西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽計算書(共13頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上西安建筑科技大學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽計算書 作品名稱： 致青春 學(xué)院名稱： 土木工程學(xué)院 隊員姓名： 阮星星、趙加兵、李朝、胡琦、高山俊男 聯(lián)系方式： 二一五年十一月十六日專心-專注-專業(yè)目 錄 前 言當人類的記憶尚處于模糊不清的原始時代的時候，橋梁便伴隨著人類文明的發(fā)展，時時刻刻影響著人類的發(fā)展歷程。建筑物是人類智慧的結(jié)晶，是凝固的音樂，是藝術(shù)的綻放。毫無疑問，結(jié)構(gòu)是建筑物的根本。橋梁作為人類主要交通承載體，它的承載能力，穩(wěn)定性，安全性等便顯得極為重要。結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽是一個極富現(xiàn)實意義，挑戰(zhàn)性的科技競賽。它旨在通過對所學(xué)知識的綜合運用和團隊精神，提高學(xué)生的動手能力與思維能力，

2、激發(fā)創(chuàng)新意識，培養(yǎng)科學(xué)思維，加強團隊協(xié)作，提高動手能力，提升大學(xué)生的責任擔當，更好地去思考建設(shè)的結(jié)構(gòu)。 這次比賽無疑給我們建立了一個理論聯(lián)系實際的平臺，將理論知識用于與實際問題的解決之中，為社會問題建言獻策。通過本次比賽，我們不僅會鍛煉我們自己的思考能力，加深入了對理論知識的理解，還會跟來自全校其他學(xué)院的同學(xué)交流我們對結(jié)構(gòu)的認識。這將是我們學(xué)海生涯中難忘的一筆。一、設(shè)計說明書1、設(shè)計概要此次結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽題目為“不等跨雙車道橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計”。主要要求為： 1）、模型制作材料為白卡紙、白卡紙和蠟線。 2）、模型跨度1200-1300mm，分為長跨和短跨，模型寬度不超過300mm3）、模型加載為動荷載

3、，兩輛小車載重先后在車道上通過，測量長跨跨中豎向位移，不超過10mm則加載成功。2、結(jié)構(gòu)設(shè)計說明與方案比選 在實際工程中，橋梁種類很多，例如斜拉橋，拱橋，桁架橋，梁式橋等。結(jié)合比賽題目要求，我們在設(shè)計之初先做出以下分析：第一，此次比賽題目提供的支座不提供水平方向約束，即不能提供水平力，而拱橋?qū)蛄旱幕A(chǔ)有要求，而拱橋的設(shè)計原理是將豎向的力轉(zhuǎn)化為沿水平方向的力，若要設(shè)計拱橋的話難度非常大，因此我們排除了做拱橋的想法。第二，比賽提供的材料中有蠟線，如果設(shè)計斜拉橋的話，會大大減少模型質(zhì)量。但是考慮到蠟線太細，在受力時蠟線受到的應(yīng)力會很大，而且可能會造成結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。另外，斜拉橋主要應(yīng)用于大跨度的橋梁，

4、此次比賽題目中的橋梁長度長跨部分為800mm，僅為加載小車長度的4倍，故此次設(shè)計的橋梁屬于小跨徑的公路橋，而且對剛度有要求，因此我們也排除了做斜拉橋的想法。第三，在高跨比控制較好的前提下（1：81：12），梁式橋有較好的承載彎矩的能力，亦可以較好地控制使用中的變形。以橋的主梁為工字形截面為例，若兩車道各用兩根主梁支撐，高跨比為1：8，那么在紙張不失穩(wěn)的前提下，各主梁均只需要一層紙就可以滿足承載力和變形的要求。但是主梁的穩(wěn)定性是個不容忽視的問題，若增加主梁所用紙張的層數(shù)以提高主梁的穩(wěn)定性，就大大增加了橋梁的質(zhì)量。同時，各個主梁之間的聯(lián)系不緊密，在偏心受壓的情況下，還存在著扭轉(zhuǎn)的問題。故排除單獨做

