結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽橋梁計(jì)算書(shū)

1、 橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論方案作品名稱 蔚然水岸 參賽學(xué)院 建筑工程學(xué)院 參賽隊(duì)員 呂遠(yuǎn) 、 李麗平 、 李怡瀟 、趙培龍專業(yè)名稱 土木工程 一、方案構(gòu)思1、設(shè)計(jì)思路 對(duì)于這次的設(shè)計(jì)，我們分別考慮了斜拉橋、拱橋、梁式橋和桁架橋的設(shè)計(jì)方案。斜拉橋可以看作是小跨徑的公路橋，且對(duì)剛度有較高的要求，所以斜拉橋?qū)Σ牧系囊蟊容^高，對(duì)于用桐木強(qiáng)度比不上其他樣式的橋來(lái)得結(jié)實(shí)；拱橋最大主應(yīng)力沿拱橋曲面而作用，而沿拱橋垂直方向最小主應(yīng)力為零，可以很好的控制橋梁豎直方向的位移，但鎖提供的支座條件較弱，且不提供水平力，顯然也不是一個(gè)好的選擇；梁式橋有較好的承載彎矩的能力，也可以較好的控制使用中的變形，但橋梁的穩(wěn)定性是個(gè)很大

2、的問(wèn)題，控制不了橋梁的扭轉(zhuǎn)變形，因此，我們也放棄了制作梁式橋的想法；而桁架橋具有比較好的剛度，腹桿即可承拉亦可承壓，同時(shí)也可以較好的控制位移用料較省，所以，相比之下我們最后選擇了桁架橋。 2、制作處理（1）、截桿裁桿是模型制作的第一步。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，截桿時(shí)應(yīng)該根據(jù)不同的桿件，采用不同的截?cái)喾椒?。?duì)于質(zhì)地較硬的桿應(yīng)該用工具刀不斷切磋，如同鋸開(kāi)；而對(duì)于較軟的桿應(yīng)該直接用刀刃用力按下，不宜用刀口前后切磋，易造成截面破損。（2）、端部加工端部加工是連接的是關(guān)鍵所在。為了能很好地使桿件彼此連接，我們根據(jù)不同的連接形式，對(duì)連接處進(jìn)行處理，例如，切出一個(gè)斜口，增大連接的接觸面積；刻出一個(gè)小槽，類似榫卯連

3、接等。（3）拼接拼接是本模型制作的最大難點(diǎn)。由于是桿件截面較小，接觸面積不夠，乳膠干燥較慢等原因，連接是較為困難的。我們采取了很多措施加以控制，如用鐵夾子對(duì)連接處加強(qiáng)壓、用蠟線進(jìn)行綁扎固定等。對(duì)于拱圈的制作，則預(yù)先將桿件置于水中浸泡并加上預(yù)應(yīng)力使其不斷彎曲，并按照先前劃定的拱形不斷調(diào)整，直至達(dá)到理想形狀。在拱腳處處理時(shí)，先粘結(jié)一個(gè)小的木塊，讓后用鐵夾子施加很大的壓力，保證連接能足夠牢固。乳膠粘接時(shí)要不斷用電吹風(fēng)間斷性地吹風(fēng)，使其盡快形成粘接力，達(dá)到強(qiáng)度的70%（基本固定）后即可讓其自行風(fēng)干。（4）風(fēng)干模型制作完成后，再次用吹風(fēng)機(jī)間斷性地吹粘接處，基本穩(wěn)定后，讓其自然風(fēng)干。（5）修飾在模型完成之

4、后，為了增強(qiáng)其美觀性，用砂紙小心翼翼的將桿件表明的毛刺打磨光滑，注意不要破壞結(jié)構(gòu)，以免影響其穩(wěn)定。3、設(shè)計(jì)假定(1)、材質(zhì)連續(xù)，均勻；(2)、梁與索之間結(jié)點(diǎn)為鉸結(jié)；梁與塔柱（撐桿）之間的連接為剛結(jié)；撐桿與下部拉條之間為鉸結(jié)；橋梁支座為連續(xù)彈性支座；(3)、橋面和橋梁本身質(zhì)量以均布荷載作用在整個(gè)梁上；加載時(shí)，車輛移動(dòng)荷載以集中力的形式作用在指定的梁上。(4)、桿件計(jì)算時(shí)采用結(jié)構(gòu)的計(jì)算模式；根據(jù)以上假定，通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器建立計(jì)算模型，所得的內(nèi)力和位移作為構(gòu)件設(shè)計(jì)的依據(jù)。二、材料的力學(xué)性能1、桐木根據(jù)試驗(yàn)分析數(shù)據(jù),每次試驗(yàn)有三到四組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，剔除無(wú)效的數(shù)據(jù)，采用有效數(shù)據(jù)的平均值，根據(jù)彈性理論計(jì)算桐

5、木的彈性模量E。拉伸試驗(yàn)： (1)2×2木桿：去除第三組偏差較大的數(shù)據(jù)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木桿：E1=F×L/（L×A)=471.1845×70/(2×5×3.8002)=867.93MPaE2=F

6、15;L/（L×A)=462.1775×70/(2×5×3.8319)=844.29MPaE=(E1+E2)/2=856.11MPa(3)2×10木桿：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.

