桥梁结构设计理方案
作品名称 方舟桥
参赛学校 黑龙江八农垦学
参赛队员
专业名称 土木工程 土木工程 土木工程
土木工程
指导教师
黑龙江省学生结构设计竞赛组委会
二○年
目 录
模型方案说明 1
1材料 1
2设计思路 1
3外形选择 2
4赛设计求 2
结构设计说明 2
1参考资料 2
2材料力学性估计 3
3结构选型 3
4截面选 4
5荷载分析 5
6力分析计算简图 6
7试验研究 9
8承载力估算 9
9破坏分析 10
模型方案说明
1材料
桐木502胶水实际制作程中常需木材涂胶材料实际木胶复合材料受拉时呈现线弹性脆性木材纹受拉弹性模量木材纹抗拉强度设计值
2设计思路
众周知材料受拉力情况够充分发挥强度结构设计中利木材抗拉性充分发挥502胶水较强抗剪力截面较开展木材较抗压力应桁架结构设计座质量承载力木桥采规矩形拼成工字型木杆作支撑桥面板梁利4*6矩形木杆作腹杆中竖杆受压应粘合薄木片作鱼腹式弦受拉构件桥面采梯形连接减少材料量
3外形选择
模型跨度：1200mm
模型长度：1300mm
模型宽度：180mm
模型高度：180mm
结构形式：梁—桁架组合结构
模型重量：13077g
4赛设计求
尺寸求
(1) 模型长度：模型效长度（悬空部分两侧升降台端部距离）1200mm两端提供竖侧支撑竖支撑边支撑长度070mm（起侧支撑作侧支撑挡板左右活动距离升降台边缘距离范围5070mm距离升降台边缘远70mm50mm模型端部支撑长度足50mm时提供侧支撑仅提供竖支撑）图2示
(2)模型宽度：模型效长度范围（中央悬空部分）模型宽度应180mm宽应超300mm支座范围宽度限应超320mm
(3) 模型高度：模型表面距离位置高度应超400mm方便车行驶中央起拱高度应超40mm（中央起拱高度指未加载时放置模型端部构件表面模型中央起拱高处构件表面距离）端部支座位置处高度应超150mm
22 结构形式求
结构形式没特定求桥面设置两车道车道宽90mm两车道间设行车导索车道间立柱拉索类构件
结构仅采竖支撑方式采竖侧时支撑方式实现约束果模型制作失误够完成约束加载果参赛队伍行承担
结构设计说明
1参考资料
结构设计赛细
木结构设计规范桥梁工程
2材料力学性估计
桐木作模型材料力学性特点受拉性良抗撕裂力差抗弯压力较弱木材粘合成横截面较材料承受定弯矩受长细限制压杆失稳状态受力破坏
502胶粘接性：木材粘接时原性质会发生改变木材变脆易断容易发生脆性破坏
3结构选型
根常见结构受力变形特点材料特性实验制作通较分析确定次赛模型
1）简支结构
简支结构承受力弯矩剪力选仅两根实腹简支梁形式材料抗弯抗剪力差导致结构承载力高
2）拱结构
拱结构受力较合理特采合理拱轴线形式拱构件成轴心受压构件易充分发挥纸受力特性赛求利支座提供水推力该力须结构身设置受拉构件承担模型制作难度表现弧形拱制作易造成构件产生初始缺陷致存产生失稳破坏隐患
3）桁架结构
桁架结构特点受力均轴拉压充分发挥材料性选复杂桁架时会出现结点杆件增加制作难度降低结构性
综分析选择较充分发挥材料性结构形式利桁架结构单元作基结构基础进行优化设计充分发挥纸带抗拉纸抗压特点终形成符合设计求组合结构
减结构复杂性减轻模型重量选择列两种结构形式进行较：
该方案杆件较结点数目较杆件长度减立杆截面形式采4*6杆节省定材料时杆间梁间距减
通计算试验较验证第二种方案节省材料时减轻模型重量满足梁承重求终选定第二种方案作参赛方案
4截面选
（1）两种支杆截面形式
考虑制作难度结构合理利贴实际选两种截面形式进行试验中图（a）纸制方图（b）纸制圆取相纸量制成两种截面形式进行加载试验
（a） （b）
方尺寸截面性质：截面侧14mm×14mm外侧15mm×15mm壁厚1mm部十字支撑9cm纸带折成实际截面面积A34
圆尺寸截面性质：径10mm外径12mm壁厚1mm实际截面面积A3454截面形心轴惯性矩I52674截面形心轴抵抗矩W3572
通加载实验较分析15kg轴压力作方较早出现局部失稳圆没出现明显破坏特征模型采圆作腹杆
（2）梁截面形式
梁采六三角形组合粘贴成中四三角形边长75mm等腰直角三角形两三角形边长1cm等腰直角三角形乳白胶接触面粘牢粘接稳定7cm宽100cm长纸带整梁包裹粘结防止加载程中组合三角形开裂失稳
5荷载分析
1结构重：
结构重超250g相外载20kg02520125重产生效应忽略计
2车重物静载：
车重物荷载作四车轮均传递桥面板桥面板传受力结构荷载空间四相固定间距移动荷载FG4
3车携带砝码行进程中速度慢似作静止荷载会产生水加速度结构产生竖水附加荷载似忽略
6力分析计算简图
1跨中施加集中荷载200N时受力分析图示：
图1 计算简图