5、梁式橋的想法。第三，模型加載時，受到移動荷載作用，故設(shè)計時優(yōu)先提高橋的抗彎能力，為了使結(jié)構(gòu)受到彎矩最小，同時考慮到模型的質(zhì)量因素，我們最終確定的結(jié)構(gòu)為梁式橋或者桁架橋。相比于梁式橋，桁架結(jié)構(gòu)主要由上弦桿和腹桿受壓，下弦桿主要受拉，盡量減少結(jié)構(gòu)所受彎矩，且比較節(jié)省材料，同時外觀比較美觀，也能滿足題目要求，故我們最終選擇設(shè)計梁式橋與桁架橋的組合。第四，考慮的比賽加載時，有兩輛下車分別在兩個車道上通行，所以模型應(yīng)該具有一定的抗側(cè)能力，最終，我們選擇的結(jié)構(gòu)式一個空間桁架，其正投影是一個三角桁架。3、設(shè)計細節(jié)：為了提高結(jié)構(gòu)的整體抗彎剛度，首先要使梁的抗彎剛度EI增加，結(jié)合材料力學(xué)知識，對于矩形截面梁，I

6、=；對于圓形截面梁，I=；因此增加矩形截面的高度，加大圓形截面的直徑，都可以提高梁的抗彎剛度。對于三角形截面梁，慣性矩為截面各微元面積與各微元至截面某一指定軸線距離二次方乘積的積分，因此通過計算得出，當高度和寬度的比值為2：1時，可以充分發(fā)揮材料的性能，提高梁的抗彎剛度。通過綜合的計算分析，當使用材料量相同的條件下，高寬比為2：1的三角形截面梁的EI最大。其次，可以利用桁梁組合的方法，提高結(jié)構(gòu)的整體抗彎剛度。在橋面的下端增設(shè)塔式桁架結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成三角形截面梁和塔式桁架的組合結(jié)構(gòu)，從力學(xué)計算上縮小跨度,有效減少彎矩，在豎直方向上有效的提高了結(jié)構(gòu)的抗彎剛度。4、方案特色:1）.整個結(jié)構(gòu)由空間桁架組

7、成，下部成倒錐形，使得整個結(jié)構(gòu)有一定的抗側(cè)能力，并且在兩跨各自只設(shè)置了一條拉帶，使得整個結(jié)構(gòu)顯得非常美觀。2）.各個構(gòu)件不同截面的選擇：結(jié)合材料力學(xué)與結(jié)構(gòu)力學(xué)的相關(guān)知識，我們選用高低比為2:1的三角形截面來作為梁來承彎，用圓形截面來做弦桿來承受軸力，用紙帶代替桿來承受拉力。3）.質(zhì)量較輕：在滿足荷載承受要不的前提下，我們盡可能希望盡可能的發(fā)揮材料的性能，而且我們所有的桿件截面幾乎均為一層白卡紙組成，所以在模型質(zhì)量上有很大的優(yōu)勢。4）.復(fù)雜節(jié)點的處理：我們的結(jié)構(gòu)中，最關(guān)鍵的就是節(jié)點處理，我們的結(jié)構(gòu)下部有6個節(jié)點連接的桿件個數(shù)達到8根（不包括2根拉帶）。二、方案圖1、作品簡介理論效果圖圖1主視圖

8、圖2俯視圖圖3側(cè)視圖圖4節(jié)點設(shè)計圖圖5節(jié)點實際圖圖6結(jié)構(gòu)實際圖圖7作品質(zhì)量：300g左右作品高度：100mm作品寬度：240mm三、計算書1.計算假定1) 白卡紙材質(zhì)連續(xù)、均勻；2） 桁架的節(jié)點與節(jié)點之間鉸接。實際并非鉸接，而是介于剛接與鉸接之間，為方便計算這里假設(shè)結(jié)構(gòu)剛接；3） 小車通過橋面時是以均布荷載的形式作用于結(jié)構(gòu)。2.材料力學(xué)性能230g白卡紙彈性模量名稱種類層數(shù)彈性模量（MPa）230g白卡紙156.92148.2表1230g白卡紙極限應(yīng)力名稱類型層厚（mm）拉應(yīng)力（N/mm2）壓應(yīng)力（N/mm2）230g白卡紙0.322.27.0表2 四、結(jié)構(gòu)建模 1、模型簡化： 根據(jù)以上基本假

