结构设计大赛之桥梁模型设计

1、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：文中从结构设计大睿的模型要求及竞塞加载方式分析入手,提出桥梁模型的设计方案构思,园睪结 构方案.并进一步对模型进行了强度、刚度和稳固性受力分析。实验证明本次设计制作的桥梁模型超级牢固, 经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汁桥梁结构模型。桥梁结构模型设讣尺寸要求为：桥而总长1000mln；桥面高不低于120toni： 桥面总宽160180rnITl：桥面净空髙度不小于200 toni：最大跨径不小于400 mm。尺寸要求表现了桥梁设计的 桥卜-净空和桥而净

2、空等功能要求。竞赛加载方式为动静载结合方式，初赛要求徒手将一俩15 kg的小车从桥头拉 至最大跨的跨中位置.并在该位置停留很多于5S然后拉到桥部。模型不至于失效方可进入决赛。决赛采纳跨中 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5S。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小小桥模型 须经受1550 kg的重量，由此带来的跨中弯矩较大，承载亦不易。但更难操纵的仍是弯曲变形，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纳组委会统一提供的画图纸、棉线和乳

3、胶。主体材料为画图纸.辅助材料为棉线和乳胶。 单张的画图纸只能经受少量拉力，不能作为受弯、受压构件，即便多张画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.一种方式将纸卷成圆柱形.作成圆形梁和圆形柱：另一种 方式将纸张切片叠成必然厚度并粘在一路.作成必然髙度的薄梁.能够用作桥而的抗弯构件。但从整体结构上必 需布置成纵、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）桥而或捆绑节点，增强节 点强度。白乳胶要紧起粘结作用。1. 3结构选型与方案构思鉴于竞赛的加载重量大。且挠度变形量操纵严格，桥型结构不能采纳单一的梁桥、拱桥、悬索桥，而必需采纳组

4、 合体系桥梁。为使桥而平整，便于行车，主体结构采纳梁式桥型。为了增强模型的整体抗弯强度和抗弯刚度.布 程斜拉杆（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而.也能够采纳桥墩加斜撑辅助支撑桥面。拱形结构受力合 理.但制作困难。下部结构要紧采纳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 墩的稳固性，而空心纸卷制作起来有困难.也不能提供足够的抗压强度，因此桥墩结构上必需增强各杆件的横 向联系.以增强桥梁的整体稳固性。主孔纵向设计为梁式桥结合“A"型塔斜拉桥。主梁5片，横

5、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，双侧各一个.中间设一撑杆增 强两边型塔的横向联系。型塔采纳三角形刚架结构.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F而组成桥梁的主孔。塔柱脚 外各设一小孔作为边孔。平ffiT桥梁摸型上部结构（单位:cm）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，为保证桥墩的稳固性.三孔桥墩之问设水平 杆增强联系.形成四边形框架结构，增强柱的稳固性。1. 4桥梁模型受力分析圆柱形纸杆能够经受必然的拉力和压力.能够作为受弯结构的梁

6、。梁的抗弯强度专门大程度上取决于梁髙，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，结构须经受55 N m的弯矩.而纸杆梁高有限.结构无法经 受这么大的弯矩。实际模型结构采纳三孔持续结构并结合“A“型塔斜拉桥宀、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。粗略计算结构实际经受弯矩为30Nm左右。假 设再考虑横梁的横向联系作用.将荷载较均匀地分派给5片主梁，那么单梁经受的弯矩更小。合理的结构方案保 证了结构足够的抗弯强度。实心圆柱纸杆具有必然

7、的刚度.在荷载不大情形下.弯曲下沉的挠度较小。但要在跨 中布置4050的集中荷载，将挠度操纵在15rrfn之内并非容易。事实上参赛的多座桥梁模型承载能力专门大, 但刚度不足.致使荷载不大（co3okg）情形下.变形超出15 rrfn而失效。保证模型刚度足够的方法第一是主梁、 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。第二，斜塔下垂吊刚性杆和柔性索, 以抗击跨中弯曲挠度。刚性杆比柔性索操纵弯曲变形挠度能力强.因为柔性的棉线易伸长，斜拉或垂吊桥而时不 易操纵变形。但棉线大体不占重:1：.可用作辅助的斜拉索或吊索刚性杆只要在节点捆绑牢固，帯来的变形极小。 下部结构由四排双柱式

8、桥墩组成。尽管实心圆柱纸杆作桥墩抗压能力强，但由于杆细.单根或单排桩柱墩的稳固 性不髙。在荷载较大时。很容易致使桥梁整体承载力不足而失效。假设在边孔内各排桩柱墩之间设水平杆联结。 形成四边形框架结构。就能够够大大增强柱的稳固性。另外，两边“A”型塔加上横向联系。从桥底到桥顶支承 整个桥梁.大大提高了桥梁的整体稳固性。2制作工艺制作桥梁模型即相当于桥梁的施工进程，这是一个很关键的环右。制作工艺，毫无疑问在竞赛中很重要质量的 好坏直接决左了加载的成败。制作模型须以严谨的学术态度来对待，尺寸必需精准。模型净宽误差不超出±5 mm, 净空髙度不小于200 mm,这些都必需严格遵守，不然模型无

