结构设计大赛计算书

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1、一、设计要求竞赛模型为竹质单跨桥梁结构，采用竹质材料制作，具体结构形式不限。1.几何尺寸要求(1)模型长度：模型有效长度为1200mm，两端提供竖向和侧向支撑。对于竖向支撑，每边支撑长度为0-70mm。(2)模型宽度：在模型有效长度范围内（中央悬空部分），模型宽度应不小于180mm，最宽不应超过300mm；在支座范围内，宽度不限，但不应超过320mm。(3)模型高度：模型上下表面距离最大位置的高度不应超过400mm；为方便小车行驶，中央起拱高度不应超过40mm；端部支座位置处的高度不应超过150mm。2.结构形式要求对于结构形式没有特定要求，桥面设置两个车道

2、，每个车道宽不得小于90mm，车道之间不能有立柱、拉索一类的构件。结构可以仅采用竖向支撑的方式，也可以采用竖向和侧向同时支撑的方式来实现约束。3.材料(1)竹质：用于制作结构构件。有如下两种规格：竹子规格（单位：mm）    材料2mm×2mm×1000mm     竹子2mm×4mm×1000mm竹子2mm×6mm×1000mm      竹子4mm×6mm×1000mm     竹子1mm×55mm×1000mm竹子竹子力学性能参考值：顺纹弹性模量1.0×104MPa，顺纹抗拉强度30Mpa。 (2)502胶水：用于模型结构构件之间的连接。二、结构选型拱

3、桥桥梁的基本体系之一，建筑历史悠久，外形优美，古今中外名桥遍布各地，在桥梁建筑中占有重要地位。它适用于大、中、小跨公路或铁路桥，尤宜跨越峡谷，又因其造型美观，也常用于城市、风景区的桥梁建筑。根据不同的分类标准，可以分为不同的类型。按拱圈(肋)结构的材料分：有石拱桥（见石桥）、钢拱桥、混凝土拱桥、钢筋混凝土拱桥。按拱圈（肋）的静力图式分：有无铰拱、双铰拱、三铰拱（见拱6）。前二者属超静定结构，后者为静定结构。无铰拱的拱圈两端固结于桥台（墩），结构最为刚劲，变形小，比有铰拱经济；但桥台位移、温度变化或混凝土收缩等因素对拱的受力会产生不利影响，因而修建无铰拱桥要求

4、有坚实的地基基础。双铰拱是在拱圈两端设置可转动的铰支承，铰可允许拱圈在两端有少量转动的可能。结构虽不如无铰拱刚劲，但可减弱桥台位移等因素的不利影响。三铰拱则是在双铰拱顶再增设一铰，结构的刚度更差些，但可避免各种因素对拱圈受力的不利影响。经过我们分析讨论，按“实用、经济、安全、美观”的桥梁设计原则，比较三个方案的优缺点。决定选做拱桥模型。其具有如下优点：（1）具有较大的跨越能力，充分发挥圬工及其它抗压材料的性能；（2）构造较简单，受力明确简洁；（3）形式多样、外型美观；拱式桥由拱上建筑、拱圈和墩台组成。在竖直荷载作用下，作为承重结构的拱肋主要承受压力，拱桥的支

5、座既要承受竖向力，又要承受水平力，因此拱式桥对基础与地基的要求比梁式桥要高。拱式桥按桥面位置可分为上承式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥。由于结构设计规则中的规定，我们选择上承式拱（见图2），起名为“虹桥”。图1虹桥正立面图三、模型制作竹桥跨度为1.20m，两端支座长度为0.07m，桥高为0.15m，桥面上弦杆采用3根2mm×6mm粘结而成，截面尺寸为6mm×6mm；拱截面为两根4mm×6mm和1根2mm×6mm粘结而成，截面尺寸为6mm×10mm；拱平面内竖杆尺寸为4mm×6mm，斜杆尺寸2mm×6mm。两榀拱桥通过横梁（上、下平面杆截面尺寸均为4mm×6mm

6、）和垂直交叉支撑（杆截面尺寸为4mm×6mm）连接成一立体拱桁架桥。模型具体尺寸图见图3。（a）正立面模型尺寸图6（b）俯视模型尺寸图（c）下平面拱间杆件连接模型尺寸图四、荷载分析本桥为上承式拱桥，全桥荷载主要包括静载和动载两个方面，静载包括桥体自重，小车的自重及铁块自重，动载即小车的自重以及小车行进过程中所产生的冲击力。1.静力分析（1）桥体自重经天平称量本桥的质量m=168g，则桥模型自重W=mg=0.168×10=1.68N。根据桥梁设计载荷简化原则，桥体自重应简化为一均布荷载q1（q1=W/L=0.168/1.2=0.14N/m），再以集中力的形式施

7、加在上弦平面的各个节点上。（3）施加荷载求解在上弦平面各节点施加桥体自重等效的集中力P1=0.1N，在跨中的两个节点上分别施加小车满载后的等效集中力P2=11kg×10N/kg=110N，施加荷载图见图2，进行求解。图2施加静力荷载6经过求解得到跨中节点的最大位移为3mm，小于20mm，满足要求。在荷载作用下的变形图见图3。图3桥在静载作用下的竖向变形图2.动力分析（1）荷载简化根据加载要求，整个加载程的总时间不得多于120s，其中小车在跨中停止10s，小车在桥上行进的长度为1.2m，由此计算出移动小车的速度v=1.2m/110s=0.011m/s。在移动荷

8、载作用下，桥梁将发生振动，产生的变形和应力都比荷载静