结构设计竞赛说明书

1、 第一届辽宁省普通高等学校大学生结构设计竞赛设计方案 作品名称 蓄势待发（Ready to be launched） 学校名称 辽宁工程技术大学 学生姓名 纪恩宇 学号 0309020108 学生姓名 金明昌 学号 0309010306 学生姓名 龚文棋 学号 0309120103 指导教师 郑大为 联系电话二OO七年四月二十日目录第一篇 设计说明书一、设计概要二、结构材料分析三、特色说明第二篇 方案图一、整体布置图二、节点分析图三、方案效果图第三篇 计算书一、桥梁简图二、结构组成分析三、结构内力计算分析四、结构位移计算分析五、结构影响线的计算分析第一篇 设计说明书一

2、、设计概要这是辽宁省第一届大学生结构设计竞赛，赛事规格和学术水平均较达到一定的标准。这次竞赛旨在鼓励同学们充分发挥自己的想象力和创造力，多方面培养大学生的创新意识、合作精神，提高大学生的创新设计能力、动手实践能力与综合素质，丰富校园学术氛围，促进高校大学生相互交流与学习，培养科学的思维方法，严谨的工作态度，并且很好的将学术性与趣味性融合于一体。通过参加本次竞赛，我们收获很大，也许我们的作品并没能作到最佳设计，但我们确实付出了自己的努力。在确定模型方案的过程中，为了使结构在满足承载力要求的情况下自重尽可能轻，我们采用了优化技术，充分发挥材料的利用率。然后利用结构力学求解器进行受力分析，并依据得到

3、的结果对结构破坏形式进行分析，并针对对此采取一定的措施，进而使自己的方案设计趋于完美。1、方案构思本次设计竞赛给了我们一个拓展自己创新能力的空间和平台，在方案构思与模型制作过程中，我们深深体会到了一个美的创造者与追求者的收获与自豪。从美学角度来说，桥梁在满足功能要求的前提下，要选用最佳的结构型式纯正、清爽、稳定。质量统一于美，美从属质量。美，主要表现在结构选型和谐与良好的比例，并具有秩序感和韵律感，过多的重复会导致单调。重视与环境协调，材料的选择，表面的质感，特别色彩的运用起着重要作用。模型检试有助于实感判断，审视阴影效果。美丽的桥梁应以其个性对人们产生积极的影响。美和伦理本是相通的，美的环境

4、将直接陶冶人们的情操，大自然的美，人为环境的美，对人们身心健康是必需的。我们将在今年完成大学本科的学业，走向工作岗位，经过大学四年的学习生活，我们基本达到了本专业的本科教学要求，现在就象是一蓄势待发的弓箭，满怀信心和抱负，想要在本行业的相关领域取得相应的成就。这次辽宁省首届结构设计竞赛是一场及时雨，又一次给了我们施展才华的舞台，让我们能够更好的把本科阶段所学的专业知识应用于实践。所以本次竞赛我们作了充分的准备工作，准备在竞赛阶段取得好成绩。为了体现我们现在的心情，我们将此桥命名为“Ready to be launched”。2、方案的布局与功能张弦梁结构最早是由日本大学M.Saitoh教授提出

5、，是一种区别于传统结构的新型杂交结构体系。张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系，其结构组成是一种新型自平衡体系，是一种大跨度预应力空间结构体系，也是混合结构体系发展中的一个比较成功的创造。张弦梁结构体系简单、受力明确、结构形式多样、充分发挥了刚柔两种材料的优势，因此具有良好的应用前景。张弦梁结构的受力机理为通过在下弦拉索中施加预应力使上弦压弯构件产生反挠度，结构在荷载作用下的最终挠度得以减少，而撑杆对上弦的压弯构件提供弹性支撑，改善结构的受力性能。“Ready to be launched”桥的上弦的压弯构件采用拱梁，在荷载作用下拱的水平推力由下弦的抗拉构件

