桥梁结构设计大赛设计说明书

2013湖南工学院

结构设计竞赛

梦之桥

设计说明书

队名：筑梦队

队长：张欣宇

队员：刘慧红、肖正威

指导老师：陈高

队名:筑梦队

名字由来：

在我们都很小的时候，最喜欢做的事之一就是用泥巴或麻将或积木玩具等一些东西堆积出各种各样的造型和结构，堆好之后过会又推掉，每天还乐此不疲的堆着，我们儿时的梦想就简单到只想堆出一个自己满意的东西。而今天，我们参加结构设计大赛就是为了继续儿时的梦想：筑造一座让自己满意的桥！梦之桥！

桥名:梦之桥

名字由来：

梦，往往是由人们心里最好的想法组成的；

梦，往往也是人们想到而又不能达到的；

梦之桥，就是由我们心里最好的想法完成的实实在在的桥！

指导老师：

陈高湖南工学院建筑工程与艺术设计学院

设计小组名单：

组长：张欣宇 2011级土木工程专业1104班

组员：刘慧红 2011级土木工程专业1104班

肖正威 2011级土木工程专业1104班

联系人：张欣宇电话：182********

目录

一、方案的设计思路……………………………………………………

1.材料性能分析……………………………………………………

2.结构形式的选择…………………………………………………

3.结构尺寸的选择…………………………………………………

4.连接方式的选择…………………………………………………

二、制造工艺……………………………………………………………

三、其他特色方面说明…………………………………………………

四、模型构件说明………………………………………………………

五、模拟加载试验分析…………………………………………………

一、方案的设计思路

根据竞赛规则要求、支架形状、荷载加载方式、模型制作材料的性能和制作的方便程度等方面出发，我们采用白卡纸和白乳胶精心设计制作了“梦之桥”桥梁模型。

1.材料性能分析

通过对材料的反复试验，得出以下结论：

白卡纸：此模型设计的重点是抵抗集中荷载和动载过程对桥梁的曲面、断面、磨损以及弯曲等破坏。所以考虑到白卡纸具有良好的抗拉、压性能，

而且通过简易的构建制作，能够大大提高白卡纸的强度。组合成一

个具有良好结构体系的桥梁模型。发挥纸所体现出的钢的特性。

乳白胶：粘结力强，满足结构受力特点，使纸间紧密结合。缺点是湿度大，不易干燥，干燥后硬度强，但容易产生脆性破坏。在连接方式上，

截面粘接强度大概是侧面粘接强度的30%。

绳子：绳子弹性模量太大，伸长量太大，不易拉紧。拉结时易产生应力集中。

2.结构形式的选择

根据白卡纸的性能，我们拟定了以下几个方案

方案1：桁架结构桥梁

通过对桁架结构的认识，我们得出了桁架结构以下几个特点。

优点：桁架结构中各杆件受力均以单向拉、压为主，通过对上下弦杆和腹杆的合理布臵，可适应结构内部的弯矩和剪力分布。由于水平方向的拉、压内力实现了自身平衡，整个结构不对支座产生水平推力。结构布臵灵活，应用范围非常广。桁架梁和实腹梁（即我们一般所见的梁）相比，在抗弯方面，由于将受拉与受压的截面集中布臵在上下两端，增大了内力臂，使得以同样的材料用量，实现了更大的抗弯强度。在抗剪方面，通过合理布臵腹杆，能够将剪力逐步传递给支座。这样无论是抗弯还是抗剪，桁架结构都能够使材料强度得到充分发挥。更重要的意义还在于，它将横弯作用下的实腹梁内部复杂的应力状态转化为桁架杆件

内简单的拉压应力状态，使我们能够直观地了解力的分布和传递，便于结构的变化和组合。是一种非常适合制造桥梁的结构。

缺点：桁架结构主要缺点是横向刚度不够，并且，在这个课题中我们是要用白卡纸制造桥梁，白卡纸本生刚度也不够。另外，用白卡纸制造桁架时，节点处理非常复杂，很有可能出现荷载加上去后，因为某一节点破坏而整体失稳，所以对其制造工艺是一大挑战。

所以很有可能出现结构的理论可承受荷载值非常大，而实际可承受荷载值比预期小得很多的情况。所以我们不考虑桁架。

方案2：斜拉桥

斜拉桥又称斜张桥

优点：是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。

缺点：在本课题中，斜拉桥的关键点在于桥墩和拉索，于是我们针对材料所提供的绳子做了以下试验：

开始时先将绳子拉结于红色线圈位臵固定，然后不断的把绳子拉到附近固定点处，使绳子不断拉紧，当拉到已经不能再往其他固定点发展时（图中白线实际位臵），用手指勾住最近的两个固定点间绳子的中点位臵拉、压，均能轻松的使

