历届结构设计竞赛优秀作品选登(桥梁.).doc

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1、图 1-2 河北赵州桥历届结构设计竞赛优秀作品选登（桥梁结构设计）历届结构设计竞赛优秀作品选登（桥梁结构设计）岸芷汀兰岸芷汀兰鲍凯曼、邰鲍凯曼、邰 昊、吴小亮昊、吴小亮1 1、设计说明书、设计说明书方案构思方案构思唐朝诗人杜牧一首阿房宫赋，以浓墨重彩之渲染，为世人勾绘出一座前所未有、 宏伟壮观的宫殿建筑群，而“项羽焚烧阿房宫”的扑朔迷离，更是让这座“空中楼阁”成 为人们魂牵梦绕的千古之谜。 “长桥卧波，未云何龙？覆道行空，不霁何虹？”长桥卧波的妩媚，点缀了这座富丽 堂皇的神秘宫殿，也成为后世造桥人心怀向往的审美典范。 于是，在阿房之后，有了西子湖里的断桥残雪，有了颐和园里的玉带涟漪，有了“天

2、下第一桥”赵州桥立千年而不倒的雄齐伟岸！ 桥，因水而生；水，以桥而名。 于是，我们在府南河上，架起这座“不霁何虹”的长桥，在“岸芷汀兰”的淡淡幽香 里，在天府蓉城的淡妆素裹里，去追寻阿房宫的堂皇，去诠释美的定义。1.1 结构选型结构选型构思跃然纸上，我们开始迫不及待地选择结构型式。为了能实现承载要求，我们做了 以下几个方案分析： 1.1.1 拱形结构拱形结构 拱桥造型优美，非常吻合我们的构思。力学上其适于承受均布荷载，但考虑到木材的 脆性，拱圈不易制作，而分段拼接的方式又增加了节点，自重增加。该结构为备选模型之 一，见图 1-3。 1.1.2 三角桁架结构三角桁架结构 在跨中集中荷载作用下，采

3、用稳定性较高的三角形桁架，非常符合加载要求，且挠度控制 较好，因此是备选方案之一。见图 1-4。 1.1.3 鱼腹形桁架结构鱼腹形桁架结构 拱形桁架结构，结合了拱和桁架二者的优点，造型较为优美。但杆件较多，节点也复 杂，考虑到木材的特点，制作复杂。见图 1-5。 1.1.4 最终选型最终选型图 1-1 颐和园玉带桥图 1.2 河北赵州桥经过反复试验和甄选，我们决定从构思出发，以拱形为基本要求，结合桁架的特点， 我们采用了如下结构型式。1.21.2 材料试验材料试验1.2.1 木材强度与含水率木材强度与含水率 经过查阅资料，我们发现：木材顺纹抗拉强度最高，抗弯、顺纹抗压强度稍差。由于 木材的不均

4、匀性，决定了其许多性质的各向异性，在强度方面尤为突出。 木材含水率在纤维饱和含水率以下时，含水率越高，强度越低:含水率在纤维饱和含水 率以上时，木材强度基本无变化。 为了避免含水率变化对材料变化带来不利影响，木桁架尽可能采用干燥的木材。 1.2.2 实际工程节点连接形式实际工程节点连接形式 在实际工程中，木结构节点的连接如图 3.2 所示。轻型木析架结构分析按照简化方法 模型得到杆件内力，设计时，轴力取杆件两端轴力;弯矩取杆件跨间和两端弯矩的最大值。 轴力的方向取为杆件几何中心线一致图 1-3 中承式拱桥图 1-4 三角桁架图 1-5 鱼腹形桁架图 1-6 最终模型图 1-7 实际木结构节点形

5、式1.2.3 木材的力学性能木材的力学性能表 1-1 木材顺纹力学性能（变异较大）内容标准值/MPa弹性模量7000 120000抗拉130抗压45 70抗弯90 140抗剪7 15注：表中数据仅为相对大小的参考值，不可用于精确力学计算。1.31.3 结构设计结构设计表 1-2 各杆件尺寸表 编号截面积/mmmm长度/mm木材颜色 1600 浅 2600 浅 3620 深 4620 深 5550 深 6550 深 7454 浅 81003 浅 9341704 浅 101.54608浅1.41.4 制作工艺制作工艺1.4.1 截杆截杆 裁杆是模型制作的第一步。经过试验我们发现，截杆时应该根据不同

6、的杆件，采用不 同的截断方法。对于质地较硬的杆应该用工具刀不断切磋，如同锯开；而对于较软的杆应 该直接用刀刃用力按下，不宜用刀口前后切磋，易造成截面破损。 1.4.2 端部加工端部加工 端部加工是连接的是关键所在。为了能很好地使杆件彼此连接，我们根据不同的连接 形式，对连接处进行处理，例如，切出一个斜口，增大连接的接触面积；刻出一个小槽， 类似榫卯连接等。 1.4.3 拼接拼接 拼接是本模型制作的最大难点。由于是杆件截面较小，接触面积不够，乳胶干燥较慢 等原因，连接是较为困难的。我们采取了很多措施加以控制，如用铁夹子对连接处加强压、 用蜡线进行绑扎固定等。对于拱圈的制作，则预先将杆件置于水中浸