7、738)=645.47MPaE=(E1+E2+E3)/3=915.21MPa(4)3×3木桿：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木桿：去除第三組偏差較

8、大的數(shù)據(jù)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木桿：去除第三組偏差較大的數(shù)據(jù)E1=F×L/(L×A)=976.335×70/(4×6×4.6522)=608.18MPaE2=F×L/(L×A)=798.416×

9、70/(4×6×4.7955)=485.60MPaE=(E1+E2)/2=546.89MPa由以上計(jì)算數(shù)據(jù)可以得出，截面越大，計(jì)算得到的彈性越小。這是由于木材內(nèi)部的缺陷導(dǎo)致的，桐木截面面積越大，截面越對(duì)稱，所含的缺陷對(duì)彈性模量E的影響越小。因此，我們?nèi)椥阅Ａ縀=60OMPa。此外，根據(jù)木材的拉伸、壓縮試驗(yàn)，壓桿試驗(yàn)及彎曲試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果，我們還可以得出以下結(jié)論： 桐木的順紋抗壓強(qiáng)度比抗拉強(qiáng)度低，因此用桐木做拉桿能夠更好的利用材料。 4×6木桿的抗彎強(qiáng)度比抗壓強(qiáng)度降低很多要充分利用材料，使之受拉較好 桐木強(qiáng)度指標(biāo)的離散性大,變異性強(qiáng)。由一于內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻份致的應(yīng)力集

10、中所致。尤其是抗拉強(qiáng)度，因此受拉桿件宜采用較大的安全系數(shù)。在計(jì)算桐木的彈性模量時(shí)，要充分考慮這個(gè)影響因素，選用有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 木在受壓時(shí)，在某個(gè)較小力值范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很大的變形；當(dāng)變形到達(dá)一定數(shù)值時(shí)，桐木所能承受的壓力急劇增大，但此時(shí)變形卻很小。桐木為各向異性材料，順紋方向與橫紋方向受力性能差異較大。制作中要避免橫紋受力。2、臘線根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，由公式E=F×L/（L×A）計(jì)算出臘線的彈性模量，在試驗(yàn)數(shù)據(jù)的取值方面，由于多股臘線由單股臘線人工搓捻而成，因此多股臘線的受拉承載力受人為因素的影響，故在數(shù)據(jù)的選取中我們?nèi)”Ｊ刂?。?jì)算單股臘線的彈性模量：E=F×L/(L&#

11、215;A)=37.2539×200/(××14.6275)=1323.566MPa·圖表資料(2)雙股臘線計(jì)算雙股臘線的彈性模量：E=F×L/（L×A）=90.905×200/（××21.5295）=2194.309·圖表資料(3)三股臘線計(jì)算三股臘線的彈性模量：E=F×L/(L×A)=114.6968×200/（··18.75123178.822MPa·圖表資料(4)四股臘線計(jì)算四股臘線的彈性模量：E=F×L/(L

12、5;A)=153.4951×200/(××23.6309)=3375.657MPa·圖表資料由于以上的計(jì)算結(jié)果及圖表資料得知,由于人工搓繩的不確定性較大不能保證多股臘線與單股臘線的彈性模量的倍數(shù)關(guān)系。因此,臘線的彈性模量:E=1323.566 MPa三、方案立體圖四、計(jì)算書(shū)1、結(jié)構(gòu)選型：我們所設(shè)計(jì)的橋采用的是空間組合形式，結(jié)構(gòu)以梁承受抗彎，以腹桿承受抗壓抗拉。桁架橋結(jié)構(gòu)應(yīng)用桐木材料和線索柔性構(gòu)件抗拉強(qiáng)度高的臘線，結(jié)構(gòu)可以做到結(jié)構(gòu)自重相對(duì)較輕，體系的剛度和形狀穩(wěn)定性相對(duì)較大，因而可以跨越很大的空間。同時(shí)四棱錐式的設(shè)計(jì)有避免了結(jié)構(gòu)受側(cè)向力和扭轉(zhuǎn)的影響,并可以

13、使?jié)M載時(shí)的小車可以順利通過(guò)。2、荷載分析 橋的主要承重為：橋面板和梁本身的重量和車輛移動(dòng)荷載。（1）橋面板和梁本身的重量。桐木材料的平均重量為0.5g/cm平方，考慮乳膠及其他因素，將其擴(kuò)大至N/M。橋梁長(zhǎng)1660mm，經(jīng)計(jì)算，橋梁自重約為g。將其設(shè)置為均勻荷載，經(jīng)計(jì)算得q=1.3N/m，考慮乳膠及其他因素，將q擴(kuò)大至q=2N/m（2）車輛移動(dòng)荷載。通過(guò)做影響線確定梁、腹桿和臘線的最不利荷載位置，進(jìn)而求出橋面梁和拉索的極限力和彎距。將小車在車輪與橋面接觸點(diǎn)簡(jiǎn)化成2個(gè)集中荷載，同時(shí)車輛通過(guò)速度可控制，所以在任意時(shí)刻可以按靜載處理。這樣每條主梁同時(shí)受均布力及兩個(gè)集中荷載。小車質(zhì)量=15kg。經(jīng)過(guò)計(jì)算，每個(gè)集中荷載為N=73.5N另外在加載時(shí)