第五届大学生结构设计大赛计算说明书.docx
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第五届大学生结构设计大赛计算说明书
第五届大学生结构设计竞赛桥梁结
构设计理论方案
作品名称
参赛队员
渊虹
王明雪、谭亚琪
、代云龙、文杰、
高一
专业名称
土木、
土木、
机械、
机械、
土木指
导教师
王生武
交通大学结构设计竞赛组委会二0—三年
作品
简介
一、设计说明书
本次结构赛的题目要求用白卡纸、白胶以及绳子制作一双跨双车道的桥，所制作的桥梁在满足承重要求的同时，还对小车行驶过程中的跨中挠度提出了要求，以保证桥梁的正常使用。
与实际工程有所不同，我们不需要考虑桥梁在设计使用期的疲劳问题，只需要考虑强度与刚度的问题。
我们在研究了白卡纸的材料性能、参考了实际工程中的桥梁设计后，提出了备选桥梁形式的方案。
1、材料性能分析
1.1白卡纸
白卡纸的抗拉性能较好，单层纸的抗拉强度在30MPa左右。
反之，由于存在纸局部失稳的问题，纸的抗压性能相对较弱。
与钢材等各向同性的材料不同，纸属于各向异性的材料，其顺纤维方向的抗拉、抗压强度要比垂直纤维方向的弹性模量较大，通过试验可知其可以达到1400MPa~3200MPa可以较好地控制桥梁在使用过程中的变形。
1.2纤发丝线
绳子是较好的抗拉材料，质量亦比较轻。
但是绳子的初始弹性模量很小，对桥梁的变形控制不利；同时在制作中使用绳子不易控制绳子的紧程度，使用过程中绳子还存在松弛的问题。
通过以上对材料性能的分析，为了更好地控制桥梁的变形，
简化制作过程，我们决定放弃使用绳子，仅使用白卡纸作为桥梁的制作材料。
2、桥梁形式分析
实际工程中的桥梁多为斜拉桥（如浦大桥、徐浦大桥）、拱桥（如州桥、卢沟桥）、桁架桥（如长江大桥）、梁式桥、吊桥等。
结合题目，下面对几种较为可行的桥梁形式做一些分析。
2.1斜拉桥
斜拉桥是由承压的塔，受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系，可以看作是用拉索代替了支墩的一种多跨弹性支承连续梁形式。
斜拉桥属于柔性结构，在荷载作用下即可产生明显的变形，但是其可以有很大的跨度，实际工程中斜拉桥的跨径一般在300~1000m左右。
而这次的题目中要求制作的桥梁单跨跨径为一米左右，仅为小车长度的五倍，可以看作是小跨径的公路桥，且对刚度有较高的要求，所以斜拉桥并不合适于题目的要求。
2.2拱桥
拱桥是在竖直平面以拱作为上部结构主要承重构件的桥梁。
拱桥的最大主应力沿拱桥曲面作用，而拱桥垂直方向的最小主应力为零，可以较好地控制桥梁的竖直方向的位移。
拱桥比较适合于小跨度的公路桥，但是拱桥对于桥梁的基础要求，特别是水平方向的支撑要求比较高。
然而题目所规定的支座条件弱，且不能提供水平力，虽然拱桥适合于小跨度的桥梁，但是在这样的制作条件下，拱桥显然也不是一个好的选择。
2.3梁式桥
梁式桥是我们最初选择的桥梁形式。
在高跨比控制较好的前提下（1:
8~1:
12），梁式桥有较好的承载弯矩的能力，亦可以较好地控制使用中的变形。
以桥的主梁为工字形截面为例，若两车道各用两根主梁支撑，咼跨比为1:
8，那么在纸不失稳的前提下，各
主梁均只需要一层纸就可以满足承载力和变形的要求。
但是主梁的稳定性是个不容忽视的问题，若增加主梁所用纸的层数以提高主梁的稳定性，就可大大增加了桥梁的质量。
同时，各个主梁之间的联系不紧密，在偏心受压的情况下，还存在着扭转的问题。
鉴于以上问题，为了控制桥梁的用纸量和扭转变形，我们放弃了制作梁式桥的想法。
2.4桁架桥
桁架桥的结构体系中包括上弦杆、下弦杆和腹杆，上弦杆主要承受弯矩及压力，下弦杆承受拉力，而腹杆则可能交替承受拉力和压力。
桁架桥具有比较好的刚度，对于控制桥梁的位移比较有利。
在控制位移的同时，桁架桥对制作的要求相对比较低，在较弱的制作条件下就可以达到使用的要求。
制作桁架桥最大的优势在于用材比较省。
虽然桁架桥对于制作工艺提出了较高的要求，但是相较之下，是比较符合题目要求的桥梁形式。
经过以上的分析比较，我们决定选择桁架作为我们的桥梁形式。
3、设计思路
我们的桁架桥由四根桁架形式的主梁支撑，为了增强桥梁的整体性，减少其扭转变形，我们将同一车道的两根梁的下弦杆结合，成为一个矩形整体，部由斜支撑杆支撑，提高其稳定性，同时两个车道的矩形下部叶用桁架形式连接，使整座桥形成整体桁架。
