1、橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論方案 作品名稱 途銳參賽學(xué)校 大連交通大學(xué)參賽隊(duì)員 周權(quán)峰 、 袁彬、 魏劍鋒、趙桐玉 、 楊馨勝專業(yè)名稱 土木工程指導(dǎo)教師 張濤大連交通大學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽組委會二一一年作品簡介考慮到本次競賽題目要求為兩跨雙車道橋梁，在移動(dòng)荷載以及均布靜荷載作用下的加載，根據(jù)所學(xué)專業(yè)理論知識，認(rèn)識到主要應(yīng)該解決的是橋梁跨中的抗彎問題以及細(xì)節(jié)的抗扭問題、主梁的局部穩(wěn)定性和支座處的抗剪能力。從全國各高校的比賽情況來看，大多數(shù)模型均采用空腹式梁桁架組合結(jié)構(gòu)。這種橋型不僅制作簡單、計(jì)算方便、理論與實(shí)際吻合情況較好，而且可以通過變桁高來實(shí)現(xiàn)豎向抗彎剛度沿橋長方向的變化，從而最大程度減輕結(jié)構(gòu)自重。在主梁類型

2、的選擇上我們曾考慮兩種截面形式單箱雙室截面和空心圓形截面。在截面面積及桿件厚度相等的情況下（即控制“自重影響”這一變量），容易驗(yàn)證單箱雙室截面比空心圓截面慣性矩大40%以上。此外，前者節(jié)點(diǎn)處理較圓形截面簡單，故最終可選用單箱雙室截面。注：作品簡介應(yīng)包括對方案的構(gòu)思、造型和結(jié)構(gòu)體系及其他有特色方面的說明（可加頁）。結(jié)構(gòu)承重驗(yàn)算1. 材料的強(qiáng)度特性我們查閱了浙江大學(xué)土木系對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽材料的性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如下：2.結(jié)構(gòu)整體受力分析我們對支座實(shí)際的約束情況加以分析，得到進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)理論計(jì)算的桿件約束體系如下：考慮到此次大賽規(guī)則有變，加載了均布的靜荷載。聯(lián)系所學(xué)橋梁知識對主梁的連續(xù)及非連續(xù)不同情況做了

3、對比，（單位力）a. 中間為簡支非連續(xù)梁在均布荷載下的彎矩圖： M圖b.中間為簡支連續(xù)梁在均布荷載作用下的彎矩圖: M圖 由上述受力分析可知在單位均布荷載作用下，連續(xù)梁的跨中最大彎矩較小，僅有1.04NM,但是支座處彎矩交大，為2.08NM；而非連續(xù)梁的跨中最大彎矩為較大的3.12NM，但是支座處彎矩為0。綜合考慮不同情況下彎矩的影響，我們選擇了中間連續(xù)梁的形式，因?yàn)檫@樣整個(gè)梁的彎矩承受較小，只需在支座處稍加強(qiáng)即可，達(dá)到節(jié)約材料、減輕自重的目的。C.移動(dòng)單位荷載作用下距左端1/8處截面彎矩影響線：（左右對稱）D.移動(dòng)單位荷載作用下中間支座處截面彎矩影響線：3.荷載簡化 由于計(jì)算機(jī)模擬分析紙質(zhì)橋

4、梁模型的局限性，我們對計(jì)算模型進(jìn)行了下列簡化和假定：1. 采用空間梁單元模擬桁架結(jié)構(gòu)；2. 車輪荷載按橫向線集度荷載在兩片主桁間進(jìn)行分配，等效為作用在縱梁上的集中荷載；3. 不考慮橋面板參與受力；4. 忽略橋面及橋面系局部加勁構(gòu)造的作用；5. 兩跨受力模式一樣，僅取一跨進(jìn)行計(jì)算分析。應(yīng)該承認(rèn)，上述簡化和假定會帶來一定的計(jì)算誤差。考慮到理論分析用于紙質(zhì)模型的指導(dǎo)性作用，這樣的簡化和假定是可以接受的。采用簡化計(jì)算模型，考慮將小車荷載轉(zhuǎn)化為加載在左右兩根縱梁上的移動(dòng)點(diǎn)荷載來計(jì)算，將總重為100N的小車荷載簡化為加載在兩根縱梁上的豎向點(diǎn)荷載，即左右兩個(gè)縱梁分別加載40N和10N的力，簡化后的等價(jià)小車荷

