结构设计计算书2

桥梁结构模型设计方案设计概要**桥，全长99.cm,19.5+60.0+19.5cm,主跨跨径60cm，从跨19.5cm。设计荷载为15Kg。根据设计要求和材料特性，主跨设计为上承式拱桥，边跨为悬臂体系，在拱与梁体之间，用竖向撑杆支撑。桥面板系顺桥向刚度为零，横桥向刚度无穷大钢板条体系，故在设计时只需要验算顺桥向的下挠。梁体为平面桁架体系。I-1-50--"「Jl-FO-iL2HI-1-50--"「Jl-FO-iL2H1.图中标注单位羯为mm1材料的力学性能1.1桐木1.2腊线2结构选型3荷载分析3.1梁体和拱体自重3.2桥面板自重3.3小车自重4内力分析4.1梁的内力分析4.2拱的内力分析5结构承载能力复核和估算5.1梁的抗弯承载能力5.2拱的承载力复核5.3全桥承载能力估算附件一：梁的力学模型附件二：拱的力学模型1材料的力学性能1.1桐木根据试验分析数据，每次试验有三到四组试验数据，剔除无效的数据，采用有效数据的平均值，根据弹性理论计算桐木的弹性模量E。拉伸试验：⑴2*2木杆：去除第三组偏差较大的数据E1=F*L/(AL*A)=168.714*70/(2*2*2.5307)=1166.67MPaE2=F*L/(AL*A)=178.0272*70/(3”f”2：259S)=1378.65MPaE=(E1+E2)/2=1272.66MPa⑵2*5木杆：E1=F*L/(AL*A)=471.1845*70/(^”5”3.3002)=867.93MPaE2=F*L/(AL*A)=462.1775*70/(=”5”331?)=844.29MPaE=(E1+E2)/2=856.11MPa⑶2*10木杆：E「F*L/(AL*A)=404.9354*110/01。”2,7133-)=820.83MPaE2=F*L/(AL*A)=694.5129*110/0住■三沱53：)=1279.33MPaE3=F*L/(AL*A)=203.97*110/(=iu"LMD=645.47MPaE=(E1+E2+E3)/2=915.21MPa⑷3*3木杆：E1=F*L/(AL*A)=281.436*70/J“己.d,oH1)=611.27MPaE2=F*L/(AL*A)=314.277*70/(厂厂s「d)=379.84MPaE3=F*L/(AL*A)=299.169*70/QJ■nd»)=321.56MPaE=(E1+E2+E3)/2=437.56MPa(5)3*5木杆：去除第三组偏差较大的数据E1=F*L/(AL*A)=515.566*70/(：.j「f|；.)=658.83MPaE2=F*L/(AL*A)=1085.104*70/("「7.**)=676.11MPaE=(E1+E2)/2=667.47MPa(6)4*6木杆：去除第三组偏差较大的数据E「F*L/(AL*A)=976.335*70/°“口“4bUJJ)=608.18MPaE2=F*L/(AL*A)=798.416*70/(京)=485.60MPaE=(E1+E2)/2=546.89MPa由以上计算数据可以得出，截面越大，计算得到的弹性模量越小。这是由于木材内部的缺陷导致的，桐木截面面积越大，截面越对称，所含的缺陷对弹性模量E的影响越小。因此，我们取弹性模量E=600MPa。此外，根据木材的拉伸、压缩试验，压杆试验及弯曲试验的试验结果，我们还可以得出以下结论：、桐木的顺纹抗压强度比抗拉强度低，因此用桐木做拉杆能够更好的利用材料。4*6木杆的抗弯强度比抗压强度降低很多。要充分利用材料，使之受拉较好。桐木强度指标的离散性大，变异性强。由于内部结构不均匀导致的应力集中所致。尤其是抗拉强度，因此受拉杆件宜采用较大的安全系数。在计算桐木的弹性模量时，要充分考虑这个影响因素，选用有效的实验数据。桐木在受压时，在某个较小力值范围内会产生很大的变形；当变形到达一定数值时，桐木所能承受的压力急剧增大，但此时变形却很小。桐木为各向异性材料，顺纹方向与横纹方向受力性能差异较大。制作中要避免横纹受力。1.2腊线。根据试验数据，由公式E=F*L/(AL*A)计算出腊线的弹性模量，在试验数据的取值方面，由于多股腊线由单股腊线人工搓捻而成，因此多股腊线的受拉承载力受人为因素的影响，故在数据的选取中我们取保守值。(1)单股腊线D!,4575-4-01«v-s..1LI11D!,4575-4-01«v-s..1LI11计算单股腊线的弹性模量：E=F*L/(AL*A)=37.2539*200/G■1-.EH5)=1323.566MPaoq,s.】巳]&zo曲盟示I-g由伐[4_mm/iDin力佰■宰71.56N/Soq,s.】巳]&zo曲盟示I-g由伐[4_mm/iDin力佰■宰71.56N/Sr肆有三思计姓怛器有用■司口1最太力试验时间能Wo.JIWIL5199.3554247-SE=F*L/(AL*A)=90.905*200/(三■『7、”.3.03)=2194.309MPa4(3)三股腊线

