結構設計大賽之橋梁模型設計

1、結構設計大賽之橋梁模型設計戴潔(廣東交通職業(yè)技術學院，廣東廣州510650)摘要：文中從結構設計大賽的模型要求及比賽加載方式分析入手，提出橋梁模型的設計方案構思，選擇結構方案并進一步對模型進行了強度、剛度和穩(wěn)定性受力分析。試驗證明本次設計制作的橋梁模型非常堅固，承受極限荷載接近于封頂值50kg。1橋梁模型設計11模型要求及加載方式分析結構設計大賽擬設計橋梁結構模型。橋梁結構模型設計尺寸要求為：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)了橋梁設計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、失效的標準：模型強度足夠、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材料分析參賽的結構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、受壓構件，即使多張繪圖紙疊放具有抗彎強度也不能提供足夠的抗彎剛度。

4、要使紙構件提供足夠的強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件。但從整體結構上必須布置成縱、橫梁網(wǎng)格系。棉線抗拉能力強，不能受壓只能用來做受拉構件，吊(拉)橋面或捆綁節(jié)點，增強節(jié)點強度。白乳膠主要起粘結作用。13結構選型與方案構思鑒于比賽的加載重量大。且撓度變形量控制嚴格，橋型結構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，主體結構采用梁式橋型。為了增強模型的整體抗彎強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。橋面下可用拱形結構支撐橋面也可以采用橋墩加斜撐輔助支撐橋面。拱形結構受力合理但制作困難。下部結構主要采用實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度，所以橋墩結構

6、上必須加強各桿件的橫向聯(lián)系以增強橋梁的整體穩(wěn)定性。主孔縱向設計為梁式橋結合“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)格式梁式結構?！癆”型塔斜拉結構設計為雙塔，兩側各一個中間設一撐桿加性。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于橋梁的施工過程，這是一個很關鍵的環(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、型須以嚴謹?shù)膶W術態(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，以保證尺寸準確。在制作過程中，還要注意節(jié)點捆綁牢固，在模型加重載時，節(jié)點不牢固，直接導致變形過大。圓形紙柱想象起來容易，制做起來困難。圖紙不容易卷實，而且容易偏斜。為了卷好每一根桿件模型組同學做了多次試驗，總結經(jīng)驗。以15cm外徑實心柱為例：首先劃好圖

8、紙，寬度可取100cm，長度依構件長度而定，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，兩個同學配合在O5cm處折起并壓緊，開始卷壓并拉紙，還有一個同學壓著還沒卷到的地方，直到卷完，這是最關鍵的一步，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結語試驗證明，本次設計制作的橋

9、梁模型非常堅固，成功接受了45的重荷載考驗。在加載5Ok2時，撓度略超出15mm而失效。從比賽的角度來看，本次設計的橋梁模型缺點在于跨徑偏小，設計過于保守，有待于嘗試大跨徑橋梁模型設計。這次比賽為同學們的理論知識與實踐結合提供了一個良好的平臺。通過結構模型的設計制作，參賽同學充分理解了橋梁結構的構造原理和受力特點。提高和鞏固了他們的力學知識、橋梁專業(yè)知識增強了大家的學習興趣，同時也增強了他們的動手能力和團隊問的合作精神?；钴S了大學生的科

10、技創(chuàng)新氛圍。我校的力學架構模型設計大賽已舉行過多屆了，也有了多次走出去請進來比賽的經(jīng)驗。為了使同學們少走彎路和回頭路，設計制作水平能在前人探索的基礎上不斷創(chuàng)新提高，特在此將一些結構模型設計的經(jīng)驗及要點小結一下，期望能對大家有所幫助。由于時間關系及發(fā)現(xiàn)真理的規(guī)律，不能一次寫完，請留意更新。結構設計的基本原則：安全、適用、經(jīng)濟、美觀，完全適用于我們的力學架構設計大賽：1、安全：應具有足夠的強度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定結構的強度破壞一般發(fā)生在節(jié)點

11、處。要對節(jié)點進行加固，并采用使節(jié)點處的拉、壓桿件受力相互平衡的節(jié)點形式，構建和諧節(jié)點。如采用讓拉桿連續(xù)通過，壓桿切斷但撐于節(jié)點上的形式。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。結構失去整體穩(wěn)定而破壞的情況要多于強度破壞，特別是對于高架橋這樣的高個子結構。不要迷戀對稱，對稱只是個傳說。側向受力是避免不了的，加載偏心、材料缺陷都會引起側向力，壓桿失穩(wěn)時會也產(chǎn)生側向剪力。設計時宜考慮有側向力（大小可以取豎向力的130）與