结构设计大赛之桥梁模型设计

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1、结构设计大赛之桥梁模型设计戴洁(广东交通职业技术学院，广东广州510650)摘要：文中从结构设计大赛的模型要求及比赛加载方式分析入手，提出桥梁模型的设计方案构思，选择结构方案．并进一步对模型进行了强度、刚度和稳定性受力分析。试验证明本次设计制作的桥梁模型非常坚固，承受极限荷载接近于封顶值50kg。 1桥梁模型设计1．1模型要求及加载方式分析结构设计大赛拟设计桥梁结构模型。桥梁结构模型设计尺寸要求为：桥面总长l000mln；桥面高不低于120toni：桥面总宽160～180rnITl；桥面净空高度不小于20

2、0toni：最大跨径不小于400mm。尺寸要求体现了桥梁设计的桥下净空和桥面净空等功能要求。比赛加载方式为动静载结合方式，初赛要求徒手将一辆l5kg的小车从桥头拉至最大跨的跨中位置．并在该位置停留不少于5S然后拉到桥部。模型不至于失效方可进入决赛。决赛采用跨中集中力加载方式，初始荷载为20，荷载增加梯度为5k次，封项荷载为50。每次加载后停留5S。模型不失效即加载成功。模型不失效的标准：模型强度足够、不失去整体承载力：模型跨中挠度不超过l5mm。小小桥模型须承受l5～50kg的重量，由此带来的跨中弯矩较大

3、，承载亦不易。但更难控制的还是弯曲变形，挠度不超出15mln即要求模型具有足够的抗弯刚度。1．2材料分析参赛的结构模型要求采用组委会统一提供的绘图纸、棉线和乳胶。主体材料为绘图纸．辅助材料为棉线和乳胶。单张的绘图纸只能承受少量拉力，不能作为受弯、受压构件，即使多张绘图纸叠放具有抗弯强度．也不能提供足够的抗弯刚度。要使纸构件提供足够的强度和刚度．一种方法将纸卷成圆柱形．作成圆形梁和圆形柱：另一种方法将纸张切片叠成一定厚度并粘在一起．作成一定高度的薄梁．可以用作桥面的抗弯构件。但从整体结构上必须布置成纵、横梁

4、网格系。棉线抗拉能力强，不能受压．只能用来做受拉构件，吊(拉)桥面或捆绑节点，增强节点强度。白乳胶主要起粘结作用。1．3结构选型与方案构思鉴于比赛的加载重量大。且挠度变形量控制严格，桥型结构不能采用单一的梁桥、拱桥、悬索桥，而必须采用组合体系桥梁。为使桥面平整，便于行车，主体结构采用梁式桥型。为了增强模型的整体抗弯强度和抗弯刚度．布置斜拉杆(索)或垂直吊杆(索)。用卷成圆柱形的纸杆作为刚性斜拉杆或吊杆．节点用棉线捆绑牢固，做成类似斜拉桥的板拉桥刚性拉杆。桥面下可用拱形结构支撑桥面．也可以采用桥墩加斜撑辅助

5、支撑桥面。拱形结构受力合理．但制作困难。下部结构主要采用实心的圆柱形纸杆作桥墩．由于直径有限(直径大时耗材多)，难以保证桥墩的稳定性，而空心纸卷制作起来有困难．也不能提供足够的抗压强度，所以桥墩结构上必须加强各杆件的横向联系．以增强桥梁的整体稳定性。主孔纵向设计为梁式桥结合“A”型塔斜拉桥。主梁5片，横梁10根，等间距地布置主梁、横梁，形成网格式梁式结构。“A”型塔斜拉结构设计为双塔，两侧各一个．中间设一撑杆加强两边“A”型塔的横向联系。“A”型塔采用三角形刚架结构．中部设一横梁．横梁上设垂直的刚性吊杆和

6、柔性的棉线吊索。上部结构如图1所示。图中粗实线为纸杆，细实线为棉线。“A”型塔下面构成桥梁的主孔。塔柱脚外各设一小孔作为边孔。受材料限制，模型不可能仿照公路桥设计足够粗大的桥墩。因此，为保证桥墩的稳定性．三孔桥墩之问设水平杆加强联系．形成四边形框架结构，增强柱的稳定性。1．4桥梁模型受力分析圆柱形纸杆可以承受一定的拉力和压力．可以作为受弯结构的梁。梁的抗弯强度很大程度上取决于梁高，圆柱直径越大，抗弯强度越大。网格式梁式结构使荷载沿纵横向传递更均匀．减少单根梁集中受力。主跨中间布置45k2的集中荷载时，简单

7、的梁桥按跨度50cm计，结构须承受55N·m的弯矩．而纸杆梁高有限．结构无法承受这么大的弯矩。实际模型结构采用三孔连续结构并结合“A”型塔斜拉桥。“A”型塔下布置多根垂直吊杆(索)，再加上桥墩的斜撑杆，从力学计算上缩小跨度，有效减少弯矩。粗略计算结构实际承受弯矩为30N·m左右。若再考虑横梁的横向联系作用．将荷载较均匀地分配给5片主梁，则单梁承受的弯矩更小。合理的结构方案保证了结构足够的抗弯强度。实心圆柱纸杆具有一定的刚度．在荷载不大情况下．弯曲下沉的挠度较小。但要在跨中布置40～50的集中荷载，将挠度控

8、制在15rrfn以内并不容易。事实上参赛的多座桥梁模型承载能力很大，但刚度不足．导致荷载不大(eo~3okg)情况下．变形超出15rrfn而失效。保证模型刚度足够的措施首先是主梁、横梁片数不宜过少．且布置成网格体系，保证模型有较大的整体抗弯刚度。其次，斜塔下垂吊刚性杆和柔性索，以抵抗跨中弯曲挠度。刚性杆比柔性索控制弯曲变形挠度能力强．因为柔性的棉线易伸长，斜拉或垂吊桥面时不易控制变形。但棉线基本不占重量．可用作辅助的斜拉索或吊