盅上I三也I计算三股腊线的弹性模量：盅上I三也IE=F*L/(AL*A)=114.6968*200/^“『7、L&751?)=3178.822MPa

4(4)四股腊线Q.6.]Z.]E.墉-支评曲姥稣速度1皿/ndn.扣•值诚率；-0.1N/S4||・康M禺人:nunQ.6.]Z.]E.墉-支评曲姥稣速度1皿/ndn.扣•值诚率；-0.1N/S4||・康M禺人:nun试蝴间.珠海三思计丑杖器脚尘■司王节S2算9.5333虚拟■度盘|E=F*L/(AL*A)=153.4951*200/(二”号3MQ?)=3375.657MPa由以上的计算结果得知，由于人工搓绳的不确定性较大，不能保证多股腊线与单股腊线的弹性模量的倍数关系。因此，腊线的弹性模量：E=1323.566MPa2结构选型2.1斜张桥斜张桥，将桥面用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔，受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。其可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成斜拉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。斜拉桥是由许多直接连接到塔上的钢缆吊起桥面，斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成斜拉桥是将梁用若干根斜拉索拉在塔柱上的桥。它由梁、斜拉索和塔柱三部分组成。斜拉桥是一种自锚式体系，斜拉索的水平力由梁承受、梁除支承在墩台上外，还支承在由塔柱引出的斜拉索上。按梁所用的材料不同可分为钢斜拉桥、结合梁斜拉桥和混凝土梁斜拉桥。2.2悬索桥（吊桥）（suspensionbridge）悬索桥，通过索塔悬挂并锚固于两岸（或桥两端）的缆索（或钢链）作为上部结构主要承重构件的桥梁。其缆索几何形状由力的平衡条件决定，一般接近抛物线。从缆索垂下许多吊杆，把桥面吊住，在桥面和吊杆之间常设置加劲梁，同缆索形成组合体系，以减小活载所引起的挠度变形。悬索桥由悬索、索塔、锚碇、吊杆、桥面系等部分组成。悬索桥的主要承重构件是悬索，它主要承受拉力，一般用抗拉强度高的钢材（钢丝、钢绞线、钢缆等）制作。由于悬索桥可以充分利用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点，因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大，跨径可以达到1000米以上。按照桥面系的刚度大小，悬索桥可分为柔性悬索桥和刚性悬索桥。柔性悬索桥的桥面系一般不设加劲梁，因而刚度较小，在车辆荷载作用下，桥面将随悬索形状的改变而产生S形的变形，对行车不利，但它的构造简单，一般用作临时性桥梁。刚性悬索桥的桥面用加劲梁加强，刚度较大。加劲梁能同桥梁整体结构承受竖向荷载。除以上形式外，为增强悬索桥刚度，还可采用双链式悬索桥和斜吊杆式悬索桥等形式，但构造较复杂。2.3拱桥拱桥桥梁的基本体系之一，建筑历史悠久，外形优美，古今中外名桥遍布各地，在桥梁建筑中占有重要地位。它适用于大、中、小跨公路或铁路桥，尤宜跨越峡谷，又因其造型美观，也常用于城市、风景区的桥梁建筑。根据不同的分类标准，可以分为不同的类型。按拱圈（肋）结构的材料分：有石拱桥（见石桥）、钢拱桥、混凝土拱桥、钢筋混凝土拱桥。按拱圈（肋）的静力图式分：有无铰拱、双铰拱、三铰拱（见拱）。前二者属超静定结构，后者为静定结构。无铰拱的拱圈两端固结于桥台（墩），结构最为刚劲，变形小，比有铰拱经济；但桥台位移、温度变化或混凝土收缩等因素对拱的受力会产生不利影响，因而修建无铰拱桥要求有坚实的地基基础。