6、-绳来承受，减轻拱对支座产生的负担，减少滑动支座的水平位移。由此可见，张弦梁结构可充分发挥高强索的强抗拉性能改善整体结构受力性能，使压弯构件和抗拉构件取长补短，协同工作，达到自平衡，充分发挥了每种结构材料的作用。二、结构、材料分析1、结构分析：张弦梁结构在充分发挥索的受拉性能的同时，由于具有抗压抗弯能力的拱而使体系的刚度和稳定性大为加强，并且由于张弦梁结构是一种自平衡体系，使得支撑结构的受力大为减少。如果在模型制作过程中采用适当的方法分级施加预拉力和分级加载，将有可能使得张弦梁结构对支撑结构的作用力减少到最小限度。张弦梁结构是现在比较新颖的结构形式，结构由刚度较大的抗弯构件（又称刚性构件，我们

7、用的是梁）和高强度的弦（又称柔性构件，我们用绳代替索）以及连接两者的撑杆组成;通过对柔性构件施加拉力，使相互连接的构件成为具有整体刚度的结构。为减少材料用量和加强结构的整体性，我们采用图示梁的分布形式：2、材料分析：其中上弦杆采用白卡纸卷成的空心杆，拉索采用腊绳，中间连接构件也采用白卡纸卷成的空心杆。（1）、（2）作为一个整体，采用1094×30mm2白卡纸卷成空心杆；（5）采用两张250×20 mm2白卡纸，卷成空心杆，也在下端挖槽（绳绑扎点）；（3）、（4）是受拉体系，采用腊绳代替，以充分发挥其抗拉性能，和抗弯性能极大的上弦杆通过竖杆连结，形成整体刚度较强的张弦梁结构。

8、三、特色说明张弦梁结构的整体刚度来自抗弯构件截面和与拉索构成的几何形体两个方面，是种介于刚性结构和柔性结构之间的半刚性结构，这种结构具有以下特征：（1）承载能力高张弦梁结构中索内施加的预应力可以控制刚性构件的弯矩大小和分布。例如，我们的模型的刚性构件为梁，在梁跨1/2处设两个撑杆，然后这两个撑杆之间用一根横杆连接，以达到稳定的效果，撑杆下端与梁的两端均与索连接，在集中荷载作用下，单纯梁内弯矩; 在索内施加预应力后，通过支座和撑杆，索力将在梁内引起负弯矩。（2）使用荷载作用下的变形小张弦梁结构中的刚性构件与索形成整体刚度后，这一空间受力结构的刚度就远远大于单纯刚性构件的刚度，在同样的使用荷载作用

9、下，张弦梁结构的变形比单纯刚性构件小得多，主要由于此结构具有自平衡功能。当刚性构件为拱时，将在支座处产生很大的水平推力。索的引入可以平衡侧向力，从而减少对下部结构抗侧性能的要求，并使支座受力明确，易于设计与制作。（3）结构稳定性强张弦梁结构在保证充分发挥索的抗拉性能的同时，由于引进了具有抗压和抗弯能力的刚性构件而使体系的刚度和形状稳定性大为增强。同时，若适当调整索、撑杆和刚性构件的相对位置，可保证张弦梁结构整体稳定性。（4）建筑造型适应性强张弦梁结构中刚性构件的外形可以根据建筑功能和美观要求进行自由选择，而结构的受力特性不会受到影响。张弦梁结构的建筑造型和结构布置能够完美结合，使之适用于各种功

10、能的大跨空间结构。（5）建筑经济张弦梁结构布置简单，只有梁和索两种构件，结构用材少，达到经济的效果。第二篇 方案图一、整体布置图：二、结点构件详图：跨中结点：支座结点的绑扎：下弦跨中结点：三、 方案效果图：第三篇 计算书一、桥梁简图：1、小车作用在整个结构跨中时：2、小车作用在第一跨跨中时：二、结构组成分析：不必考虑大地及其支座刚片 1 由以下杆件构成：(1) (2) 由二元体规则,将杆件(3) (4) 加入到刚片 1刚片 1 由以下杆件构成：(1) (2) (3) (4) (5) 结论:此结构为有多余约束的几何不变体系,结构多余约束数:1 ,自由度数:0三、结构内力计算分析：1、当小车作用在

