西南交通大学结构设计竞赛(桥梁承重组)

1、2016西南交通大学西南交通大学结构设计大赛结构设计大赛（桥梁承重组）（桥梁承重组）组号：B10B10作品名称：自锚式多塔张弦桁架梁悬索桥自锚式多塔张弦桁架梁悬索桥 目录目录 1.方案构思方案构思 2.结构设计结构设计 3.特色处理特色处理 4.加载模拟加载模拟 5.计算模型计算模型设计准则 1.符合赛题桥型要求、各尺寸要求与对材料使用限制的要求 2.在满足安全的条件下尽量少使用材料，以减轻桥梁自重和节约成本 3.注重结构美观、简洁方案构思方案构思对于本次结构设计，我们首先对赛题进行了详细分析，考虑到组委会提供的材料特点以及赛题对桥型的限制，从安全、耐用、美观的角度出发，我们选择了现在作为我国

2、大跨径桥最流行的桥型之一的悬索桥，悬索桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。为了明确体现组合形式，改进受力和合理性，我们选择了桁架梁与悬索两种桥型相结合。为了进一步优化受力结构和减轻桥梁质量，我们将桁架梁改为张弦体系的鱼腹式桁架梁以此来减轻桥梁自重和提高承载质量，考虑到桥梁的加载重量，我们采用自锚式。桥梁构思的方案选取桥梁构思的方案选取网格式分布T形横梁悬索和桁架梁组合加劲梁的优化设计结构设计结构设计1.按照赛题要求，我们选择悬索与梁的组合形式2.为了增加主梁的刚度，一般要设加劲梁，我们将加劲梁优化成桁架梁，并采用鱼腹式梁，充分发挥材料的作用，在此基础上，鱼腹式

3、桁架的各个下弦杆均受拉，我们将鱼腹式桁架的各个下弦杆换为索，并施以一定大小的预应力 ,形成张弦桁架梁结构 ,利用下部拉索的预应力产生的反向弯矩, 抵消上部重荷载产生的弯矩,从而调整结构内力。3. 为了减小最大弯矩，我们将桥设为等跨的三跨，桥的全长为1785mm，桥面宽为240mm，主梁为三根，每根主梁由两块长1785mm，高15mm的PVC条粘贴而成，横梁采用15根T型梁来支撑桥面、传递荷载以及为此主梁的侧向稳定，悬索桥采用多塔形式，在考虑桥梁自重和赛题要求的最大加载量的情况下，我们将左右塔设置成为独塔不连接形式也能满足加载要求，并在有支座的地方布置。特色处理特色处理1.横梁采用T形小横梁，在

4、保证桥梁刚度的同时，保证了桥面与梁的接触面积，使桥面更安全不下陷，并且有效的减轻了桥体的质量。2.节点采用节点卡，有效防止杆件脱落，如下图所示：3. 加劲梁采用鱼腹桁架梁，并将桁架下弦拉杆改为拉索 ,并施以一定大小的预应力 ,形成张弦桁架梁结构 ,利用下部拉索的预应力产生的反向弯矩, 抵消上部重荷载产生的弯矩,从而调整结构内力。使得加劲梁质量大大减小，结构受力更为合理。4.主缆采用橡胶圈连接，为施加震动荷载时提供足够的缓冲，保证震动加载成功。加载模拟实验加载模拟实验在做正式参赛作品前，由于三跨完全一样，我们选取一跨，做了两次进行试验，由于没有标准砝码，我们用石头代替，经测量石头总重为14.87

5、kg，超过了最大荷载，经加载试验可以看见在要求加载范围内，模型完全能够承受住，且挠度也在小范围内。我们根据加载情况进行了尺寸修正，来确保以最轻的质量承载赛题要求的荷载。模型计算模型计算桥梁三跨等跨，且结构形式一样，由于施加震动荷载时，小车停留位置在中跨中间，且两次加载过程中小车在此处停留时间最长，故只取中跨进行研究，以便受力分析和强度计算。可以将梁简化为理想桁架结构，由桁架结构可知，各杆均只受轴向力，负值表示压力，正值表示轴向拉力，由于桁架下弦杆改为连续绳索结构，故可认为其受力大小均相等，且受拉力，各杆件所受内力图如下图所示：由于各杆均受在轴向力作用，因此只需要校核抗拉抗压强度.=FN/A 对

6、于上弦杆：A=4*15=60mm2 FN=-134.62N =-2.24MPa对腹杆：A=4*6=24mm2 FNmax=-81.8N =-3.41MPa综上|max=3.41MPau=8MPa 故强度满足要求。极限位移计算（单位荷载法）由单位荷载法求得中点位移为由于我们主梁可以看作三个平面桁架组成，由T形梁将荷载的力均匀分担给三根主梁，故桥的整体挠度应该为： 梁的最大挠度小于赛题规定的15mm，满足赛题要求。利用Midas Civil 821 建模分析对于静力荷载，可以直接在每跨跨中施加6kg的等效荷载，即60N的节点荷载。对于小车产生的动荷载，由于定义较为负载，为了简化计算，采用静力荷载工

7、况，计算小车移动中最不利位置附近时的受力情况。下图是在MIDAS中分析出的结构在静力荷载作用结构的位移等值线图，从图中可以清晰地看到最大位移量为2.34mm，发生在边跨的跨中位置附近。最大应力发生在边跨跨中附近的下翼缘，最大值1.7MPa。 下图是在Midas中分析出的结构在小车荷载处于最不利位置时的位移等值线图，从图中可以清晰地看到最大位移量为5.39mm，发生在中跨的跨中位置附近。最大应力发生在中跨的跨中附近的下翼缘，最大值2.76MPa。 综上：利用Midas分析时，梁上的最大应力为2.76MPa,小于PVC的抗拉强度30MPa,最大位移量为5.39mm,小于赛题限制的15mm。 经过手算与Midas模拟得出的结果均表示桥能加载成功，由于评分时质量得分占据的比例比较大，因此我们选择该种质量较轻的设计方案。参考文献 1结构力学,杜正国主编，西南交通大学出版社 2材料力学I第五版，孙训方、方孝淑、关来泰主编，高等教育出版社 3 “张弦梁结构在桥梁工程中的应用”，黎明、 杨晖，工业建筑2008年第38卷增刊，401-405 4 “鱼腹式梁结构在桥梁