双铰拱是在拱圈两端设置可转动的铰支承，铰可允许拱圈在两端有少量转动的可能。结构虽不如无铰拱刚劲，但可减弱桥台位移等因素的不利影响。三铰拱则是在双铰拱顶再增设一铰，结构的刚度更差些，但可避免各种因素对拱圈受力的不利影响。经过我们分析讨论，在斜拉桥，悬索桥，拱桥中按“实用、经济、安全、美观”的桥梁设计原则，比较三个方案的优缺点。决定选做拱桥模型。1、具有较大的跨越能力，充分发挥圬工及其它抗压材料的性能；2、构造较简单，受力明确简洁；3、形式多样、外型美观；拱式桥由拱上建筑、拱圈和墩台组成。在竖直荷载作用下，作为承重结构的拱肋主要承受压力，拱桥的支座既要承受竖向力，又要承受水平力，因此拱式桥对基础与地基的要求比梁式桥要高。拱式桥按桥面位置可分为上承式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥.由于结构设计规则中的规定，要有120X300mm的净空，而桥墩间距为500mm，所以我们选择上承式拱。3荷载分析本桥为上承式拱桥，全桥荷载主要包括静载和动载两个方面，静载包括梁体自重，桥面板自重和拱体自重，动载即小车的自重以及小车行进过程中所产生的冲击力。3.1梁体和拱体自重

查阅有关资料，取桐木密度P=0.5g/cm3为了计算方便，把拱体自重并入梁体自重之中。根据桥梁设计载荷简化原则，梁体和拱体自重应简化为一均布荷载q1。同时将梁看成为100X12.4X1.0cm3的桐木板m木二100X12.4X1.0X0.5=620g=0.62KgG木二m木Xg=0.62X9.8=6.1Nq1=G木/L=6.1/100=0.06N/cm3.2桥面板自重根据设计资料，可知桥面板的自重G板二m板Xg=2X9.8=19.6N根据荷载简化原则，可将桥面板的自重简化成一均布荷载q2q「G板/L=19.6/100=0.196N因此，作用在梁体的恒载可以简化为一均布荷载q=q+q=0.196+0.06=0.257N/cm=0.26N/cm3.3小车自重根据公路桥梁的有关规定和原则，将小车自重简化为一组集中力七和P2P1=P「（P-G板）/2=63.7N=64N轴距D=14cm4内力分析桐木弹性模量取E=600MPa；截面尺寸取空心矩形截面，其主要受力截面bXh=12mmX36mm（截面尺寸如图所示）那么，截面对中性轴的惯性矩I=2X（bXh3/12）=93312mm4截面抗弯刚度EI=600X93312Nmm2=55.9872X106Nmm2=559872Ncm2截面抗拉刚度，根据桐木力学性能实验确定EA=800N4.1梁的内力分析

4.1.1梁在恒载时的受力恒载主要是桥面板和自身重力，按照均布荷载q处理，q=0.26N/cm，受力如图0.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.260.26（注：途中均布力的单位为N/cm）支座反力R=1.6N（i=1，2，……，21）1边跨四组斜撑时截面在静载条件下的弯矩图（单位：Ncm）：-0.500.50-0.550.5争5t40-0.500.50-0.550.5争5t405-05405-05405-05405-05S405-05405-05405-05405-05E405-05405-05405-05405-05L405-0.550.55-.0W/..〜.Q.〜.Q.Q.Q.Q.Q.Q.Q.〜.Q.Q.Q.Q.Q.Q.Q.Q.Q.Q.QV/.—V/.9-0.500.500.220.270.270.290.220.290.270.270.270.270.270.270.270.270.270.270.270.27边跨四组斜撑时截面在静载条件下的剪力图（单位：N）0.51-0.61-0.66-0.65-0.65-0.65-0.61-0.66-0.65-0.65-0.65-0.65-0.65-0.65-0.65-0.65-0.65-0.65-0.65-0.65-0.65-0.65-0.64_°.69-0.51-0.794.1.2梁在动载时的受力4.1.2.1影响线做出每个单元中点处的影响线，由于结构对称，荷载对称，因此其对称界面的影响线也对称，所以，这里我们只需要做出梁左半边十个截面的影响线。弯矩77772）二单元弯矩1■■'\/Vv..iV-'|A1I11I111I11I11I剪力3)三单元弯矩剪力XI站成计立0I关闭计尊时I祀曲（H'l|单显密喊H折第□稣醐莘I|1莅二g£eiSSiB-曲右值:!!I1觑；I。