. 橋梁結構設計理論方案作品名稱 蔚然水岸 參賽學院 建筑工程學院 參賽隊員 呂遠 、 李麗平 、 李怡瀟 、趙培龍專業名稱 土木工程 一、方案構思1、設計思路 對于這次的設計，我們分別考慮了斜拉橋、拱橋、梁式橋和桁架橋的設計方案。斜拉橋可以看作是小跨徑的公路橋，且對剛度有較高的要求，所以斜拉橋對材料的要求比較高，對于用桐木強度比不上其他樣式的橋來得結實；拱橋最大主應力沿拱橋曲面而作用，而沿拱橋垂直方向最小主應力為零，可以很好的控制橋梁豎直方向的位移，但鎖提供的支座條件較弱，且不提供水平力，顯然也不是一個好的選擇；梁式橋有較好的承載彎矩的能力，也可以較好的控制使用中的變形，但橋梁的穩定性是個很大的問題，控制不了橋梁的扭轉變形，因此，我們也放棄了制作梁式橋的想法；而桁架橋具有比較好的剛度，腹桿即可承拉亦可承壓，同時也可以較好的控制位移用料較省，所以，相比之下我們最后選擇了桁架橋。 2、制作處理（1）、截桿裁桿是模型制作的第一步。經過試驗我們發現，截桿時應該根據不同的桿件，采用不同的截斷方法。對于質地較硬的桿應該用工具刀不斷切磋，如同鋸開；而對于較軟的桿應該直接用刀刃用力按下，不宜用刀口前后切磋，易造成截面破損。（2）、端部加工端部加工是連接的是關鍵所在。為了能很好地使桿件彼此連接，我們根據不同的連接形式，對連接處進行處理，例如，切出一個斜口，增大連接的接觸面積；刻出一個小槽，類似榫卯連接等。（3）拼接拼接是本模型制作的最大難點。由于是桿件截面較小，接觸面積不夠，乳膠干燥較慢等原因，連接是較為困難的。我們采取了很多措施加以控制，如用鐵夾子對連接處加強壓、用蠟線進行綁扎固定等。對于拱圈的制作，則預先將桿件置于水中浸泡并加上預應力使其不斷彎曲，并按照先前劃定的拱形不斷調整，直至達到理想形狀。在拱腳處處理時，先粘結一個小的木塊，讓后用鐵夾子施加很大的壓力，保證連接能足夠牢固。乳膠粘接時要不斷用電吹風間斷性地吹風，使其盡快形成粘接力，達到強度的70%（基本固定）后即可讓其自行風干。（4）風干模型制作完成后，再次用吹風機間斷性地吹粘接處，基本穩定后，讓其自然風干。（5）修飾在模型完成之后，為了增強其美觀性，用砂紙小心翼翼的將桿件表明的毛刺打磨光滑，注意不要破壞結構，以免影響其穩定。3、設計假定(1)、材質連續，均勻；(2)、梁與索之間結點為鉸結；梁與塔柱（撐桿）之間的連接為剛結；撐桿與下部拉條之間為鉸結；橋梁支座為連續彈性支座；(3)、橋面和橋梁本身質量以均布荷載作用在整個梁上；加載時，車輛移動荷載以集中力的形式作用在指定的梁上。(4)、桿件計算時采用結構的計算模式；根據以上假定，通過結構力學求解器建立計算模型，所得的內力和位移作為構件設計的依據。二、材料的力學性能1、桐木根據試驗分析數據,每次試驗有三到四組試驗數據，剔除無效的數據，采用有效數據的平均值，根據彈性理論計算桐木的彈性模量E。拉伸試驗： (1)22木桿：去除第三組偏差較大的數據E1=FL/（LA)=168.71470/(222.5307)=1166.67MPaE2=FL/（LA)=178.027270/(222.2598)=1378.65MPaE=(E1+E2)/2=1272.66MPa(2)25木桿：E1=FL/（LA)=471.184570/(253.8002)=867.93MPaE2=FL/（LA)=462.177570/(253.8319)=844.29MPaE=(E1+E2)/2=856.11MPa(3)210木桿：E1=FL/（LA）=404.9354110/(2102.713)=820.83MPaE2=FL/（LA）=694.5129110/(2102.985)=1279.33MPaE3=FL/（LA)=203.97110/(2.101.738)=645.47MPaE=(E1+E2+E3)/3=915.21MPa(4)33木桿：E1=FL/（LA)=281,43670/(3.3,3.581)=611.27MPaE2=FL/（LA)