大连交通大学第三届结构设计大赛理论设计方案

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1、桥梁结构设计理论方案作品名称途锐参赛学校大连交通大学参赛队员周权峰袁彬、魏剑锋赵桐玉、杨馨胜专业名称土木工程指导教师张涛大连交通大学结构设计竞赛组委会二○一一年作品简介考虑到本次竞赛题目要求为两跨双车道桥梁，在移动荷载以及均布静荷载作用下的加载，根据所学专业理论知识，认识到主要应该解决的是桥梁跨中的抗弯问题以及细节的抗扭问题、主梁的局部稳定性和支座处的抗剪能力。从全国各高校的比赛情况来看，大多数模型均采用空腹式梁—桁架组合结构。这种桥型不仅制作简单、计算方便、理论与实际吻合情况较好，而且可以通过变桁高来实现

2、竖向抗弯刚度沿桥长方向的变化，从而最大程度减轻结构自重。在主梁类型的选择上我们曾考虑两种截面形式——工字形截面和空心圆形截面。在截面面积及杆件厚度相等的情况下（即控制“自重影响”这一变量），容易验证工字形截面比空心圆截面惯性矩大40%以上。此外，前者节点处理较圆形截面简单，故最终可选用工字形截面。注：作品简介应包括对方案的构思、造型和结构体系及其他有特色方面的说明（可加页）。结构承重验算1.材料的强度特性我们查阅了浙江大学土木系对结构设计大赛材料的性能试验数据，如下：2.结构整体受力分析我们对支座实际的约束

3、情况加以分析，得到进行结构力学理论计算的杆件约束体系如下：考虑到此次大赛规则有变，加载了均布的静荷载。联系所学桥梁知识对主梁的连续及非连续不同情况做了对比，（单位均布力）a.中间为简支非连续梁在均布荷载下的弯矩图：M图b.中间为简支连续梁在均布荷载作用下的弯矩图:M图由上述受力分析可知在单位均布荷载作用下，连续梁的跨中最大弯矩较小，仅有1.04NM,但是支座处弯矩交大，为2.08NM；而非连续梁的跨中最大弯矩为较大的3.12NM，但是支座处弯矩为0。综合考虑不同情况下弯矩的影响，我们选择了中间连续梁的形式，

4、因为这样整个梁的弯矩承受较小，只需在支座处稍加强即可，达到节约材料、减轻自重的目的。C.移动单位荷载作用下距左端1/8处截面弯矩影响线：（左右对称）D.移动单位荷载作用下中间支座处截面弯矩影响线：3.荷载简化由于计算机模拟分析纸质桥梁模型的局限性，我们对计算模型进行了下列简化和假定：1.采用空间梁单元模拟桁架结构；2.车轮荷载按横向线集度荷载在两片主桁间进行分配，等效为作用在纵梁上的集中荷载；3.不考虑桥面板参与受力；4.忽略桥面及桥面系局部加劲构造的作用；5.两跨受力模式一样，仅取一跨进行计算分析。应该承

5、认，上述简化和假定会带来一定的计算误差。考虑到理论分析用于纸质模型的指导性作用，这样的简化和假定是可以接受的。采用简化计算模型，考虑将小车荷载转化为加载在左右两根纵梁上的移动点荷载来计算，将总重为100N的小车荷载简化为加载在两根纵梁上的竖向点荷载，即左右两个纵梁分别加载40N和10N的力，简化后的等价小车荷载模式如图3所示。图1简化后的小车荷载（单位：mm）4.模型单元编号桁梁模型单元的编号见图2、图3。鉴于纵梁的重要性，每节间的纵梁划分为3～5个单元；为使计算便捷，将其余杆件均视作一个单元。图2纵梁单元

6、编号图3腹杆单元编号5.纵梁受力情况及挠度腹杆单元可近似按轴心受压构件计算，根据Midas软件的桁架单元内力分析结果可知53号腹杆单元为控制单元；纵梁单元同时受轴向应力、弯曲应力和剪应力的作用，根据软件的应力分析结果可知68号梁单元为控制截面；跨中挠度的大小也为本次模型设计成功与否的关键因素。模型的53号、68号单元内力和跨中挠度计算结果如表4所示：表4：单元内力和跨中挠度计算结果中心距53号腹杆轴力(N)68号纵梁轴向应力(MPa)68号纵梁弯曲应力(MPa)68号纵梁剪应力(MPa)跨中挠度（mm）20

7、0mm64.44253.8716.12.611.85腹杆轴力采用第四强度理论计算模型68号纵梁单元的相当应力：6.47号纸带单元截面尺寸的选取基于浙江大学结构设计大赛的材料试验结果和补充试验数据，并参考有关资料，拟定20mm宽的纸带的性能参数如表5所示。表5材料性能参数名称层数面积弹性模量极限拉压应力（N/mm2）白卡纸110.3×20=6mm2113022.2/7.0白卡纸220.6×20=12mm2114544.0/14.0白卡纸330.9×20=18mm2160066.0/21.0白卡纸441.2×2

8、0=24mm2196088.0/28.0桥梁模型结构的各杆件单元采用不同层数的白卡纸制成，软件分析计算中采用表6中所列参数。表6单元几何参数表（单位：mm）项目材料截面形状宽高厚纵梁白卡纸3工字20200.9横梁白卡纸2矩形10200.3腹杆白卡纸1矩形15200.6下弦横联白卡纸1纸带边长为200.3纸带一层纸带白卡纸4纸带200.3二层纸带白卡纸4纸带200.647号纸带单元为桁架单元，主要承受拉力，由Mid