9、法加载。另外，模型中每一根杆件都需要依照长 度、厚度精准取好图纸，以保证尺寸准确。在制作进程中，还要注意节点捆绑牢固，在模型加重载时，节点不牢 固，直接致使变形过大。圆形纸柱想象起来容易，制做起来困难。图纸不容易卷实，而且容易偏斜。为了卷好每 一根杆件.模型组同窗做了多次实验，总结体会。以1. 5 cm外径实心柱为例：第一划好图纸，宽度可取100cm, 长度依构件长度而定，并在宽度每10cm处用铅笔轻划一些平行线作为操纵线。操纵圆形柱f梁） 两头卷速均匀。然后卷圆柱，两个同窗配合在O. 5 cm处折起并压紧，开始卷压并拉纸，还有一个同窗压着还 没卷到的地址，直到卷完，这是最关键的一步，这时一不

10、警惕，纸就会损坏而作废。在卷的进程中还需涂胶。涂 胶要快，可用一些小的厚纸片用来刷胶，涂胶分两次，待卷到一半处时涂一些胶，用以左位，卷到最后再涂胶封 口。3结语实验证明，本次设计制作的桥梁模型超级牢固，成功同意了 45的重荷载考脸。在加载5Ok2时，挠度略超出15 mm而失效。从竞赛的角度来看，本次设计的桥梁模型缺点在于跨径偏小，设计过于保守，有待于尝试大跨径桥 梁模型设汁。.这次竞赛为同窗们的理论知识与实践结合提供了一个良好的平台。通过结构模型的设计制作， 参赛同窗充分明白得了桥梁结构的构造原理和受力特点。提高和巩固了他们的力学知识、桥梁专业知识.增强了 大伙儿的学习爱好，同时也增强了他们的

11、动手能力和团队问的合作精神。活跃了大学生的科技创新气氛。我校的力学架构模型设计大赛已举行过量届了，也有了多次走岀去请进来竞赛的体会。为了使同窗们少泄弯路和 转头路，设计制作水平能在前人探讨的基础上不断创新提高，特在此将一些结构模型设计的体会及要点小结一下, 期望能对大伙儿有所帮忙。由于时刻关系及发觉真理的规律，不能一次写完，请留意更新。结构设计的大体原那么：平安、适用、经济、美观，完全适用于咱们的力学架构设计大赛：1、平安：应具有足够的强度、整体稳固和局部稳固结构的强度破坏一样发生在肖点处。要对节点进行加固，并采纳使节点处的拉、压杆件受力彼此平稳的节点 形式，构建和谐节点。如采纳让拉杆持续通过

12、，压杆切断但撑于节点上的形式。关于管状的空心杆件在受到局部 横向压力时，要在受压处用横隔增强。结构失去整体稳固而破坏的情形要多于强度破坏，专门是关于髙架桥如此的高个子结构。不要迷恋对称，对 称只是个传奇。侧向受力是幸免不了的，加载偏心、材料缺点都会引发侧向力，压杆失稳时会也产生侧向剪力。 设计时宜考虑有侧向力（大小能够取竖向力的1/30）与竖向力同时作用于加载点处。通过水平支撑和竖向支撑（均 为几何不变的三角形体系），将侧向力传递至基础。成立起强有力的维稳机制。截而较大的空心杆件会产生局部失稳问题，这时可采纳蜂窝型截面解决。2、适用：应知足建筑要求，有良好的工作性能竞赛前将有车、船模型作通过测

13、试，若是不能知足规那么对通航、通车及加载设备安装的要求，可能会直接 出局。尽管这种情形不常发生，但不能掉以轻心。如对规那么不明或有疑问，应及时向技术人员提出。变形过大会阻碍结构的利用，变形超限也是很多模型的失效模式。缘故是模型刚度不足，这和不了解材料性 能（如棉线变形过大是不适合做拉杆利用的），选择杆件截面尺寸不妥及节点设计失误有关。目前，由于材料的弹性模量较难测定等缘故，很难进行精准的变形计算。应注重实践， 多做实验比理论计算更重要，概念设计比计算结果更重要。另外，空气湿度对纸质模型强度和刚度的阻碍也十分显著，阴雨和回南天气参赛时宜采取防潮方法。3、经济：在知足上述要求前提下应最省材料要求在

14、知足必然承载力的条件下，尽可能减轻模型的自重。荷重比为模型最大承载重疑与模型自重的比值, 模型的承载重虽有封顶值，这就要求结构的自重应尽可能轻。设讣时宜依照计算内力的大小及性质（拉、压）来 选择杆件截面。制作时材料应精打细算，该用那么用，能省就省。讣算简图要准确，拉、压杆的判立很重要。可用截而法、盯点法、位移法作简单受力分析，较精准数值可利用淸 华大学结构力学求解器计算。应依照讣算结果大致分派各杆件的用料。杆件的截而不宜采纳实心，应采纳较开展又能知足局部稳固的截而形式。经常使用的截而形式有。字型、字型、 日字型、目字型、蜂窝型、三角型、扁管型等，可综合运用之。4、美观：尽可能显示结构之美.力量

