結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽說(shuō)明書(shū)

1、 第一屆遼寧省普通高等學(xué)校大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)方案 作品名稱(chēng) 飛虹架索 學(xué)校名稱(chēng) 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 學(xué)生姓名 李天慶 學(xué)號(hào) 0309160112 學(xué)生姓名 劉金輝 學(xué)號(hào) 0309020115 學(xué)生姓名 張祥雨 學(xué)號(hào) 0309120131 指導(dǎo)教師 鞏玉發(fā) 聯(lián)系電話 04183350654 二OO七 年 四 月二十日目錄“飛虹架索”設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)1一、設(shè)計(jì)概要3二、方案構(gòu)思31、材料力學(xué)性能估計(jì)32、構(gòu)件力學(xué)性能33、橋梁骨架構(gòu)思4三、整體布局4三、功能5四、結(jié)構(gòu)選擇51、簡(jiǎn)支梁52、拱形結(jié)構(gòu)53、桁架結(jié)構(gòu)64、對(duì)桁加結(jié)構(gòu)的三個(gè)方案進(jìn)行進(jìn)一步分析6五、制作工藝6六、畫(huà)龍點(diǎn)睛（特色說(shuō)明）8“飛虹架索

2、”方案圖9一、效果圖9二、結(jié)構(gòu)布置圖10“飛虹架索”結(jié)構(gòu)計(jì)算書(shū)11一、 計(jì)算設(shè)計(jì)模型11二、荷載分析11三、撓度分析11四、 內(nèi)力計(jì)算15五、 承載能力估算16“飛虹架索”設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一、設(shè)計(jì)概要1.模型制作材料為白卡紙和乳白膠和蠟線。 2.模型跨度1075至1100mm，支座簡(jiǎn)支，間距1100mm，模型實(shí)際 長(zhǎng)度為1094mm。橋面寬150mm（300mm的要求），橋最高點(diǎn)與最低點(diǎn)距 離380mm，橋的框架結(jié)構(gòu)寬75mm（軸線距），結(jié)構(gòu)高度不得高于或低于行車(chē)橋面300。3.對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)能通過(guò)長(zhǎng)200，寬100，高150的小車(chē)。二、方案構(gòu)思1、材料力學(xué)性能估計(jì)（1）、白卡紙作為模型材料，其力學(xué)性能特

3、點(diǎn)是受拉性能良好，抗撕裂能力差，抗彎壓能力近似為零。將紙折成圓筒并用乳膠粘結(jié)后，可承受一定的壓力，但受長(zhǎng)細(xì)比的限制，多為壓桿失穩(wěn)狀態(tài)的受力破壞?？沙惺苌僭S彎矩。 （2）、乳膠的粘接性能：紙帶對(duì)接時(shí)強(qiáng)度約降低50，低帶側(cè)接時(shí)，強(qiáng)度較高，認(rèn)為與母材強(qiáng)度相同。（3）、 蠟線承受的拉力較大，一根承受48N，兩根承受110N。2、構(gòu)件力學(xué)性能我們先對(duì)設(shè)計(jì)荷載200N所需的構(gòu)件載面大小，受壓時(shí)的長(zhǎng)細(xì)比限制做了初步估計(jì)，做了如下實(shí)驗(yàn)： （1）、用45mm寬紙條卷成內(nèi)徑5mm，外徑10mm的圓筒，可承受遠(yuǎn)>300N的拉力，因此這種拉桿對(duì)設(shè)想中的幾種方案均能滿(mǎn)足受力需要。 （2）、將45mm寬紙條卷成內(nèi)徑

4、10mm的圓筒，當(dāng)長(zhǎng)300mm時(shí)，可承受100N的壓力。長(zhǎng)度小于300mm進(jìn)，受壓能力>100N，例如100mm長(zhǎng)的壓桿，可承受150N以上的壓力。在此構(gòu)件力學(xué)性能分析的基礎(chǔ)上，我們認(rèn)為：方案應(yīng)選擇多為拉桿，壓桿短而受力小，盡量不受彎矩者為宜。3、橋梁骨架構(gòu)思根據(jù)以上材料力學(xué)性能和構(gòu)件力學(xué)性能進(jìn)行方案構(gòu)思,起主要作用的是上平弦桿，在水平方向延伸。下弦桿受拉，中間的斜桿件受壓，支桿受壓。桁架中的桁桿互相平行而有規(guī)則，看上去更輕快。飛虹架索橋橋骨架用料表（單位）總類(lèi)長(zhǎng)寬外徑內(nèi)徑上弦桿10942003010下弦桿12002002010壓桿150100155斜壓桿720150205 桁桿既不能太