7、泡并加上预应力使其 不断弯曲，并按照先前划定的拱形不断调整，直至达到理想形状。 在拱脚处处理时，先粘结一个小的木块，让后用铁夹子施加很大的压力，保证连接能 足够牢固。 乳胶粘接时要不断用电吹风间断性地吹风，使其尽快形成粘接力，达到强度的70%（基本固定）后即可让其自行风干。 1.4.4 风干风干 模型制作完成后，再次用吹风机间断性地吹粘接处，基本稳定后，让其自然风干。 1.4.5 修饰修饰 在模型完成之后，为了增强其美观性，用砂纸小心翼翼的将杆件表明的毛刺打磨光滑， 注意不要破坏结构，以免影响其稳定。1.5 特色处理特色处理2 2、设计计算书、设计计算书2.12.1 计算模型计算模型2.1.1

8、 支座简化支座简化 由于模型加载条件为跨中竖向集中荷载。结构整体变形表现为受弯。考虑平衡的极限 状态，我们假定底座为四个简支制作。如图 8.1.1 所示。 2.1.2 杆件简化杆件简化 各杆件均采用 3mm4mm 矩形截面。分析材质选用较为均质的 steel，其中由于不考 虑自重影响，将密度设为 0 kg/m3。 2.1.3 荷载简化荷载简化最大加载值 F M a x=15/2=7.5 kg。2.1.4 模型建立模型建立 运用 AutoCAD 建立模型，保存为 dxf 文件导入 SAP2000 软件进行模型的荷载计算和受 力分析。2.22.2 荷载分析荷载分析图 8.4.1 结构模型图带槽的小

9、木块，类似榫卯结构受拉腹杆采用双片薄木片对夹的形式连接树皮作节点板，剪成翅膀状，贴合构思图 1-8 特色节点处理横向水平荷载大小控制在 4.5k4.5kg 左右，以两个集中荷载的形式对称加载（各 2.25kg2.25kg, 即 22.5N22.5N）在模型顶部。通过对单个杆件的理论计算，总体看来要保证结构不破坏，主要 是要解决好杆件的受压失稳和各节点的受力情况。2.32.3 内力分析内力分析图 1-10 截面轴力图图 1-11 剪力图 2=2图 1-9 结构模型图2.42.4 承载能力估算承载能力估算由于受到制作误差的限制，我们估计的最大承载力在 15kg，达到满载，但挠度会较大。2.52.5

10、 破坏形式估计破坏形式估计1、拱脚处的木块粘接力不够，推力将其剪开，导致丧失承载力； 2、受拉杆被拉断； 3、受压杆受压失稳破坏； 4、结构侧向稳定性不够，受扭破坏。 【参考文献参考文献】 【1】增田一真（日）著，任莅棣译 结构形态与建筑设计 中国建筑工业出版社 2002.11【2】Mechanics of Materials (美)J.M.盖尔著 机械工业出版社 【3】Engineering Mechanics STATICS Andrew Pytel Jaan Kiusalaas 著 清华大学出版 社 【4】结构概念分析与 SAP2000 应用 彭俊生 罗永坤 主编 成都：西南交大出版社

11、2005.10做大一点，成拱桥做大一点，成拱桥,做三层，中间一层用多做三层，中间一层用多 个小圆柱个小圆柱, 然后再下面放一个架子撑住然后再下面放一个架子撑住。图 1-12 剪力图 3=3图 1-13 扭矩图图 1-14 弯矩图 2-2图 1-15 弯矩图 3-3把纸折成正六边形就可以了，最坚固，然把纸折成正六边形就可以了，最坚固，然 后再做成拱形。六边形和拱形都是很稳的后再做成拱形。六边形和拱形都是很稳的 结构，飞机翼的内部也有六边形的结构。结构，飞机翼的内部也有六边形的结构。把纸裁剪成小块把纸裁剪成小块 做成一个个小纸桶做成一个个小纸桶 几个纸筒粘合在一起做成捆绑几个纸筒粘合在一起做成捆绑

12、 立住当桥墩立住当桥墩 并排纸筒粘合在一起并排纸筒粘合在一起 成子弹带装成子弹带装 做桥面做桥面 如果桥面承重不到标准如果桥面承重不到标准 可以在上面多铺一可以在上面多铺一 层层 讲究点的可以用纸捻成很细的纸绳做出拉讲究点的可以用纸捻成很细的纸绳做出拉 索（看看金门大桥那样）索（看看金门大桥那样） 这样是最节约纸张就最大受力的状态这样是最节约纸张就最大受力的状态http:/ 6197.htm先把纸卷成细的卷，要卷紧。这个卷能承先把纸卷成细的卷，要卷紧。这个卷能承 受的压力不会很大，而且越长承受的压力受的压力不会很大，而且越长承受的压力 就越小，越易被压坏。但是卷能承受的拉就越小，越易被压坏。但是卷能承受的拉 力是很大的，他们是调整结构把这些卷全力是很大的，他们是调整结构把这些卷全 变成受拉构件。在非要受压不可时，他们变成受拉构件。在非要受压不可时，他们 把纸卷截的短些，用很多细的纸卷在这个把纸卷截的短些，用很多细的纸卷在这个 受压的地方共同承受压力。具体方案我也受压的地方共同承受压力。具体方案我也 不知道，不过你可以根据这些自己想办法，不知道，不过你可以根据这些自己想办法， 我想你肯定行的。好像这个方案的指导老我想你肯定行的。好像这个方案的指导老 师是个博士！师是个博士！