单元（1）—（10）整体结点3—11均刚接结点12—17均铰接单元（23）—（29）纸带受拉受压受弯
单元编码
杆端1
杆端2
轴力01N
剪力01N
弯矩Nm
轴力01N
剪力01N
弯矩Nm
1
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0000
图2 弯矩
图3 剪力
图4 轴力
图5 位移
计算知极限荷载208kg左剪力100N右剪力100N左弯矩18Nm右弯矩18Nm挠度17676cm
2 端部施加集中荷载时受力分析图示：
图6 计算简图
图7 弯矩
图8 剪力
图9 轴力
图10 位移
计算知极限荷载208kg左剪力1696N右剪力1696N左弯矩30528Nm右弯矩30528Nm挠度17676cm
7试验研究
杆件试件进行加载实验时45mm宽1000mm长纸带少承受20kg集中荷载10cm正方形图纸卷成直径1cm圆少承受15kg轴压力
8承载力估算
根桥梁结构形式集中力作危险位置进行估计根杆件力图综合较：
加载车重量20公斤时：
横梁（1）—（10）集中力作跨跨中时受弯矩达36
（11）—（18）8压杆直受压力作杆件压力达150N
（19）—（22）四斜杆受拉力作拉力达200N车中间位置时斜杆受轻微压力作压力40N
弦纸带（19）—（25）直受拉力作集中力作7结点时拉力达500N
校核20kg移动荷载作理杆件均满足求压杆（14）（15）界力500N种加载情况会发生破坏具定安全系数
前面计算然说明加载20kg时满足设计求考虑模型制作工艺问题结点制作情况估计较乐观加载程中车会严格桥中轴线通造成偏心桥身出现受扭等利情况
9破坏分析
根结构分析制作验结构承受定荷载出现破坏类型：
1 压杆失稳引起破坏
受压杆件回转半径致刚性足者制作时出现初曲率导致偏心受压结构会压杆失稳破坏
2 结点破坏
结点易破坏原连接制作工艺难度较易产生应力集中旦结点连接强度足结构破坏
3 侧失稳破坏
制作误差结构称受力均导致结构杆件提前破坏获整体侧倾倒
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桥梁结构设计理方案
作品名称 方舟桥
参赛学校 黑龙江八农垦学
参赛队员
专业名称 土木工程 土木工程 土木工程
土木工程
指导教师
黑龙江省学生结构设计竞赛组委会
二○年
目 录
模型方案说明 1
1材料 1
2设计思路 1
3外形选择 2
4赛设计求 2
结构设计说明 2
1参考资料 2
2材料力学性估计 3
3结构选型 3
4截面选 4
5荷载分析 5
6力分析计算简图 6
7试验研究 9
8承载力估算 9
9破坏分析 10
模型方案说明
1材料
桐木502胶水实际制作程中常需木材涂胶材料实际木胶复合材料受拉时呈现线弹性脆性木材纹受拉弹性模量木材纹抗拉强度设计值
2设计思路
众周知材料受拉力情况够充分发挥强度结构设计中利木材抗拉性充分发挥502胶水较强抗剪力截面较开展木材较抗压力应桁架结构设计座质量承载力木桥采规矩形拼成工字型木杆作支撑桥面板梁利4*6矩形木杆作腹杆中竖杆受压应粘合薄木片作鱼腹式弦受拉构件桥面采梯形连接减少材料量
3外形选择
模型跨度：1200mm
模型长度：1300mm
模型宽度：180mm
模型高度：180mm
结构形式：梁—桁架组合结构
模型重量：13077g
4赛设计求
尺寸求
(1) 模型长度：模型效长度（悬空部分两侧升降台端部距离）1200mm两端提供竖侧支撑竖支撑边支撑长度070mm（起侧支撑作侧支撑挡板左右活动距离升降台边缘距离范围5070mm距离升降台边缘远70mm50mm模型端部支撑长度足50mm时提供侧支撑仅提供竖支撑）图2示
(2)模型宽度：模型效长度范围（中央悬空部分）模型宽度应180mm宽应超300mm支座范围宽度限应超320mm
(3) 模型高度：模型表面距离位置高度应超400mm方便车行驶中央起拱高度应超40mm（中央起拱高度指未加载时放置模型端部构件表面模型中央起拱高处构件表面距离）端部支座位置处高度应超150mm
22 结构形式求
结构形式没特定求桥面设置两车道车道宽90mm两车道间设行车导索车道间立柱拉索类构件
结构仅采竖支撑方式采竖侧时支撑方式实现约束果模型制作失误够完成约束加载果参赛队伍行承担
结构设计说明
1参考资料
结构设计赛细
木结构设计规范桥梁工程
2材料力学性估计
桐木作模型材料力学性特点受拉性良抗撕裂力差抗弯压力较弱木材粘合成横截面较材料承受定弯矩受长细限制压杆失稳状态受力破坏
502胶粘接性：木材粘接时原性质会发生改变木材变脆易断容易发生脆性破坏
3结构选型