5、載模式如圖3所示。圖1 簡化后的小車荷載（單位：mm）4.模型單元編號桁梁模型單元的編號見圖2、圖3。鑒于縱梁的重要性，每節(jié)間的縱梁劃分為35個(gè)單元；為使計(jì)算便捷，將其余桿件均視作一個(gè)單元。圖2 縱梁單元編號圖3腹桿單元編號5.縱梁受力情況及撓度 腹桿單元可近似按軸心受壓構(gòu)件計(jì)算，根據(jù)Midas軟件的桁架單元內(nèi)力分析結(jié)果可知53號腹桿單元為控制單元；縱梁單元同時(shí)受軸向應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用，根據(jù)軟件的應(yīng)力分析結(jié)果可知68號梁單元為控制截面；跨中撓度的大小也為本次模型設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵因素。模型的53號、68號單元內(nèi)力和跨中撓度計(jì)算結(jié)果如表4所示：表4： 單元內(nèi)力和跨中撓度計(jì)算結(jié)果中心距5

6、3號腹桿軸力(N)68號縱梁軸向應(yīng)力(MPa)68號縱梁彎曲應(yīng)力(MPa)68號縱梁剪應(yīng)力(MPa)跨中撓度（mm）150mm61.62913.616.72.611.03 腹桿軸力 采用第四強(qiáng)度理論計(jì)算模型68號縱梁單元的相當(dāng)應(yīng)力： 6. 47號紙帶單元截面尺寸的選取基于浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的材料試驗(yàn)結(jié)果和補(bǔ)充試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并參考有關(guān)資料，擬定8mm寬的紙帶的性能參數(shù)如表5所示。表5 材料性能參數(shù)名稱層數(shù)面積彈性模量極限拉壓應(yīng)力（N/mm2）白卡紙110.38=2.4mm2113022.2/7.0白卡紙220.68=4.8mm2114544.0/14.0白卡紙330.98=7.2mm2160066

7、.0/21.0白卡紙441.28=9.6mm2196088.0/28.0橋梁模型結(jié)構(gòu)的各桿件單元采用不同層數(shù)的白卡紙制成，軟件分析計(jì)算中采用表6中所列參數(shù)。表 6 單元幾何參數(shù)表（單位：mm）項(xiàng)目材料截面形狀寬高厚縱梁白卡紙3矩形9100.9橫梁白卡紙2矩形9100.6腹桿白卡紙1矩形1060.3下弦橫聯(lián)白卡紙1三角形邊長為80.3紙帶四層紙帶白卡紙4矩形81.21.2三層紙帶白卡紙4矩形80.90.947號紙帶單元為桁架單元，主要承受拉力，由Midas分析結(jié)果得其軸力為126.87N。1) 選取一層白卡紙： ，不滿足要求；2) 選取二層白卡紙：，滿足要求；綜上可知，兩層8mm的白卡紙可以滿足

8、要求，但處于結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求和47號紙帶單元對結(jié)構(gòu)的重要性，最終我們選定47號紙帶單元采用三層8mm的紙帶。注：結(jié)構(gòu)承重驗(yàn)算應(yīng)包括結(jié)構(gòu)選型、計(jì)算簡圖、荷載分析、內(nèi)力分析、承載能力估算等（可加頁）。作品簡圖我們最終采用的方案結(jié)構(gòu)體系為兩跨簡支魚腹式桁梁橋，為無豎桿的三角形桁架，模型按1015mm1015mm等跨布置，全長2030mm，寬200mm。兩縱梁中心距為130mm，橋面板自縱梁外緣向外各懸挑30mm，實(shí)際通車橋面寬200mm?？v梁采用單箱截面，梁高10mm,箱寬9mm；橫梁也采用單箱截面，不等間距布置，梁高10mm，寬9mm；腹桿為不等節(jié)間布置，截面采用6mm10mm矩形空心管；下弦桿采用紙帶，尺寸高1.2mm，寬8mm；下弦跨中橫聯(lián)采用正三角形截面，邊長為8mm；橋面采用經(jīng)厚薄處理的