5、細(xì)也不能太粗，表面應(yīng)是封閉的，與弦桿連接采用小結(jié)點(diǎn)綁扎，等價(jià)于鉸結(jié)點(diǎn)。桁架橋上弦桿采用微曲桿，其整體性變的柔和美觀，既顯示了橋梁的預(yù)拱度，同時(shí)又很好的體現(xiàn)出將很大空間一跨而過(guò)的力動(dòng)感。三、整體布局 本橋下部采用桁架結(jié)構(gòu)，上部采用斜拉橋形式，總體上屬于組合體系橋梁。本橋采取的布局是對(duì)稱(chēng)形式。1、橋下部由三個(gè)全等的三角形構(gòu)成，左右兩個(gè)三角形又由支桿分成兩個(gè)全等三角形。三角形比圓形、長(zhǎng)形更具活力，容易增加空間感。三角形其能保持穩(wěn)定性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中可簡(jiǎn)化構(gòu)件種類(lèi)、減輕構(gòu)件重量。2、直桿具有堅(jiān)強(qiáng)剛直的特性和冷峻感。橋梁是一種水平方向延伸的線形結(jié)構(gòu)，水平上弦桿功能得到發(fā)揮。3、豎直桿體現(xiàn)力量的強(qiáng)度，表達(dá)了

6、崇高向上、豎挺而嚴(yán)肅的情感。本橋的支桿和獨(dú)柱式主塔都采用豎直桿，增加均衡穩(wěn)定、比例和諧的美感。 4、斜桿更具有力感、動(dòng)感與方向感，顯得活潑與生動(dòng)。本橋的桁架中的腹桿、斜拉的繩索采用斜桿和斜線，簡(jiǎn)潔明快。三、功能本橋梁的功能主要有如下三個(gè)：第一、允許小車(chē)順利通過(guò)。橋面寬150，小車(chē)寬100，兩側(cè)各余25，單車(chē)道小車(chē)自由通行。 第二、允許行人通過(guò)。在行車(chē)道與外欄桿之間有人行道，人行道與行車(chē)道之間有內(nèi)欄桿相隔。 第三、在橋梁的中間人行道處可以觀看風(fēng)景，作為觀景臺(tái)。 四、結(jié)構(gòu)選擇 確定設(shè)計(jì)荷載為200N?？紤]到壓桿長(zhǎng)細(xì)比限制，拉桿的抗撕裂能力等因素，拉桿均選用內(nèi)徑10mm罌桿件，拉桿外徑20mm，壓桿

7、選用內(nèi)徑10mm,外徑15mm。 在此基礎(chǔ)上，做了以下幾個(gè)方案分析： 1、簡(jiǎn)支梁簡(jiǎn)支梁受部分均布荷載（按加載要求）。由于構(gòu)件受彎是非常不利的，因此如果選用簡(jiǎn)支梁的形式，梁堆截面應(yīng)選用魚(yú)腹梁的形式。但制作難度大。如果梁為幾片相同形狀的紙粘接加厚而成，則側(cè)面易失穩(wěn)。因此不便采用。 2、拱形結(jié)構(gòu)拱橋最適于承受均布荷載，但在制作上較費(fèi)材料。由于拱橋需要由很密的拱作片拼成，中間加肋，因此橋的自重較大，在目前橋梁的最大承重200N的限制下，不便采用。 3、桁架結(jié)構(gòu)彎矩分布可以看出，采用梯形桁架較接近彎矩分布，是合理結(jié)構(gòu)。由于在要求荷載下，架橋水平方向必有壓力，且要承受部分均布荷，是處于局部彎壓狀態(tài)。要使構(gòu)

8、件是較良好的壓彎性能，必須多用材料，因此考慮通過(guò)局部構(gòu)造措施，將均布荷載轉(zhuǎn)換為兩點(diǎn)或多點(diǎn)集中荷載。又由于結(jié)構(gòu)須是對(duì)稱(chēng)的，為了節(jié)約材料、決定把集中荷載轉(zhuǎn)化成兩點(diǎn)集中荷載。因?yàn)闃蛎嬉獫M(mǎn)足通車(chē)的要求，因此需起伏較小，故采用平面。上（或下）弦為橋面，結(jié)點(diǎn)處通過(guò)2mm的突起支起加載板，使受集中力。由 于突起小，且不在橋面中間，不影響通車(chē)。4、對(duì)桁加結(jié)構(gòu)的三個(gè)方案進(jìn)行進(jìn)一步分析 第一種方案：壓桿長(zhǎng)，且壓力較大，構(gòu)造形由于是下方在通車(chē)，因此架間距應(yīng)>車(chē)寬100mm，力由桁架間橫撐連接再傳至桁架上，受力途徑不簡(jiǎn)明。局部承壓要求較高，浪費(fèi)材料，故不宜采用。第二種方案：中間交叉的兩桿若采用剛性桿，則拼接不易

