結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽之橋梁模型設(shè)計(jì)

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽之橋梁模型設(shè)計(jì)戴潔(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510650)摘要：文中從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的模型要求及比賽加載方式分析入手，提出橋梁模型的設(shè)計(jì)方案構(gòu)思，選擇結(jié)構(gòu)方案并進(jìn)一步對模型進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性受力分析。試驗(yàn)證明本次設(shè)計(jì)制作的橋梁模型非常堅(jiān)固，承受極限荷載接近于封頂值50kg。1橋梁模型設(shè)計(jì)11模型要求及加載方式分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽擬設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)模型。橋梁結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)尺寸要求為：橋面總長l000mln；橋面高不低于120t

2、oni：橋面總寬160～180rnITl；橋面凈空高度不小于200toni：最大跨徑不小于400mm。尺寸要求體現(xiàn)了橋梁設(shè)計(jì)的橋下凈空和橋面凈空等功能要求。比賽加載方式為動靜載結(jié)合方式，初賽要求徒手將一輛l5kg的小車從橋頭拉至最大跨的跨中位置并在該位置停留不少于5S然后拉到橋部。模型不至于失效方可進(jìn)入決賽。決賽采用跨中集中力加載方式，初始荷載為20，荷載增加梯度為5k次，封項(xiàng)荷載為50。每次加載后停留5S。模型不失效即加載成功。模型不

3、失效的標(biāo)準(zhǔn)：模型強(qiáng)度足夠、不失去整體承載力：模型跨中撓度不超過l5mm。小小橋模型須承受l5～50kg的重量，由此帶來的跨中彎矩較大，承載亦不易。但更難控制的還是彎曲變形，撓度不超出15mln即要求模型具有足夠的抗彎剛度。12材料分析參賽的結(jié)構(gòu)模型要求采用組委會統(tǒng)一提供的繪圖紙、棉線和乳膠。主體材料為繪圖紙輔助材料為棉線和乳膠。單張的繪圖紙只能承受少量拉力，不能作為受彎、受壓構(gòu)件，即使多張繪圖紙疊放具有抗彎強(qiáng)度也不能提供足夠的抗彎剛度。

4、要使紙構(gòu)件提供足夠的強(qiáng)度和剛度一種方法將紙卷成圓柱形作成圓形梁和圓形柱：另一種方法將紙張切片疊成一定厚度并粘在一起作成一定高度的薄梁可以用作橋面的抗彎構(gòu)件。但從整體結(jié)構(gòu)上必須布置成縱、橫梁網(wǎng)格系。棉線抗拉能力強(qiáng)，不能受壓只能用來做受拉構(gòu)件，吊(拉)橋面或捆綁節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。白乳膠主要起粘結(jié)作用。13結(jié)構(gòu)選型與方案構(gòu)思鑒于比賽的加載重量大。且撓度變形量控制嚴(yán)格，橋型結(jié)構(gòu)不能采用單一的梁橋、拱橋、懸索橋，而必須采用組合體系橋梁。為使橋面

5、平整，便于行車，主體結(jié)構(gòu)采用梁式橋型。為了增強(qiáng)模型的整體抗彎強(qiáng)度和抗彎剛度布置斜拉桿(索)或垂直吊桿(索)。用卷成圓柱形的紙桿作為剛性斜拉桿或吊桿節(jié)點(diǎn)用棉線捆綁牢固，做成類似斜拉橋的板拉橋剛性拉桿。橋面下可用拱形結(jié)構(gòu)支撐橋面也可以采用橋墩加斜撐輔助支撐橋面。拱形結(jié)構(gòu)受力合理但制作困難。下部結(jié)構(gòu)主要采用實(shí)心的圓柱形紙桿作橋墩由于直徑有限(直徑大時耗材多)，難以保證橋墩的穩(wěn)定性，而空心紙卷制作起來有困難也不能提供足夠的抗壓強(qiáng)度，所以橋墩結(jié)構(gòu)

6、上必須加強(qiáng)各桿件的橫向聯(lián)系以增強(qiáng)橋梁的整體穩(wěn)定性。主孔縱向設(shè)計(jì)為梁式橋結(jié)合“A”型塔斜拉橋。主梁5片，橫梁10根，等間距地布置主梁、橫梁，形成網(wǎng)格式梁式結(jié)構(gòu)?！癆”型塔斜拉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙塔，兩側(cè)各一個中間設(shè)一撐桿加性。此外，兩邊“A”型塔加上橫向聯(lián)系。從橋底到橋頂支承整個橋梁大大提高了橋梁的整體穩(wěn)定性。2制作工藝制作橋梁模型即相當(dāng)于橋梁的施工過程，這是一個很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。制作工藝，毫無疑問在比賽中很重要質(zhì)量的好壞直接決定了加載的成敗。制作模