制37厂~|yJff=|Q,tE3?jIIIII单fit函.EF|单元：UB*回肉圮附1期邸虬gn*＜：0B*i*q±：KK蛔iW.BE虐元：目Bffl用m：IS5]剪力剪力柚QD■戏响蜘■Kzj，无IE^mI"忸可固:5KHSBi莓面BD：jI1技胸；叵画口JCflH：|fl.4BgM|单就破日祈S卜三四距忏物|l/Ej|La--^BS淋：:-:lII1丁泗：|皿顺nI汨有血MMHj—|IIII?SA；|-o_5Mni~~|X5）五单元弯矩X6）六单元弯矩革革桃syi颇日器而国内力n五].的fnpn.元目陵而顼fwrvfii5|5十无距时Si|l性二〕|1A二£*：HED:誉西石11:|关闭©|计莫矿|痢妙|单元即锄伊f?：~，无是开丽|恍刁项:成瞄拓：es^i's:剪力XX5浙,—B二华无距?N51”£二阵:/|*1SBSS:UmSB:计欢，I|。!!r骊叩祜胄;师浏厂I两曰由;脂淞I1计迎心IX闻WttET]华是0sb口g内力rro~iXIVI9wIH旧rzrn'ijtJEfita1□—第*综_鬲....MN_僵曰监目一您首，I1:."SrSrX促<<£专『__-0职曜-官II!:」*rasi...e目-冒曰k*ma喜=,Sr弯矩剪力4.1.2.2最不利荷载的确定小车自重简化为轴重为64N的两个集中力，这两个集中力的间距为14cm,x根据没点处的影响线确定在动载条件下，梁的受力情况。单元号12345678910弯矩63.9255.3154.6954.6454.6454.6454.6454.6454.6454.64表2-1单位：Ncm表2-2单位：N单元号12345678910剪力38.4332.4632.0332.0032.0032.0032.0032.0032.0032.0025.5731.5431.9732.0032.0032.0025.5732.0032.0032.00注：剪力上面的数值代表左侧剪力；下面数值代表右侧剪力。4.1.2.3截面最大荷载根据梁在静载时所得到的内力图，弯矩和剪力图，和动载条件下的最不利荷载，计算处梁的弯矩包络图和剪力包络图单位：弯矩，Ncm；剪力，N单元号12345678910弯矩64.6156.0054.4755.1954.3555.1954.3755.1854.3755.18剪力38.5032.5032.0432.0032.0032.0032.0032.0032.0032.00弯矩包络图63.31Ncm剪力包络图4.2拱的内力分析载荷简图由于拱直接承受来在竖杆的压力，因此把两及桥面板的自重按照均分的原则，平均作用在每个结点处受力简图如下拱的位移图示根据图中所示，拱的最大挠度为0.82cm拱的轴力图根据图中，可以得出，拱的最大轴力为19.71N(压力)。5结构承载能力复核和估算根据桐木的压缩试验。i拱的轴力图根据图中，可以得出，拱的最大轴力为19.71N(压力)。5结构承载能力复核和估算根据桐木的压缩试验。i=P1/A1=22/(4X6)=0.92MPa。2=P2/A2=25/(3X5)=1.67MPa取桐木的最大压应力为1.2MPa，设计应力。s=0.6MPa,设计时考虑适当的折减系数B=0.6P=©s*(b*0.5h)上P=os*(b*0.5h)5.1梁的抗弯承载能力M「B[。x(bX0.5h)X(2h/3)]X2=0.6X[0.6X(12X0.5X36)X(2X36/3)]X2=3732.3Nmm=373.23Ncm因此，M>M正截面抗弯承载力富余系数n=(M—M)/Mfuudd=(373.23—65)/65=4.73富余量过大，调整截面尺寸如图所示那么截面抗弯承载能力M「B[。X(bX0.5h)X(2h/3)]X2=0.6X[0.6X(12X0.5X26)X(2X26/3)]X2=1946.88Nmm二194.69Ncm>M=65Ncmd正截面抗弯承载力富余系数―一〒^厂TOC\o"1-5"\h\zn=(M—M)/M06fuudd22=(194.69—65)/65=2.0卜：00』调整后的截面尺寸如图所示1245.2拱的承载力复核由于拱圈系桐木所制，我们参照圬工结构砌体拱的承载能力计算方法，并做以适当修改而来。y°NdWNu=BaAfd其中，y°为结构安全系数，取1.0Nd为轴力设计值，取19.71NB为折减系数，取0.8。