结构设计大赛之桥梁模型设计

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：文中从结构设计大赛的模型要求及比赛加载方式分析入手，提出桥梁模型的设计方案构思，选择结构方案．并进一步对模型进行了强度、刚度和稳定性受力分析。试验证明本次设计制作的桥梁模型非常坚固，承受极限荷载接近于封顶值50kg。

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计桥梁结构模型。桥梁结构模型设计尺寸要求为：桥面总长l000mln；桥面高不低于120toni：桥面总宽160～180rnITl；桥面净空高度不小于200toni：最大跨径不小于400mm。尺寸要求体现了桥梁设计的桥下净空和桥面净空等功能要求。比赛加载方式为动静载结合方式，初赛要求徒手将一辆l5kg的小车从桥头拉至最大跨的跨中位置．并在该位置停留不少于5S然后拉到桥部。模型不至于失效方可进入决赛。决赛采用跨中集中力加载方式，初始荷载为20，荷载增加梯度为5k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l5mm。小小桥模型须承受l5～50kg的重量，由此带来的跨中弯矩较大，承载亦不易。但更难控制的还是弯曲变形，挠度不超出15mln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用组委会统一提供的绘图纸、棉线和乳胶。主体材料为绘图纸．辅助材料为棉线和乳胶。单张的绘图纸只能承受少量拉力，不能作为受弯、受压构件，即使多张绘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．一种方法将纸卷成圆柱形．作成圆形梁和圆形柱：另一种方法将纸张切片叠成一定厚度并粘在一起．作成一定高度的薄梁．可以用作桥面的抗弯构件。但从整体结构上必须布置成纵、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)桥面或捆绑节点，增强节点强度。白乳胶主要起粘结作用。1．3结构选型与方案构思鉴于比赛的加载重量大。且挠度变形量控制严格，桥型结构不能采用单一的梁桥、拱桥、悬索桥，而必须采用组合体系桥梁。为使桥面平整，便于行车，主体结构采用梁式桥型。为了增强模型的整体抗弯强度和抗弯刚度．布置斜拉杆(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面．也可以采用桥墩加斜撑辅助支撑桥面。拱形结构受力合理．但制作困难。下部结构主要采用实心的圆柱形纸杆作桥墩．由于直径有限(直径大时耗材多)，难以保证桥墩的稳定性，而空心纸卷制作起来有困难．也不能提供足够的抗压强度，所以桥墩结构上必须加强各杆件的横向联系．以增强桥梁的整体稳定性。主孔纵向设计为梁式桥结合“A”型塔斜拉桥。主梁5片，横梁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，两侧各一个．中间设一撑杆加强两边“A”型塔的横向联系。“A”型塔采用三角形刚架结构．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”型塔下面构成桥梁的主孔。塔柱脚外各设一小孔作为边孔。

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，为保证桥墩的稳定性．三孔桥墩之问设水平杆加强联系．形成四边形框架结构，增强柱的稳定性。

1．4桥梁模型受力分析圆柱形纸杆可以承受一定的拉力和压力．可以作为受弯结构的梁。梁的抗弯强度很大程度上取决于梁高，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45k2的集中荷载时，简单的梁桥按跨度50cm计，结构须承受55N·m的弯矩．而纸杆梁高有限．结构无法承受这么大的弯矩。实际模型结构采用三孔连续结构并结合“A”型塔斜拉桥。“A”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。粗略计算结构实际承受弯矩为30N·m左右。若再考虑横梁的横向联系作用．将荷载较均匀地分配给5片主梁，则单梁承受的弯矩更小。合理的结构方案保证了结构足够的抗弯强度。实心圆柱纸杆具有一定的刚度．在荷载不大情况下．弯曲下沉的挠度较小。但要在跨中布置40～50的集中荷载，将挠度控制在15rrfn以内并不容易。事实上参赛的多座桥梁模型承载能力很大，但刚度不足．导致荷载不大(eo~3okg)情况下．变形超出15rrfn而失效。保证模型刚度足够的措施首先是主梁、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。其次，斜塔下垂吊刚性杆和柔性索，以抵抗跨中弯曲挠度。刚性杆比柔性索控制弯曲变形挠度能力强．因为柔性的棉线易伸长，斜拉或垂吊桥面时不易控制变形。但棉线基本不占重量．可用作辅助的斜拉索或吊索刚性杆只要在节点捆绑牢固，带来的变形极小。下部结构由四排双柱式桥墩构成。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定性不高。在荷载较大时。很容易导致桥梁整体承载力不足而失效。若在边孔内各排桩柱墩之间设水平杆联结。形成四力要比晴天阳光下（湿度约40%）时降低1/3左右。这是不利因素。

对于有准备的队伍来说，遇到这样的天气反而是一个机会。因为你如果掌握了使模型保持干燥的技巧，你就等于争得了先机，站在比别人更前的起跑线上。

使模型保持干燥有很多方法，例如在出发前用电吹风等使模型彻底干燥，用事先准备的塑料袋或薄膜甚至干燥的纸张等包起来带到赛场直到上交前才打开。这样你就能获得更轻的自重和至少增加5kg以上的承载力。总而言之，规则没有禁止的手段都是可以用的，大家开动脑筋各想办法吧。

5、掌握好比赛时加载的节奏和速度，对提高比赛成绩也有很大影响。

对同一个模型来说，加载的速度越快，其极限承载力就会越高。其原理就像一个举重运动员，靠爆发力可以举起很重的杠铃，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。

但是，如果一味求快，放弃达到规则规定的5秒钟（决赛时为10秒）读秒时间，一旦冲击失败，本级加载就是无效的，有可能损失惨重，这在上届比赛中是有深刻教训的。

比赛规则要求：第一级加载质量不小于15kg（决赛不小于20kg，均含加载装置），以后每级荷载增加梯度不小于5公斤，封顶荷载为50kg。每一次加载，裁判会在队员手离开该级最后一个砝码并示意后开始计时，模型在5秒钟（决赛为10秒钟）内没有失效即加载成功，可以进行下一级加载。根据加载工具的实际情况，预赛时第一级荷载为加载装置加上两小两大4个砝码，后面还有7个大砝码，每个5.1kg，可分多次加载。

因此，最佳的加载操作为：当裁判示意可以加载时，以最快的速度连续加上第一级的两小两大四个砝码，同时示意裁判计时，先拿到保底的分数。在读秒期间操作手可以将下一级砝码预先拿在手上，当读秒一结束荷载有效，便立即再加上一个砝码；副手可以在一旁传递砝