《土木工程结构建模与分析》

11/11土木工程结构建模与分析桥梁模型结构设计与制作计算说明书学生姓名学生学号学生年级2017级卓越班2017级卓越班2017级卓越班贡献比例33%33%33%2020年11月摘要土木工程结构建模与分析是土木专业生必修的课程，与其他理论性知识不同，这门课更注重实践和动手能力，同时也从侧面体现了学生对专业知识的掌握和运用。本文主要介绍模型基本参数的选择、设计准则、设计思路以及桥型选择、截面选择、模型制作等这几方面。本小组在设计中吸纳前人的工程经验并结合题目实际进行操作，在安全适用，经济美观的设计准则下，最终确定为简支梁柱体系。然后通过理论计算分析，CAD建模，结构力学求解器模拟，不断优化尺寸，不断试错改良，最终确定了我们模型的全部尺寸。关键词：简支梁桥，空心柱，建模目录第一章设计说明1作品简介1.1典型结构案例上部结构采用预应力混凝土T型截面简支梁，每跨7片梁。下部结构采用单排柱式墩，预应力混凝土T型截面盖梁;南岸为单排桩式桥台;北岸为肋板式桥台，高桩承台，钻孔灌注桩基础。1.2基本参数柱子：柱高80mm，直径：15mm主梁：长度1000mm，直径：15mm侧梁：长度250mm，直径：10mm支撑：长度，直径：10mm1.3设计思路板桥是常见的小跨度桥型，而本次题目要求跨度1米，桥宽250-400mm，非常符合要求。板桥具有施工简单，受力明确的特点，但也要考虑到其中部抗弯性能，其截面的抗弯性能不如T型梁好，所以应适当在中间加支撑，简单强化其薄弱之处，让受力更加均匀，节省材料。安全所有建筑结构的第一条例都是安全，安全重于泰山，其关乎国民经与生命安危，任何工程事故都是工程师的失责和失信，是职业道德所不允许的红线和雷区。本次虽然是模型制作，但也正是考验工程师职业素养的时候。所以，桥梁设计的第一要务便是承载能力极限状态的设计。为此，我们组细心考量柱子，梁的截面尺寸，先大致与题目要求比对，再进行计算得出参考值，考虑其各种破坏形式，组合多种不利荷载，选取最不利荷载设计，最后选定尺寸。安全不仅体现在设计上，更体现在制作上。模型制作，不同于工业生产，与制作者的手工水平有密不可分的关系。为保证各个部件达到设计时的标准，必然要求每一位组员精心选材，细心制作，一个组员做一批产品，以避免人为误差，但凡有一点瑕疵缺陷都会与最初设想相差甚远。出自同一人的构件差别虽小，但考虑不一定全面，这时还需他人人工复检，找出局中人不易察觉的疏忽点。适用适用是指能正常使用，即虽然结构不会发生强度破坏但也不能发生大变形，大震动等以至于使用者不能使用或不敢使用的状况。通常，在保证承载力条件的情况下一般能保证适用性。在本次设计中，为尽量减小跨中变形，特意在其中部加固。经济在保证安全适用的前提下尽量保证经济。安全和经济看似互相排斥，但它们却能在的力学条件下找到一个平衡点，比如截面可以依据各区段受力情况来改变大小。在模型制作中，我们在弯矩大的地方，剪力大的地方增加高度和厚度，而在小的地方适当地减小高度和厚度，这些便是经济的体现美观建筑一方面是为了使用，但现在人民生活水平提高，更渴望精神文明的滋润，所以另一方面还得注重美观，这让人们在使用过程中拥有愉悦的心情，也是桥梁工程师造福人民的体现。本模型采用对称设计，桥型修长，比例接近黄金比例，遮住节点处连接，整体感官更加整洁。2结构选型2.1模型结构选择在设计之初，一个桥梁的模型总会有无数种可能，但最后经过对比选优只会剩下一种情况。这便要求桥梁模型创想前期思维足够开阔，筛选后期才能依据建筑模型的几个准则得出最优解。本次题目中，限定了材料和大尺寸，根据所受荷载动静结合，再考虑到材料的受力性能和用料，我们组做出了以下对比：桥梁类型选择——梁桥悬索桥：纸条和真实悬索受力性能不同，没有绳子无法采用，大榄与索不方便连接，计算不方便。斜拉桥：同样没有绳子，纸条不方便连接，同时计算也复杂拱桥：纸拱制作复杂，受压性能也不好，容易塌陷。板桥：纸板抗压性能差，材料用料大。梁桥：传力路径明确，计算简便，形式美观，不妨碍中间过小车，方案易于修改，加固方便，拉压弯构件受力明确，用料较省，经济适用。2.2材料截面选择在材料给定的情况下，考虑截面形式其实更是对结构受力的考察。本模型采用梁柱形式，构件主要受弯受压。本应该按工程实际制作最符合力学性能的工字截面，但同时考虑到首次制作模型，手工技能有所欠缺，故采用易于返工，同时也容易制作的圆截面。柱子以受压为主，但稳定性问题也不可忽略，所以不仅要加厚柱筒壁厚，同时也得增大直径，为节省材料，我们采用空心柱。梁主要以受弯为主，同时也受较大剪力，可能在支座处发生局部承压破坏，故不仅要足够大的x轴惯性矩还需要加厚支座处，这也可抵抗支座负弯矩，故我们选择在实心圆筒的条件下加厚节点处和梁中点处。2.3模型结构图 3节点处理及制作3.1杆件拼接连接主梁与柱的连接：将柱从中间切开并用纸带加白乳胶缠接。主梁与次梁的连接：用纸带捆扎并用白乳胶粘接3.2节点连接纸带加白乳胶捆扎3.3细部节点用纸屑填塞空隙，加强整体刚度。4模型加载情况4.1静载加载情况4.2动载加载情况第二章设计计算1基本假定及模型建立计算基本假定：a结构模型所采用的纸张做出的结构连续，均匀；b梁与柱之间连接可靠，结点假设为刚结c与荷载相比不考虑桥梁本身自重模型建立：在CAD中做出模型。并在有限元软件建立节点与单元进行荷载计算。正视图侧视图2计算参数弹性模量（MPa）：1130极限拉压应力（MPa）：22.2，7.0荷载计算：桥面均布荷载取1，在四个节点上加载集中荷载13内力计算轴力图剪力图弯矩图4位移计算5承载力计算系数取1时，桥跨中间位移为3.21mm系数取2时，桥跨中部位移为6.42mm6模型破坏形态分析弯矩影响线剪力影响线通过对影响线的分析得到桥面跨中最易破坏。第三章总结与感悟土木工程建模与分析这门课程动手性学科，其实用性很强，和我们土木工程专业学习的专业知识有很强的联系。正所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”，学习的专业知识有很强的联系。正所谓“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。”模型设计大赛是检验我们专业知识水平的很好机会，是很及时、很有必要的。 这次作业是检验我们专业知识水平的很好机会，是很及时、很有必要的。 制作过程中，我不仅对所学的知识有了更深一步的认识，而且还提高了自己的动手能力，同时这次建模作业还为我们提供了一个深入学