变形量达到15mm。

通过以上试验，我们认为材料所提供的绳子不适合做为斜拉桥的拉索。

方案3：梁板结构

梁桥是以受弯为主的主梁作为承重构件的桥梁。主梁以孔为单元，两端设有支座，是静定结构。一般适用于中、小跨度，结构简单，制作方便。

而在诸多的梁桥形式中，我们着重分析了箱式梁桥。

箱式梁桥（或桁梁式桥）有坚固的横梁，横梁的每一端都有支撑。最早的桥梁就是根据这种构想建成的。他们不过是横跨在河流两岸之间的树干或石块。现代的桁梁式桥，通常是以钢铁或混凝土制成的长型中空桁架为横梁。这使桥梁轻而坚固。利用这种方法建造的桥梁叫做箱式梁桥。

箱形梁的受力特点

作用在箱形梁上的主要荷载是恒载与活

载。恒载一般是对称作用的，活载可以是对

称作用，但更多的情况是偏心作用的，因此，

作用于箱形梁的外力可综合表达为偏心荷

载来进行结构分析；在偏心荷载作用下，箱

形梁将产生纵向弯曲、扭转、畸变及横向挠

曲四种基本变形状态。详见图 2-4。

1、纵向弯曲

产生竖向变位w，在横截面上起纵向正

应力 M σ及剪应力 M τ。对于肋距不大

的箱形梁， M σ按初等梁理论计算，当

肋距较大时，会出现所谓“剪力滞效应”。

即翼板中的 M σ分布不均匀，近肋翼板处

产生应力高峰，而远肋翼板处则产生应力低

谷，这称为“正剪力滞”；反之，如果近肋翼板处产生应力低谷，而远肋翼板处则产生应力高峰，则为“负剪力滞”。对于肋距较大的宽箱梁，这种应力高峰可达相当大比例，必须引起重视。

2、刚性扭转

刚性扭转即受扭时箱形的周边不变形。扭转产生扭转角θ。分自由扭转与约束扭转。

（1）自由扭转：箱形梁受扭时，截面各纤维的纵向变形是自由的，杆件端面虽出现凹凸，但纵向纵维无伸长缩短，能自由翘曲，因而不产生纵向正应力，只产生自由扭转剪应力K τ。

（2）约束扭转：受扭时纵向纤维变形不自由，受到拉伸或压缩，截面不能自由翘曲。约束扭转在截面上产生翘曲正应力 w σ和约束扭转剪应力 w τ。产生约束扭转的原因：支承条件的约束，如固端支承约束纵向纤维变形；受扭时截面形状及其沿梁纵向的变化，使截面各点纤维变形不协调也将产生约束扭转。如等厚壁的矩形箱梁、变截面梁、设横隔板的箱梁等，即使不受支承约束，也将产生约束扭转。

3、畸变（即受扭时截面周边变形）

畸变的主要变形特征是畸变角γ。薄壁宽箱的矩形截面受扭变形后，无法保持截面的投影仍为矩形。畸变产生翘曲正应力 dw σ和畸变剪应力 dw τ。

4、横向弯曲：畸变还会引起箱形截面各板的

横向弯曲，在板内产生横向弯曲应力 dtσ（纵

截面上）。

5、局部荷载的影响：箱形梁承受偏心荷载作

用，除了按弯扭杆件进行整体分析外，还应考虑局

部荷载的影响。车辆荷载作用于顶板，除直接受荷

载部分产生横向弯曲外，由于整个截面形成超静定结构，因而引起其它各部分也产生横向弯曲。图 2-5表示箱形截面在顶板上作用车辆荷载，在各板中产生横向弯矩图。这些弯矩在各板的纵截面上产生横向弯曲正应力 c σ及剪应力。

根据竞赛规则要求、支架形状、荷载加载方式、模型制作材料的性能和制作的方便程度等方面出发，我们最终选定箱式梁桥为我们桥梁的主要结构形式。

我们又根据箱式梁桥的特点，设计了如图的两种箱式梁截面。

方案3.1 方案3.2 从受力体系分析，我们认为方案3.2更适合作为桥梁截面，于是我们制造出了一根试验杆进行加载试验，加载砝码块直至杆件失去其稳定性并对试验杆进行分析。

试验分析：杆件失稳的主要原因是由于受压的上表面被砝码块边缘压出肋痕，然后肋痕迅速发展导致杆件失稳。

而我们发现肋痕最深处为截面上表面的两个刚性角（如图）。

而方案3.1中的两根斜杆正好能支撑截面上表面的两个刚性角，于是我们最终选择方案3.1作为我们的梁截面。

此截面由4个独立的直三菱柱组成，每个三菱柱单独制作并卷两层，将4个三菱柱拼成方案3.1形式后，再在外面包3层纸。

3.结构尺寸的选择

根据比赛组委会给出的支座图示，我们将梁分为对称的两跨，每跨长600mm，在中间支座处进行搭接。支座至下压板净距为30mm，加上纸的厚度以及胶水缝所以三菱柱的内净高为25mm，宽为15mm。