9、定，取構(gòu)件的形心線為計算軸線對結(jié)構(gòu)進行建模，為方便計算，我們對取結(jié)構(gòu)的正投影進行計算。實際應(yīng)計算模型：圖8簡化后計算模型（僅計算長跨部分）圖9 2、荷載分析 對簡化后結(jié)構(gòu)通過桁架力學(xué)求解器進行計算，以集中力形式加于指定點，每個節(jié)點按5kN計算，計算荷載下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。軸力圖：圖10 由上圖中軸力示意圖可知：模型下弦桿承受拉力，故在模型制作中我們充分利用紙帶的較強的抗拉能力，在下弦部分采用紙帶代替弦桿。在保障模型結(jié)構(gòu)整體性的條件下，減輕了模型質(zhì)量。位移圖：圖11有荷載位移圖可知：當模型長跨部分加載達到25kg時，跨中位移略大于10mm，可知當加載小于25kg時跨中撓度小于10mm滿足題目要求。五、

10、構(gòu)件幾何尺寸及數(shù)量1.構(gòu)件材料表：表3項目編號名稱長跨短跨截面形式數(shù)量（根）長度（mm）梁1橫梁800400三角形底*高12*1742縱梁600*4=240020*2032弦桿（第一節(jié)點）3中弦桿69.546.1圓形（直徑）844邊弦桿120.9109.284弦桿（第二節(jié)點）5中弦桿105.9561.0826邊弦桿145.0116.382橫向弦桿7V型腹桿A180.0127.91088V型腹桿B197.0138.1108邊緣弦桿9中弦桿150.381.184拉帶10拉帶250.0360.0矩形 (長*寬)7*1.542.制作工藝：制作結(jié)構(gòu)模型即相當于橋梁的施工過程，這是一個關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。制作工藝

11、，毫無疑問在比賽中很重要，質(zhì)量的好壞直接決定了加載的成敗。制作模型須以嚴謹?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度來對待，尺寸必須精確,否則模型無法加載。此外，模型中每一根桿件都需要根據(jù)長度、厚度精確取好圖紙，以保證尺寸準確。在制作過程中，還要注意節(jié)點捆綁牢固，在模型加重載時，節(jié)點不牢固，直接導(dǎo)致變形過大。在制作過程中我們發(fā)現(xiàn)，在桿件外層初步粘結(jié)后，對桿件進行若干次單方向（卷桿方向）的搓動，桿件會利用白乳膠提供的初步粘結(jié)力內(nèi)裹，使桿件的密實程度增加，幾層紙共同受力。由于白卡紙自身硬度較大，通過在卷桿之前對白卡紙進行預(yù)卷數(shù)次，使其具備一定的預(yù)曲率，方便工藝進行。其次為保證桿件盡可能快地風干，按照拼接的順序卷桿。首先量取所需材

12、料，并于紙上標注相應(yīng)的標號。先卷出所有的柱，然后卷通體編號的桿件，其余桿件按編號順序卷；將卷好的桿件套于模具上，用冷風機吹干后取下，并用鉛筆于桿中間標好桿件號，便于查找。3.節(jié)點處理：三角形桿件可以有較好的穩(wěn)定性，較圓形桿件容易成形、制作，但是其在節(jié)點處的粘接較為困難，而節(jié)點卻恰恰是力傳遞效率的關(guān)鍵。縱橫梁與下部桁架的連接：將下部桁架的上端捏扁以適應(yīng)縱橫梁的角度，同時增加節(jié)點片，其強度和整體性大大增強。桁架桿與桁架桿的連接：將下部桁架的下端打磨后壓扁,使得8根下部桁架的下端得以粘在一起,然貼上節(jié)點片，使得節(jié)點比較牢固。桿件不均勻干燥的彎曲問題由于刷膠過程中紙張遇水膨脹以及在干燥過程中的不均勻性，三角形桿件在干燥后存在一定程度的彎曲，不但給制作過程帶來一定的不便，也使桿件產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利的影響。為了解決這個問題，我們會盡量減少桿件粘合過程中的用膠量，減少水分以控制紙張的膨脹問題。在桿件干燥過程中使用電吹風使桿件均勻受風干燥。4.橋梁兩跨間的連接問題：為了保證兩跨的連接有一定的剛度，制作60mm長的截面為三角形的楔子（三角形尺寸略小于上弦桿的尺寸），分別將兩頭插入兩跨的四根上弦桿中。為了防止楔子插入上弦桿過程中變軟，該處的連接不使用膠水。5.風干及修飾:用冷風機間斷性地吹模型，讓其盡快地干掉；按規(guī)定尺寸裁剪結(jié)點處桿件,最后粘接。模擬加載示意圖：結(jié) 語這次比賽為同學(xué)