11、整个结构跨中时，其结构内力分布如下表：杆端内力值 ( 乘子 = 1) 杆端 1 杆端 2 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩 1 -2.79658969 -0.63603053 0.00000000 -2.79658969 -1.63603053 -402.608699 2 -2.79658969 1.63603053 -402.608699 -2.79658969 0.63603053 0.00000000 3 3.23998608 0.00000000 -0.00000000 3.23998608 0.00000000 0.00000000 4 3.23998608 0.00000

12、000 0.00000000 3.23998608 0.00000000 0.000000005 -3.27206106 -0.00000000 0.00000000 -3.27206106 -0.00000000 -0.00000000其弯矩图如下：跨中最大弯矩是M3=482.61KN·m<MMAX综上，结构承载力满足要求。2、当小车作用在第一跨跨中时，其结构内力分布如下表：杆端内力值 ( 乘子 = 1) 杆端 1 杆端 2 单元码 轴力 剪力 弯矩 轴力 剪力 弯矩 1 -2.27492095 0.16915045 0.00000000 -2.27492095 -1.830

13、84955 -454.474702 2 -2.27492095 0.83084955 -454.474702 -2.27492095 0.83084955 0.00000000 3 2.63560730 0.00000000 0.00000000 2.63560730 0.00000000 -0.00000000 4 2.63560730 0.00000000 -0.00000000 2.63560730 0.00000000 0.00000000 5 -2.66169910 -0.00000000 0.00000000 -2.66169910 -0.00000000 -0.00000000其

14、弯矩图如下：跨中最大弯矩是M3=454.47KN·m<MMAX综上，结构承载能力满足要求。四、结构位移计算分析：1、当小车作用在跨中时，其结构位移如下表：杆端位移值 ( 乘子 = 1) 杆端 1 杆端 2 单元码 u -水平位移 v -竖直位移 -转角 u -水平位移 v -竖直位移 -转角 1 0.00000000 0.00000000 0.17044039 -0.01369920 52.5868686 -0.00000000 2 -0.01369920 52.5868686 -0.00000000 -0.02739839 0.00000000 -0.17044039 3 -

15、0.01369920 52.6915745 -1.49893936 0.00000000 0.00000000 1.66969205 4 -0.02739839 0.00000000 -1.66969205 -0.01369920 52.6915745 1.49893936 5 -0.01369920 52.5868686 -0.00000000 -0.01369920 52.6915745 -0.00000000其中位移图：结构最大竖向位移发生在（3）结点跨中，V=52.69<VMAX结构最大转角位移发生4结点，=1.670，满足要求。2、当小车作用在第二跨跨中时，其结构位移如下表：杆

16、端位移值 ( 乘子 = 1) 杆端 1 杆端 2 单元码 u -水平位移 v -竖直位移 -转角 u -水平位移 v -竖直位移 -转角 1 0.00000000 0.00000000 0.12422289 -0.01114378 52.6175610 0.03165926 2 -0.01114378 52.6175610 0.03165926 -0.02228757 0.00000000 -0.18754140 3 -0.01114378 52.7027354 -1.49892212 0.00000000 0.00000000 1.66970928 4 -0.02228757 0.00000

17、000 -1.66970928 -0.01114378 52.7027354 1.49892212 5 -0.01114378 52.6175610 -0.00000000 -0.01114378 52.7027354 -0.00000000其中位移图：结构最大竖向位移发生在（3）单元跨中，V=52.69<VMAX结构最大转角位移发生4结点，=1.670，满足要求。五、结构影响线的计算分析：1、（2）单元距离杆端1 1/10的截面的影响线图：2、（2）单元距离杆端1 1/10的截面的影响线数据：单位荷载方向 = 向下影响线性质： 单元 = 2 截面 = 0.1000 内力 = 弯矩(M)

18、杆端虚位移值 ( 乘子 = 1) 杆端 1 杆端 2 单元码 u -水平位移 v -竖直位移 -转角 u -水平位移 v -竖直位移 -转角 1 0.00000000 0.00000000 -0.22429513 0.02140101 0.25704217 0.45000000 2 0.02140101 0.25704217 0.45000000 0.04280202 0.00000000 0.12429513 3 0.02140101 0.09346958 0.00014436 0.00000000 0.00000000 0.00014436 4 0.04280202 0.00000000 -0.00014436 0.02140101 0.09346958