位移等值線圖以上計算模型中的相關(guān)參數(shù)如下表所示：材料PVC板白卡紙鉛發(fā)絲線彈性模量8MPa10MPa1.63GPa泊松比0.30.30.38 內(nèi)力分析由7.1計算的各桿內(nèi)力圖進行強度校核：各桿件截面尺寸見4.2，由于各桿均受在軸向力作用，因此只需要校核抗拉抗壓強度.=FN/A 對于上弦桿：A=4*15=60mm2 FN=-134.62N =-2.24MPa對腹桿：A=4*6=24mm2 FNmax=-81.8N =-3.41MPa

17、綜上|max=3.41MPau=8MPa 故強度滿足要求。極限位移計算（單位荷載法）由單位荷載法求得中點位移為k=FNKEAFNmlk=4×134.62×134.62140×0.1258×106×6×10-5+2×31.28×31.28140×0.0658×106×2.4×10-5+81.81×81.81140×0.0108×106×2.4×10-5k=0.014+0.004+0.0025=0.0245m=24.5mm由于我們主梁可以看作三個平面桁架組成，由T形梁將荷載的力均勻分擔給三根主梁，故橋的整體撓度應(yīng)該為：k=13=8.17mm所以梁的最