15、之美。采纳传力准确、精练、稳固的结构形式，充分展现结构之美。结构形式有桁架结构（由三角型布宜的杆件通 过餃节点连接而成）、框架结构（由平行布置的杆件通过刚节点连接而成）、蒙皮结构等形式，可参考历届大赛的作品，参阅教材和请教教师。值得一提的是：盯点连接宜摒弃用棉绳捆扎的低级做法，而采纳全纸做的节点。必要时用纸片做成附加的传 力构件（专业上称为肖点板），不仅受力靠得住、重星轻，而且美观、符合工程实际做法，在决赛的模型制作工 艺评分中能拿到较高的分数。模型制作的技术：1、卷纸的工具能够用自制的木条、塑料片、到五金店买到的6mm直径钢条，还有到美术用品店上能够买到 的各类规格的塑料管。2、开料时应做好

16、打算，不该临时追加材料。可在电脑上按测量及计算的尺寸模拟开料，材料不够时要修改 设计或减少一些杆件的层数。3、由于参赛队伍众多，不可能在竞赛前都能借用加载设备来试加载。能够采纳如下一些简易的测试方式： 模型做好后，找一宽度等于加载钢板的木板放于模型上，由一体重不超过50kg的同窗垂直按压木板，或坐在椅子上水平轻推模型，若是结构显现明显晃动或变形，那么说明稳固性 或承载力不足，赶紧方式修改设计或加固。若是全压上去都不坏，说明结构有富裕，能够优化。4、竞赛时碰到下雨或潮湿天气的概率专门大，而竞赛日期一样是可不能改的，大伙儿所能做的，是提早做 好模型防水防潮方法。空气湿度对竞赛结果的阻碍是专门大的。

17、如下雨天测量室内的湿度是70%、室外的湿度是90%的话，依照 以往竞赛的体会，若是纸质模型长期無露在湿度如此大的空气中，承载力要比睛天阳光下（湿度约40%）时降低 1/3左右。这是不利因素。关于有预备的队伍来讲，碰到如此的天气反而是一个机遇。因为你若是把握了使模型维持干燥的技术，你就 等于争得了先机，站在比他人更前的起跑线上。使模型维持干燥有很多方式，例如在动身前用电吹风等使模型完全干燥，用事前预备的塑料袋或薄膜乃至干 燥的纸张等包起来带到赛场直到上交前才打开。如此你就能够取得更轻的自重和至少增加5kg以上的承载力。总 而言之，规那么没有禁止的手腕都是能够用的，大伙儿开动脑筋各想方法吧。5、把

18、握好竞赛时加载的节拍和速度，对提高竞赛成绩也有专门大阻碍。对同一个模型来讲，加载的速度越快，其极限承载力就会越高。英原理就像一个举重运动员，靠無发力能够 举起很重的杠铃，但要让他放慢速度的话，速度拖得越慢，能举起的重量就会越轻。可是，若是一味求快，舍弃达到规那么规泄的5秒钟（决赛时为10秒）读秒时刻，一日冲击失败，本级加 载确实是无效的，有可能损失惨重，这在上届竞赛中是有深刻教训的。竞赛规那么要求：第一级加载质量不小于15kg （决赛不小于20 kg,均含加载装置），以后每级荷载增加梯 度不小于5千克，封顶荷载为50kgo每一次加载，裁判会在队员手离开该级最后一个袪码并示意后开始计时， 模型在

19、5秒钟（决赛为10秒钟）内没有失效即加载成功，能够进行F级加载。依照加载工具的实际情形，初 赛时第一级荷载为加载装置加上两小两大4个磁码，后而还有7个大舷码，每一个，可分多次加载。因此，最正确的加载操作为：当裁判示意能够加载时，以最快的速度持续加上第一级的两小两大四个祛码， 同时示意裁判计时，先拿到保底的分数。在读秒期间操作手能够将下一级琏码预先拿在手上，当读秒一终I上荷载 有效，便当即再加上一个琏码：副手能够在一旁传递袪码以协助操作手，如此这般即能够最短的时刻加上尽可能 多的舷码。固然，没有最好，只有更好。若是你能大致判泄出模型的剩余承载力，冒必然的风险跳级加载（加上两个以 上的祛码才开始读秒讣时），就能够石约一点点读秒的时刻从而推高承载力。但一次不宜加太多，不然一旦失败 就杯具了。同窗们，在竞赛中发挥你们的主观能动性吧。作品的要求和比赛规則评分方法荷重与自重比值d80% fl设计说明10%模型工艺构思造型10%w " - HI三晶爲荷重比得