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结构设计大赛之桥梁模型设计.doc

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//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 50 kg。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 l 000 mln;桥面高不低于 120 toni:桥面总宽 160~180rnITl;桥面净空高度不小于 200 toni:最大跨径不小于 400 mm。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 l5 kg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 5 S 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 5 k 次,封项荷载为 50 。每次加载后停留 5 S。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 l5 mm。小小桥模型须承受 l5~50 kg 的重量, 由此带来的跨中弯矩较大,承载亦不易。但更难控制的还是弯曲变形,挠度不超出 15 mln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 45 k2的集中荷载时,简单的梁桥按跨度 50 cm 计,结构须承受 55 N·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,将挠度控制在 15 rrfn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~3o kg)情况下.变形超出 15 rrfn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
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