根常见结构受力变形特点材料特性实验制作通较分析确定次赛模型
1）简支结构
简支结构承受力弯矩剪力选仅两根实腹简支梁形式材料抗弯抗剪力差导致结构承载力高
2）拱结构
拱结构受力较合理特采合理拱轴线形式拱构件成轴心受压构件易充分发挥纸受力特性赛求利支座提供水推力该力须结构身设置受拉构件承担模型制作难度表现弧形拱制作易造成构件产生初始缺陷致存产生失稳破坏隐患
3）桁架结构
桁架结构特点受力均轴拉压充分发挥材料性选复杂桁架时会出现结点杆件增加制作难度降低结构性
综分析选择较充分发挥材料性结构形式利桁架结构单元作基结构基础进行优化设计充分发挥纸带抗拉纸抗压特点终形成符合设计求组合结构
减结构复杂性减轻模型重量选择列两种结构形式进行较：
该方案杆件较结点数目较杆件长度减立杆截面形式采4*6杆节省定材料时杆间梁间距减
通计算试验较验证第二种方案节省材料时减轻模型重量满足梁承重求终选定第二种方案作参赛方案
4截面选
（1）两种支杆截面形式
考虑制作难度结构合理利贴实际选两种截面形式进行试验中图（a）纸制方图（b）纸制圆取相纸量制成两种截面形式进行加载试验
（a） （b）
方尺寸截面性质：截面侧14mm×14mm外侧15mm×15mm壁厚1mm部十字支撑9cm纸带折成实际截面面积A34
圆尺寸截面性质：径10mm外径12mm壁厚1mm实际截面面积A3454截面形心轴惯性矩I52674截面形心轴抵抗矩W3572
通加载实验较分析15kg轴压力作方较早出现局部失稳圆没出现明显破坏特征模型采圆作腹杆
（2）梁截面形式
梁采六三角形组合粘贴成中四三角形边长75mm等腰直角三角形两三角形边长1cm等腰直角三角形乳白胶接触面粘牢粘接稳定7cm宽100cm长纸带整梁包裹粘结防止加载程中组合三角形开裂失稳
5荷载分析
1结构重：
结构重超250g相外载20kg02520125重产生效应忽略计
2车重物静载：
车重物荷载作四车轮均传递桥面板桥面板传受力结构荷载空间四相固定间距移动荷载FG4
3车携带砝码行进程中速度慢似作静止荷载会产生水加速度结构产生竖水附加荷载似忽略
6力分析计算简图
1跨中施加集中荷载200N时受力分析图示：
图1 计算简图
单元（1）—（10）整体结点3—11均刚接结点12—17均铰接单元（23）—（29）纸带受拉受压受弯
单元编码
杆端1
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轴力01N
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轴力01N
剪力01N
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1
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图2 弯矩
图3 剪力
图4 轴力
图5 位移
计算知极限荷载208kg左剪力100N右剪力100N左弯矩18Nm右弯矩18Nm挠度17676cm
2 端部施加集中荷载时受力分析图示：
图6 计算简图
图7 弯矩
图8 剪力
图9 轴力
图10 位移
计算知极限荷载208kg左剪力1696N右剪力1696N左弯矩30528Nm右弯矩30528Nm挠度17676cm
7试验研究
杆件试件进行加载实验时45mm宽1000mm长纸带少承受20kg集中荷载10cm正方形图纸卷成直径1cm圆少承受15kg轴压力
8承载力估算
根桥梁结构形式集中力作危险位置进行估计根杆件力图综合较：
加载车重量20公斤时：
横梁（1）—（10）集中力作跨跨中时受弯矩达36
（11）—（18）8压杆直受压力作杆件压力达150N
（19）—（22）四斜杆受拉力作拉力达200N车中间位置时斜杆受轻微压力作压力40N
弦纸带（19）—（25）直受拉力作集中力作7结点时拉力达500N
校核20kg移动荷载作理杆件均满足求压杆（14）（15）界力500N种加载情况会发生破坏具定安全系数
前面计算然说明加载20kg时满足设计求考虑模型制作工艺问题结点制作情况估计较乐观加载程中车会严格桥中轴线通造成偏心桥身出现受扭等利情况
9破坏分析
根结构分析制作验结构承受定荷载出现破坏类型：
1 压杆失稳引起破坏
受压杆件回转半径致刚性足者制作时出现初曲率导致偏心受压结构会压杆失稳破坏
2 结点破坏
结点易破坏原连接制作工艺难度较易产生应力集中旦结点连接强度足结构破坏
3 侧失稳破坏
制作误差结构称受力均导致结构杆件提前破坏获整体侧倾倒
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