=314.27770/(336.4352)=379.84MPaE3=FL/(LA)=299.16970/(337.2362)=321.56MPaE=(E1+E2+E3)/3=437.56MPa(5)35木桿：去除第三組偏差較大的數據E1=FL/(LA)=515.56670/(353.6519)=658.83MPaE2=FL（LA）=1085.10470/(357.4596)=676.11MPaE=(E1+E2)/2=667.47MPa(6)46木桿：去除第三組偏差較大的數據E1=FL/(LA)=976.33570/(464.6522)=608.18MPaE2=FL/(LA)=798.41670/(464.7955)=485.60MPaE=(E1+E2)/2=546.89MPa由以上計算數據可以得出，截面越大，計算得到的彈性越小。這是由于木材內部的缺陷導致的，桐木截面面積越大，截面越對稱，所含的缺陷對彈性模量E的影響越小。因此，我們取彈性模量E=60OMPa。此外，根據木材的拉伸、壓縮試驗，壓桿試驗及彎曲試驗的試驗結果，我們還可以得出以下結論： 桐木的順紋抗壓強度比抗拉強度低，因此用桐木做拉桿能夠更好的利用材料。 46木桿的抗彎強度比抗壓強度降低很多要充分利用材料，使之受拉較好 桐木強度指標的離散性大,變異性強。由一于內部結構不均勻份致的應力集中所致。尤其是抗拉強度，因此受拉桿件宜采用較大的安全系數。在計算桐木的彈性模量時，要充分考慮這個影響因素，選用有效的實驗數據。 木在受壓時，在某個較小力值范圍內會產生很大的變形；當變形到達一定數值時，桐木所能承受的壓力急劇增大，但此時變形卻很小。桐木為各向異性材料，順紋方向與橫紋方向受力性能差異較大。制作中要避免橫紋受力。2、臘線根據試驗數據，由公式E=FL/（LA）計算出臘線的彈性模量，在試驗數據的取值方面，由于多股臘線由單股臘線人工搓捻而成，因此多股臘線的受拉承載力受人為因素的影響，故在數據的選取中我們取保守值。計算單股臘線的彈性模量：E=FL/(LA)=37.2539200/(14.6275)=1323.566MPa圖表資料(2)雙股臘線計算雙股臘線的彈性模量：E=FL/（LA）=90.905200/（21.5295）=2194.309圖表資料(3)三股臘線計算三股臘線的彈性模量：E=FL/(LA)=114.6968200/（18.75123178.822MPa圖表資料(4)四股臘線計算四股臘線的彈性模量：E=FL/(LA)=153.4951200/(23.6309)=3375.657MPa圖表資料由于以上的計算結果及圖表資料得知,由于人工搓繩的不確定性較大不能保證多股臘線與單股臘線的彈性模量的倍數關系。因此,臘線的彈性模量:E=1323.566 MPa三、方案立體圖四、計算書1、結構選型：我們所設計的橋采用的是空間組合形式，結構以梁承受抗彎，以腹桿承受抗壓抗拉。桁架橋結構應用桐木材料和線索柔性構件抗拉強度高的臘線，結構可以做到結構自重相對較輕，體系的剛度和形狀穩定性相對較大，因而可以跨越很大的空間。同時四棱錐式的設計有避免了結構受側向力和扭轉的影響,并可以使滿載時的小車可以順利通過。2、荷載分析 橋的主要承重為：橋面板和梁本身的重量和車輛移動荷載。（1）橋面板和梁本身的重量。桐木材料的平均重量為0.5g/cm平方，考慮乳膠及其他因素，將其擴大至N/M。橋梁長1660mm，經計算，橋梁自重約為g。將其設置為均勻荷載，經計算得q=1.3N/m，考慮乳膠及其他因素，將q擴大至q=2N/m（2）車輛移動荷載。通過做影響線確定梁、腹桿和臘線的最不利荷載位置，進而求出橋面梁和拉索的極限力和彎距。將小車在車輪與橋面接觸點簡化成2個集中荷載，同時車輛通過速度可控制，所以在任意時刻可以按靜載處理。這樣每條主梁同時受均布力及兩個集中荷載。小車質量=15kg。經過計算，每個集中荷載為N=73.5N另外在加載時會存在一定的動力效應，及加載時的不均勻性等不利因素的影響，采取