7、型須以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度來對待，尺寸必須精確。模型凈寬誤差不超出5mm，凈空高度不小于200mm，這些都必須嚴(yán)格遵守，否則模型無法加載。此外，模型中每一根桿件都需要根據(jù)長度、厚度精確取好圖紙，以保證尺寸準(zhǔn)確。在制作過程中，還要注意節(jié)點(diǎn)捆綁牢固，在模型加重載時，節(jié)點(diǎn)不牢固，直接導(dǎo)致變形過大。圓形紙柱想象起來容易，制做起來困難。圖紙不容易卷實(shí)，而且容易偏斜。為了卷好每一根桿件模型組同學(xué)做了多次試驗(yàn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。以15cm外徑實(shí)心柱為例：首先劃好圖

8、紙，寬度可取100cm，長度依構(gòu)件長度而定，并在寬度每10cm處用鉛筆輕劃一些平行線作為控制線?？刂茍A形柱f梁)兩端卷速均勻。然后卷圓柱，兩個同學(xué)配合在O5cm處折起并壓緊，開始卷壓并拉紙，還有一個同學(xué)壓著還沒卷到的地方，直到卷完，這是最關(guān)鍵的一步，這時一不小心，紙就會損壞而作廢。在卷的過程中還需涂膠。涂膠要快，可用一些小的厚紙片用來刷膠，涂膠分兩次，待卷到一半處時涂一些膠，用以定位，卷到最后再涂膠封口。3結(jié)語試驗(yàn)證明，本次設(shè)計(jì)制作的橋

9、梁模型非常堅(jiān)固，成功接受了45的重荷載考驗(yàn)。在加載5Ok2時，撓度略超出15mm而失效。從比賽的角度來看，本次設(shè)計(jì)的橋梁模型缺點(diǎn)在于跨徑偏小，設(shè)計(jì)過于保守，有待于嘗試大跨徑橋梁模型設(shè)計(jì)。這次比賽為同學(xué)們的理論知識與實(shí)踐結(jié)合提供了一個良好的平臺。通過結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)制作，參賽同學(xué)充分理解了橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造原理和受力特點(diǎn)。提高和鞏固了他們的力學(xué)知識、橋梁專業(yè)知識增強(qiáng)了大家的學(xué)習(xí)興趣，同時也增強(qiáng)了他們的動手能力和團(tuán)隊(duì)問的合作精神?；钴S了大學(xué)生的科

10、技創(chuàng)新氛圍。我校的力學(xué)架構(gòu)模型設(shè)計(jì)大賽已舉行過多屆了，也有了多次走出去請進(jìn)來比賽的經(jīng)驗(yàn)。為了使同學(xué)們少走彎路和回頭路，設(shè)計(jì)制作水平能在前人探索的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新提高，特在此將一些結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)及要點(diǎn)小結(jié)一下，期望能對大家有所幫助。由于時間關(guān)系及發(fā)現(xiàn)真理的規(guī)律，不能一次寫完，請留意更新。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則：安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀，完全適用于我們的力學(xué)架構(gòu)設(shè)計(jì)大賽：1、安全：應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞一般發(fā)生在節(jié)點(diǎn)

11、處。要對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，并采用使節(jié)點(diǎn)處的拉、壓桿件受力相互平衡的節(jié)點(diǎn)形式，構(gòu)建和諧節(jié)點(diǎn)。如采用讓拉桿連續(xù)通過，壓桿切斷但撐于節(jié)點(diǎn)上的形式。對于管狀的空心桿件在受到局部橫向壓力時，要在受壓處用橫隔加強(qiáng)。結(jié)構(gòu)失去整體穩(wěn)定而破壞的情況要多于強(qiáng)度破壞，特別是對于高架橋這樣的高個子結(jié)構(gòu)。不要迷戀對稱，對稱只是個傳說。側(cè)向受力是避免不了的，加載偏心、材料缺陷都會引起側(cè)向力，壓桿失穩(wěn)時會也產(chǎn)生側(cè)向剪力。設(shè)計(jì)時宜考慮有側(cè)向力（大小可以取豎向力的130）與