为砌体偏心受压构件承载力影响系数，取1.0A受压（拉）截面面积fcd桐木抗（拉压）强度设计值，根据压缩实验，取1.2MPa根据拱的内力图，我们采用4X6和3X5的桐木制作拱圈，这里A=4X6=24mm2因此，拱的承载能力Nu=BaAfd=0.8X1.0X24X1.2=23.04N>19.71N5.3全桥承载能力估算根据拱体和梁体承载能力复核的结果，可以得出桥所能承载的最大荷载Pm=Punt=15X1.4=21Kg附件一：梁的力学模型结点，1,0,0结点,21,100,0结点填充，1,21,19,2,1单元，1,2,1,1,0,1,1,1单元,2,3,1,1,1,1,1,1单元,3,4,1,1,1,1,1,1单元,4,5,1,1,1,1,1,1单元,5,6,1,1,1,1,1,1单元,6,7,1,1,1,1,1,1单元,7,8,1,1,1,1,1,1单元,8,9,1,1,1,1,1,1单元,9,10,1,1,1,1,1,1单元，10,11,1,1,1,1,1,1单元，11,12,1,1,1,1,1,1单元，12,13,1,1,1,1,1,1单元，13,14,1,1,1,1,1,1单元，14,15,1,1,1,1,1,1单元，15,16,1,1,1,1,1,1单元，16,17,1,1,1,1,1,1单元，17,18,1,1,1,1,1,1单元，18,19,1,1,1,1,1,1单元，19,20,1,1,1,1,1,1单元,20,21,1,1,1,1,1,0结点支承，1,1,0,0结点支承,2,1,0,0结点支承,3,1,0,0结点支承,4,1,0,0结点支承,5,3,0,0,0结点支承,6,1,0,0结点支承,7,1,0,0结点支承,8,1,0,0结点支承,9,1,0,0结点支承，10,1,0,0结点支承，11,1,0,0结点支承，12,1,0,0结点支承，13,1,0,0结点支承，14,1,0,0结点支承，15,1,0,0结点支承，16,1,0,0结点支承，17,1,0,0结点支承，18,1,0,0结点支承，19,1,0,0结点支承,20,1,0,0结点支承,21,1,0,0单元荷载，1,3,0.26,0,1,90单元荷载,2,3,0.26,0,1,90单元荷载,3,3,0.26,0,1,90单元荷载,4,3,0.26,0,1,90单元荷载,5,3,0.26,0,1,90单元荷载,6,3,0.26,0,1,90单元荷载,7,3,0.26,0,1,90单元荷载,8,3,0.26,0,1,90单元荷载,9,3,0.26,0,1,90单元荷载，10,3,0.26,0,1,90单元荷载，11,3,0.26,0,1,90单元荷载，12,3,0.26,0,1,90单元荷载，13,3,0.26,0,1,90单元荷载，14,3,0.26,0,1,90单元荷载，15,3,0.26,0,1,90单元荷载，16,3,0.26,0,1,90附件二：拱的力学模型结点，1,0,0结点,2,5,5.76结点，3,10,10.24结点，4,15,13.44结点，5,20,15.36结点,6,25,16结点，7,30,15.36结点，8,35,13.44结点，9,40,10.24结点，10,45,5.76结点，11,50,0结点，12,0,5结点，13,5,10.76结点，14,10,15.24结点，15,15,18.44结点，16,20,20.36结点，17,25,21结点，18,30.,20.36结点，19,35,18.44单元荷载，17,3,0.26,0,1,90单元荷载，18,3,0.26,0,1,90单元荷载，19,3,0.26,0,1,90单元荷载,20,3,0.26,0,1,90单元材料性质，1,20,800,559872,0,0,-1结点，20,40,15.24结点，21,45,10.76结点，22,50,5单元,1,2,1,1,0,1,1,0单元,2,3,1,1,0,1,1,0单元,3,4,1,1,0,1,1,0单元,4,5,1,1,0,1,1,0单元,5,6,1,1,0,1,1,0单元,6,7,1,1,0,1,1,0单元,7,8,1,1,0,1,1,0单元,8,9,1,1,0,1,1,0单元,9,10,1,1,0,1,1,0单元,10,11,1,1,0,1,1,0单元,1,12,1,1,0,1,1,0单元,12,13,1,1,0,1,1,0单元，13,14,1,1