9、，若采用拉條，則結(jié)點(diǎn)不易處理，需耗費(fèi)較多材料。 第三種方案：取上、下弦軸線距150mm，上弦最高點(diǎn)與下弦最低點(diǎn)相距170mm，滿(mǎn)足要求。橋模名義長(zhǎng)度1094mm，實(shí)際橋面寬150mm，兩上弦桿間距90mm，以確保加載板邊緣不落在結(jié)點(diǎn)之間的桿長(zhǎng)。五、制作工藝1、選用模具為光滑圓桿。2、上弦桿件為1094長(zhǎng)，200寬紙條卷成，視實(shí)際拼接情況加以切削。在粘接桿件時(shí)，為了防止乳膠干縮使桿件變形，桿件在模具上粘接，并完全晾干后方才取下。實(shí)際結(jié)果證明，這樣取下后的桿件無(wú)一變彎的。 3、結(jié)點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)受力較為復(fù)雜，且易破壞。由于桿件均是薄壁圓桿，為保證結(jié)點(diǎn)抗撕裂、剪切、抗拉強(qiáng)度。以圓鉛筆為模具，用100mm寬，

10、65長(zhǎng)紙條卷成65長(zhǎng)，外徑20的短桿7根備用，并在桿的兩端用刀削成圓弧形。4、桁架的拼接。按每根桿的長(zhǎng)度切好桿件，先接好下弦桿，再連接上弦桿與下弦桿校直，然后在上弦桿中間綁斜壓桿，斜壓桿與下弦桿連接，再連壓桿烘干。再連接烘干，這樣半個(gè)桁架連接好，并烘干后，方從拼接圖上取下，進(jìn)行下一榀杵架的連接。5、結(jié)點(diǎn)加固由結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識(shí)知這些結(jié)點(diǎn)都可按鉸結(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，考慮到支座結(jié)點(diǎn)的抗拉、抗剪切?？顾毫涯芰Σ蛔?，采用1條3寬60mm長(zhǎng)紙條粘結(jié)在下弦桿及上弦桿上。6、兩片桁架的整體拼用兩張桌子，調(diào)好間距，把兩榀杵架架在中間，距離為65mm，把橫撐逐個(gè)粘接在桁架結(jié)點(diǎn)處。共用了7個(gè)橫撐。待完全烘干之后，在兩支點(diǎn)處插入

11、圓桿,調(diào)整四點(diǎn)共面，烘干。加150mm寬，1024mm長(zhǎng)的橋面板（單層紙），晾干。正號(hào)代表受拉，負(fù)號(hào)代表受壓。 六、畫(huà)龍點(diǎn)睛（特色說(shuō)明）此橋?qū)贌o(wú)多余約束的靜定桁架和斜拉組合體系橋，本橋共有四大特色：1、此橋剛度大，撓度小，質(zhì)量輕，采用桁架的下部結(jié)構(gòu)是最好的選擇，且下部結(jié)構(gòu)采用對(duì)稱(chēng)式布局，既美觀又簡(jiǎn)潔。2、此橋的功能較多，既能行車(chē)，長(zhǎng)廊內(nèi)又能行人，還能在長(zhǎng)廊內(nèi)觀看風(fēng)景。3、此橋的上部采用斜拉式，拉索用蠟線代替鋼鉸線，又給人以韻律美的感官享受。4、橋梁的長(zhǎng)廊采用高低起伏的矩形，有一種萬(wàn)里長(zhǎng)城高低起伏的感覺(jué)，既減輕了橋梁的自重，又美觀?！帮w虹架索”方案圖一、效果圖二、結(jié)構(gòu)布置圖“飛虹架索”結(jié)構(gòu)計(jì)算書(shū)