在制作过程中，考虑到纸各向异性的特殊性，在制作过程中注意选取制作杆件及桥面纸方向很重要。
桁架桥的刚度可以很好的满足要求，在结构没有破坏的情况下，桁架的位移一般都不会超过所要求的围。
所以以下的计算分析将着重于桥梁强度的分析。
总而言之，我们的桥梁的设计思路就是将分散的杆件结合成一个整体的结构，用精细的工艺制作一个简单的桥梁。
在保证满足承载力和变形要求的前提下尽量减少用纸量，提高美观程度。
4、结构特色
在横向方向，我们结合桥梁的弯矩图，采用和弯矩图类似的形状设计整体结构，即鱼肚形结构，使桥符合力与美的结合。
同时桥梁主衡量采用近似1：
1.5的截面，使其既具有很好的抗弯能力，又能节省材料。
注：
作品简介应包括对方案的构思、造型和结构体系及其他有特色方面的说明（可加页）。
八计算说明书
桥结构的正视图:
P=IN
4
an】
rn1
P=1N
fcUIT
1
2
根据加载要求，小车车尾经过桁架结构中间位置时停止5秒,桁架结构受力简图如上。
结构近似为静定平面桁架，用定节点法计算轴力。
FyacFce
节点A受力分析图
由平衡条件可知：
艺Fx=OF=Fyac
艺Fy=0-FAB=FxAC
再利用比例关系
Fab=LabF/Lbc
对于节点C用截面法得：
以D点为矩心，列力矩平衡方程：
-FLad+FxceLbc+FyceLbd=0
再利用几何关系
FYCE=tan0Fxce
tan0=（Lde-Lbc）/Lbd
再以C为矩心，列力矩平衡方程
-FLab-FbdLbc=0
最后，利用投影平衡方程
艺Fx=O
艺Fy=0
Fbd+Fxce+Fxcd=0
F+Fycd-Fyce=O由上面几公式便可将轴力全求出，同理可求得桁架所有杆件的轴力。
在D，F处各加1N的力各杆件的受力为：
Fab=-1.458N
Fbc=0N
Fbd=-1.458N
Fac=1.867N
Fce=2.379N
Fcd=-1.1207N
Fde=-0.3904N
Fdf=-2.083N
Ffg=-2.083N
Ffe=-1.0N
Feg=0.6508N
Feh=1.699N
Fih=0N
Fgh=-2.480N
Fgi=-1.0416N
Fjh=1.334N
Fij=-1.0416N
2、弯矩计算及结构选型
假设梁为刚体设在D、F处各加1N的荷载
由力矩平衡方程可得：
艺M（A）=0
艺M（J）=0
解得AJ处的约束反力各为Fi=7/6、F2=5/6.
在AD段：
MAD=7X/6
在DF段：
MDf=7X/6-（X-Lad）=X/6+Lad
在FJ段：
Mj=5/6（Laj-X）=-5/6+5Laj/6
在D点：
Md=7Laj/18在F点:
Mf=10Laj/18
静载时的弯矩图如下图所示:
静载时其中一跨的受力分析如下:
Fqc剪力图如下图2：
7/6
当荷载作用于跨中时力影响线图如下图:
剪力的Fq影晌线图3
a2/l
弯矩的Me影响线图』
注：
结构承重验算应包括结构选型、计算简图、荷载分析、力分析、承载能力估算等（可加页）。
三、作品简图
桥结构主视图
桥结构俯视图
Lx
桥结构俯视图
整体结构效果图
注：
作品简图应包括结构整体布置图、主要构件详图和方案效果图（可加页）三维模型图样和受力演示（可选）。
附件2交通大学第五届大学生结构设计竞赛报名表
编号:
学院名称
土木与安全工程学院
联系人
王明雪
电话
手机Email710913273qq.
参赛作品名称
类别
序号
性别
专业
班级
参赛学生
1
王明雪
女
土木工程
113
2
谭亚琪
男
土木隧道
101
3
代云龙
男
机械
茅以升102
4
文杰
男
机械
茅以升101
5
高一
男
土木隧道
101
指导教师
1
王生武
男
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意见
负责人（签名或盖章）：
（公章）年月日
填写说明：
1、申请者不用填写编号，由组委会统一填写。
2、联系人填写仔细，以便联系。
3、每个队伍的参赛学生不超过5人，指导教师1人。
4、“学院推荐意见”由学院办公室或
学院团委填写并加盖公章。
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