4.连接方式的选择

通过对纸和白乳胶的性能分析得出：截面直接粘接的强度大概只有侧面与侧面粘接强度的30%。

所以两跨跨中的连接方式选定为套接（如图）。在中间用纸包两层，每层均涂满胶水。

两根梁的套接

在梁与梁的横向连接上增加一个横向的连接杆件，固定梁与梁的间距。

连接横杆

所有连接完成后：

连接好的整体

二、制造工艺

根据白卡纸和白乳胶的性能以及我们的反复试验总结出了以下一些工艺：1、折白卡纸时首先用小刀的背面在白卡纸上轻轻划出印痕，这样折叠才会出现

想要的菱角。

2、卷三菱柱时，第一次只在纸

上标记出3条边的长度，不

要一次把外面几层的尺寸全

标上，一层层来，折好第一

层时根据实际长度再画出下

一条边的尺寸，这样可以使

得卷出的三菱柱每一层都紧

紧贴合成一个整体，提高结

构的整体性。

3、杆件刚做完胶水还没干好时可用热风对着杆件吹，可以快速的使白乳胶发挥

它的粘性，但是在干得差不多后不能在用热空气烘干，必须放臵于自然通风处，因为白卡纸和胶水都有热脆性，如果一直热烘，虽然会很轻、很干、很硬，但是在加荷载时很容易直接发生脆性破坏。

三、其它特色方面说明

1、预应力微拱

根据比赛的加载形式，我们特意设计了让梁向上微拱（如图）。在加荷载的时候首先将抵消向上的微拱然后才向下弯曲，能有利的提高梁的抗弯性能。

制作方法：在梁刚刚包完，还没有完全定型前，通过在跨中及另一侧两端施加压力，使其微拱。

施加预应力

微拱

3、特色桥面

如图，桥面尺寸为200*600，满足竞赛要求的通行净空为200*200的条件，另外在桥面上用油性笔画出了双向4车道的柏油路面，增加了桥梁的观赏性。

四、模型构件说明

1、截面

1、2、3 主要起传递7的轴力与梁

的整体抗弯作用。

4、5 主要是支撑上表面的两个刚

性角以及传递轴力，加强结构的稳定性。

7 单跨通长的上表面，在梁整体抗

弯时提供压力，主要起抗压作用。

6 单跨通长的下表面，在梁整体抗

弯时提供拉力，主要起抗拉作用。

四根主梁

2、下滑块

由于下压板与我们的桥面存在高差，我们特意设计了如图的下滑块，针对加动载环节的小车，减少小车对桥的冲击荷载，使小车能比较平稳的开上桥。

3、连接横杆

连接横杆，共3根，主要用于构造以及控制两根主梁的间距，使小车的轮胎正好位于梁的上方。

连接横杆

四、模拟加载试验分析

由于考虑到比赛的规则，只能加载一次，所以我们必须知道我们的桥到底能承受多大的荷载，而这座桥是用纸和胶水制造的，所以实际肯定与理论存在差别，所以通过结构计算所得出的理论值不一定是我们结构所能承载的，而且比赛的时候什么情况都可能发生，所以，为了让我们的桥能加载其所能承载的最大荷载且为了能在比赛时更好的发挥出我们的水平，我们特意制造了两个试验梁来做模拟加载试验。

试验流程和数据的处理与分析：

1、将两根试验梁调好间距放在支座上；

2、在两根梁的跨中位臵加载25KG，记录跨中挠度变化值（3mm）；

3、拿去梁上荷载，记录跨中挠度变化（0mm，说明梁还处于弹性阶段）；

4、在两根梁的跨中位臵加载50KG，记录跨中挠度变化值（13mm）；

5、拿去梁上荷载，记录跨中挠度变化（5mm，说明梁已经产生塑性变形）

6、用小车加载40KG，从平台开往桥跨中并在跨中停留10秒（小车拖得非

常慢，所以动荷载实际为移动的静荷载，通过下滑块时速度无明显增加，但是在梁上行驶时，方向很难控制）；

7、在两根梁的跨中位臵加载80KG（在砝码堆放处的梁的上表面压出肋痕迹

并迅速发展，梁面严重失稳，导致无法再继续试验）。

模拟加载试验

加载80KG后梁上的肋痕

加载80KG后梁的侧面

通过对试验梁的分析，我们

的桥在加载80KG时，上表面承受

的均布静荷载变为砝码块边缘的

集中荷载，导致应力集中，从而

导致梁上表面压出明显肋痕，而

且肋痕迅速向下发展，虽然梁没

有直接断裂但是梁面严重失稳，

砝码堆严重摇摆，所以无法再进

行试验。

根据试验结果，我们得出我们的桥极限承重静载80KG左右，动载在40KG 时，桥无明显不良反应，但是小车极难控制，方向完全不能修正。