桥梁结构设计理论方案
作品名称
参赛学校
参赛队员、
专业名称
指导教师
大庆市大学生结构创新设计竞赛组委会
二○一一年
目录
1设计说明
根据本次大赛要求及所提供材料，本组成员秉承“安全、节省、承载力高、美观”原则，设计此桥梁“步步精心”结构模型。
桥梁以桁架结构为主体，尽量做到受力均匀，拉杆和压杆合理分布。
其中“杆件承载力充分利用和桥身自重轻”为此设计最大亮点。
1.1设计构思
在接到比赛要求最初，本组成员经过分析得出“材料本身承载力强、材质轻、只适合粘结”的结论，初步确定以“平面结构，主梁主要承力，桁架结构”为大体思路。
为减轻桥梁自重，我们决定尽量多用拉杆，但在模拟加载过程中，发现此想法难以实现。
遂改用另一种减重方式，即尽量使每根杆都受力均匀，所受最大拉（压）力和最小拉（压）力差值最小。
1.2结构选型
在确定“平面结构、主梁主要承力、桁架结构”为大体思路后，设计步骤如下：
①根据大赛尺寸要求，初步确定桥梁的跨度、高度和宽度；
②根据以往经验和资料分析，设计出桥梁大体模型；
③以实际情况为准，提取计算简图；
④利用结构力学求解器软件对结构进行模拟加载，计算出各杆所承受轴力及弯矩，以确定桥
梁各单元杆件截面尺寸；
⑤结合杆件密度，取最优荷重比。
1.3详细计算
1.3.1设计资料
根据大赛要求，可以确定桥梁跨度L=1300mm，净跨L0=1200mm，桥宽B=185mm，由经验和资料初步确定桥高H=150mm，竖向腹杆间距由比赛小车车轮中心轴距离确定，选为120mm。
1.3.2桥梁形式、尺寸及支撑布置
根据上述原则，最终确定桥梁如图1-1,1-2
图1-1正视图
图1-2俯视图
1.3.3基本假定
①节点粘结处按照铰接计算；
②支座简支；
③荷载取为竖直集中静荷载，分别作用在结点和单元上
④考虑动荷载影响，计算荷载取为实际荷载1.2倍；
⑤忽略桥本身自重，
⑥材料材质均匀。
⑦定义杆件单元和结点码，下文提到单元和结点码皆基于此定义
图1-4
1.3.4荷载模拟
①桥面板近似为均布荷载q=mg/l0=3×10/1300=0.0125N/mm
②一辆小车加砝码P’=120N，考虑动荷载影响P=1.2P’=144N
③一辆小车在两榀桁架上荷载分配的原则如图1-5
图1-5
P1=0.25P=36N
P2=0.75P=108N
考虑每辆小车轮距，将一辆小车及砝码的荷载简化为两集中力Q1和Q2
Q1=0.5P2=18N
Q2=0.5P1=54N
则桥梁计算简图如图1-6
图1-6
按照图1-6将计算简图输入结构力学求解器，将集中荷载依次作用在各单元中间位置，得出各杆件所受最大轴力和弯矩值，依次列在附表1-5，再将集中荷载依次作用在各结点位置，同样得出各杆件所受最大轴力和弯矩值，依次列在附表6-9，此数据作为设计最终依据。
1.3.5计算示例
材料性质：
木材 E=4
10Mpa ，抗拉强度f t =30MPa
查阅有关资料可知：木材抗压强度f c =30MPa ，抗弯强度f m =20MPa ，抗剪强度f v =2Mpa
从表1-9可知，杆件单元共分为三类。
一、受拉构件；二、受压构件；三、压弯构件。
以下每类杆件均举例说明计算过程，其余不再列出。
另在结构中还存在拉弯和受剪构件，因其对结构影响较小，在此忽略不计。
一 受拉构件，以单元1为例
A>
t f F =30
255=8.5mm 2 选截面2×6mm 的杆件 二 受压构件，以单元23为例 试选5×6杆件
i=
A
I
=62.5/30=2.1 λ=
i
l =192/2.1=133.02>75 ψ=3000/λ2=0.17 A>N/ψf c =
30
17.05
.100ｘ＝19.7mm 2
选5×6杆件合适。
三 压弯构件，以单元10为例 试选如图1-7截面
图1-7
由图1-7知： A=52mm 2，I
x =497.33mm 4
，i x =3.093mm ，I y =169.33mm4，i y =1.81mm ，W x =
h
I X
2=99.47 由图1-1知： L ox =l 0y =120mm 强度验算：
m X c W M A N f f ＋=20
9.047.996.1267309.0526.282ｘｘ＋ｘｘ=0.98<1 强度满足要求 刚度验算：
λx =I x /i x =120/0.093=38.8<[λ]=120 λy =l y /i y =120/1.81=66.3<[λ]=120
刚度满足要求 稳定性验算： A 平面内
K=
)1(f c
m Af N
W M ＋
=
30
9.0526
.2821(209.047.996
.1267ｘｘ＋
ｘｘｘ=0.489
Φm =（1-K ）2=0.261
Φ=1/[1＋(λ/80)2]=
2)
80
8.38(11
＋=0.81 N/(ΦΦm A)=
52
261.081.06
.282ｘｘ=25.71N/mm 2<f c =30 N/mm 2
B 平面外
N/(Φy Af c )+[M/(Φl Nf m )]2=
2)20
9.06.2826
.1267(309.052593.06.282ｘｘ＋ｘｘｘ=0.4<1
满足稳定性要求 图1-7截面适合。
其余各杆件算法与此相同，不再一一列出，以上公式皆取自《木结构设计规范GB50005—2003》。
最
终各单元截面选择见附表10、11。
2节点设计
2.1节点构思
经过实验，胶水粘结可以承受的力比材料本身的只强不弱，但考虑到构件用胶水粘结时，接触面积较小，为增加构件之间粘结强度，用1×55 mm木板做成垫片，辅助粘结。
同样原理，细杆与其他杆件连接时，不用正面粘结，而用侧面。
且为增加胶结强度，特别对结点粘结处进行砂纸打磨处理，以增加其摩擦力。
并对于多结点交接处，滴加更多胶水，以增加粘结力。
2.2节点详图
图2-1节点1实际详图
图2-2节点2实际详图
图2-3节点6实际详图
3设计总结
①结构整体采用桁架结构，既满足受力均匀的要求，同时又保证了计算、施工的方便；
②计算过程利用结构力学求解器软件，使结果更准确，为设计提供了有效依据；
③交点多的节点，采用1×55mm薄片做垫片，既充分利用了材料，又使节点承载力有了显著提高；
④桥梁中只承受拉力的单元做到了足够多，此设计较多的减少了桥身自重；
⑤施工精细，节点、杆件处理分毫不差，每根杆件都根据连接做出相应角度坡口，真正地诠释了桥梁的名字“步步精心”。
4破坏分析
①动荷载影响可能估计不足，实际加载过程中，可能因此破坏；
②节点胶水过少，或者因温度变化开裂，造成粘结强度降低；
③木材本身有结点，截面削弱，虫眼等因素；
④结构不对称，加载时整体失稳，发生脆性破坏。
附录
附表1 Q
附表5 Q1+Q2作用在单元9和10（见图附-5）
附表10 1—4和15—29杆件截面最终选用表
图附-1 图附-2 图附-3 图附-4
图附-5
图附-6 图附-7 图附-8
图附-9
19。