12、一、 計(jì)算設(shè)計(jì)模型二、荷載分析三、撓度分析Fa=F×a/L Fb=F×a/L ;M1=Fa×x=F×b/L×x M2=F×b/L×x-F×(x-a) ;EIW1=-M1=F×b/L×x EIW2=-M2=-F×b/L×x+F(x-a) ;由條件得：W1= F×b×x/(2×L×EI) ×(L²-b²)/3-x² ；W2=Fb/(2×L×EI) ×(x-a)²

13、/6-x²+(L²-b²)/3W1=F×b×x/(6LEI) ×L²-b²-x² ;W2=Fb/(6LEI) ×(x-a)³/6-x³+(L²-b²)x ;令W1=0 得:x1²=（L²-b²）/3 ;W(max)=W1(x=x1)0.0642FbL²/(EI) ;因?yàn)橹到咏悬c(diǎn),所以取W=W1(x=L/2)=Fb/(48EI) ×(3L²-4b²)0.0625FbL²/(EI

14、);由于簡(jiǎn)支梁撓度變形過(guò)大,下面的就采用桁架形式.因?yàn)閾隙扔?jì)算,基本跨中撓度最大.根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器得出結(jié)構(gòu)的位移圖為:- 桿端 1 桿端 2 - - 單元碼 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角- 1 0.00000000 0.00000000 -0.04059677 -1.19483438 -10.3521770 -0.04059677 2 -1.19483438 -10.3521770 -9.97464904 -2.38966875 -14.8646358 9.93925721 3 -2.38966875 -14.8646358 0.022950

15、91 -3.31898438 -9.01215449 0.02295091 4 -3.31898438 -9.01215449 0.03534178 -4.24830000 0.00000000 0.03534178 5 0.00000000 0.00000000 -0.03667843 -4.11554063 -10.1684270 -0.03667843 6 -4.11554063 -10.1684270 -0.01947138 -1.19483438 -10.3521770 -0.01947138 7 -4.11554063 -10.1684270 -0.01663998 -2.3896

16、6875 -14.8646358 -0.01663998 8 -2.38966875 -14.8646358 0.02046377 -0.39827813 -9.01215449 0.02046377 9 -0.39827813 -9.01215449 0.00226720 -4.11554063 -10.1684270 0.00226720 10 -3.31898438 -9.01215449 0.01947138 -0.39827813 -9.01215449 0.01947138 11 -0.39827813 -9.01215449 0.03285464 -4.24830000 0.00

17、000000 0.03285464-最大位移是14.865mm- 桿端 1 桿端 2 - - 單元碼 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角- 1 0.00000000 0.00000000 -0.03534178 -0.92931563 -9.01215449 -0.03534178 2 -0.92931563 -9.01215449 -0.02295091 -1.85863125 -14.8646358 -0.02295091 3 -1.85863125 -14.8646358 -9.93925721 -3.05346563 -10.3521770

18、9.97464904 4 -3.05346563 -10.3521770 0.04059677 -4.24830000 0.00000000 0.04059677 5 0.00000000 0.00000000 -0.03285464 -3.85002188 -9.01215449 -0.03285464 6 -3.85002188 -9.01215449 -0.01947138 -0.92931563 -9.01215449 -0.01947138 7 -3.85002188 -9.01215449 -0.02046377 -1.85863125 -14.8646358 -0.0204637

19、7 8 -1.85863125 -14.8646358 0.01663998 -0.13275938 -10.1684270 0.01663998 9 -0.13275938 -10.1684270 -0.00226720 -3.85002188 -9.01215449 -0.00226720 10 -3.05346563 -10.3521770 0.01947138 -0.13275938 -10.1684270 0.01947138 11 -0.13275938 -10.1684270 0.03667843 -4.24830000 0.00000000 0.03667843-最大位移是14

20、.865mm- 桿端 1 桿端 2 - - 單元碼 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角- 1 0.00000000 0.00000000 -0.03796928 -1.06207500 -9.68216575 -0.03796928 2 -1.06207500 -9.68216575 -6.24341912 -2.12415000 -14.8646358 8.69201057 3 -2.12415000 -14.8646358 -8.69201057 -3.18622500 -9.68216575 6.24341912 4 -3.18622500 -9.68216575 0.03796928 -4.24830000 0.00000000 0.03796928 5 0.00000000 0.00000000 -0.03476654 -3.98278125 -9.59029075 -0.03476654 6 -3.98278125 -9.59029075 -0.01947138 -1.06207500 -9.68216575 -0.01947138 7 -3.98278125 -9.59029075 -0.01855187 -2.12415000 -14.8646358 -0.0185518