橋梁結(jié)構(gòu)模型作品

1橋梁模型設(shè)計(jì)

1．1模型要求及加載方式分析

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽擬設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)模型。橋梁結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)尺寸要求為：橋面總長(zhǎng)l 000 mln；橋面高不低于120 toni：橋面總寬160～180rnITl；橋面凈空高度不小于200 toni：最大跨徑不小于400 mm。尺寸要求體現(xiàn)了橋梁設(shè)計(jì)的橋下凈空和橋面凈空等功能要求。比賽加載方式為動(dòng)靜載結(jié)合方式，初賽要求徒手將一輛l5 kg的小車(chē)從橋頭拉至最大跨的跨中位置．并在該位置停留不少于5 S 然后拉到橋部。模型不至于失效方可進(jìn)入決賽。決賽采用跨中集中力加載方式，初始荷載為20 ，荷載增加梯度為5 k 次，封項(xiàng)荷載為50 。每次加載后停留5 S。模型不失效即加載成功。模型不失效的標(biāo)準(zhǔn)：模型強(qiáng)度足夠、不失去整體承載力：模型跨中撓度不超過(guò)l5 mm。小小橋模型須承受l5～50 kg的重量， 由此帶來(lái)的跨中彎矩較大，承載亦不易。但更難控制的還是彎曲變形，撓度不超出15 mln即要求模型具有足夠的抗彎剛度。

1．2材料分析

參賽的結(jié)構(gòu)模型要求采用組委會(huì)統(tǒng)一提供的繪圖紙、棉線和乳膠。主體材料為繪圖紙．輔助材料為棉線和乳膠。單張的繪圖紙只能承受少量拉力，不能作為受彎、受壓構(gòu)件，即使多張繪圖紙疊放具有抗彎強(qiáng)度．也不能提供足夠的抗彎剛度。要使紙構(gòu)件提供足夠的強(qiáng)度和剛度．一種方法將紙卷成圓柱形． 作成圓形梁和圓形柱： 另一種方法將紙張切片疊成一定厚度并粘在一起．作成一定高度的薄梁．可以用作橋面的抗彎構(gòu)件。但從整體結(jié)構(gòu)上必須布置成縱、橫梁網(wǎng)格系。棉線抗拉能力強(qiáng)，不能受壓．只能用來(lái)做受拉構(gòu)件，吊(拉)橋面或捆綁節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。白乳膠主要起粘結(jié)作用。

1．3結(jié)構(gòu)選型與方案構(gòu)思

鑒于比賽的加載重量大。且撓度變形量控制嚴(yán)格，橋型結(jié)構(gòu)不能采用單一的梁橋、拱橋、懸索橋，而必須采用組合體系橋梁。為使橋面平整，便于行車(chē)，主體結(jié)構(gòu)采用梁式橋型。為了增強(qiáng)模型的整體抗彎強(qiáng)度和抗彎剛度．布置斜拉桿(索)或垂直吊桿(索)。用卷成圓柱形的紙桿作為剛性斜拉桿或吊桿．節(jié)點(diǎn)用棉線捆綁牢固，做成類(lèi)似斜拉橋的板拉橋剛性拉桿。橋面下可用拱形結(jié)構(gòu)支撐橋面．也可以采用橋墩加斜撐輔助支撐橋面。拱形結(jié)構(gòu)受力合理．但制作困難。下部結(jié)構(gòu)主要采用實(shí)心的圓柱形紙桿作橋墩．由于直徑有限(直徑大時(shí)耗材多)， 難以保證橋墩的穩(wěn)定性，而空心紙卷制作起來(lái)有困難． 也不能提供足夠的抗壓強(qiáng)度，所以橋墩結(jié)構(gòu)上必須加強(qiáng)各桿件的橫向聯(lián)系．以增強(qiáng)橋梁的整體穩(wěn)定性。主孔縱向設(shè)計(jì)為梁式橋結(jié)合“A” 型塔斜拉橋。主梁5片，橫梁10根，等間距地布置主梁、橫梁，形成網(wǎng)格式梁式結(jié)構(gòu)。 “A” 型塔斜拉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙塔，兩側(cè)各一個(gè)． 中間設(shè)一撐桿加強(qiáng)兩邊“A” 型塔的橫向聯(lián)系。 “A” 型塔采用三角形剛架結(jié)構(gòu)．中部設(shè)一橫梁．橫梁上設(shè)垂直的剛性吊桿和柔性的棉線吊索。上部結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中粗實(shí)線為紙桿，細(xì)實(shí)線為棉線?！癆”型塔下面構(gòu)成橋梁的主孔。塔柱腳外各設(shè)一小孔作為邊孔。

　　受材料限制，模型不可能仿照公路橋設(shè)計(jì)足夠粗大的橋墩。因此， 為保證橋墩的穩(wěn)定性．三孔橋墩之問(wèn)設(shè)水平桿加強(qiáng)聯(lián)系．形成四邊形框架結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)柱的穩(wěn)定性。

1．4橋梁模型受力分析

圓柱形紙桿可以承受一定的拉力和壓力．可以作為受彎結(jié)構(gòu)的梁。梁的抗彎強(qiáng)度很大程度上取決于梁高，圓柱直徑越大，抗彎強(qiáng)度越大。網(wǎng)格式梁式結(jié)構(gòu)使荷載沿縱橫向傳遞更均勻．減少單根梁集中受力。主跨中間布置45 k2的集中荷載時(shí)，簡(jiǎn)單的梁橋按跨度50 cm 計(jì)，結(jié)構(gòu)須承受55 N·m 的彎矩．而紙桿梁高有限．結(jié)構(gòu)無(wú)法承受這么大的彎矩。實(shí)際模型結(jié)構(gòu)采用三孔連續(xù)結(jié)構(gòu)并結(jié)合“A” 型塔斜拉橋。 “A” 型塔下布置多根垂直吊桿(索)，再加上橋墩的斜撐桿，從力學(xué)計(jì)算上縮小跨度，有效減少?gòu)澗?。粗略?jì)算結(jié)構(gòu)實(shí)際承受彎矩為30N·m左右。若再考慮橫梁的橫向聯(lián)系作用．將荷載較均勻地分配給5片主梁，則單梁承受的彎矩更小。合理的結(jié)構(gòu)方案保證了結(jié)構(gòu)足夠的抗彎強(qiáng)度。實(shí)心圓柱紙桿具有一定的剛度．在荷載不大情況下．彎曲下沉的撓度較小。但要在跨中布置40～50 的集中荷載，將撓度控制在15 rrfn以內(nèi)并不容易。事實(shí)上參賽的多座橋梁模型承載能力很大，但剛度不足．導(dǎo)致荷載不大(eo~3o kg)情況下．變形超出15 rrfn而失效。保證模型剛度足夠的措施首先是主梁、橫梁片數(shù)不宜過(guò)少．且布置成網(wǎng)格體系，保證模型有較大的整體抗彎剛度。其次，斜塔下垂吊剛性桿和柔性索，以抵抗跨中彎曲撓度。剛性桿比柔性索控制彎曲變形撓度能力強(qiáng)．因?yàn)槿嵝缘拿蘧€易伸長(zhǎng)，斜拉或垂吊橋面時(shí)不易控制變形。但棉線基本不占重量．可用作輔助的斜拉索或吊索剛性桿只要在節(jié)點(diǎn)捆綁牢固，帶來(lái)的變形極小。下部結(jié)構(gòu)由四排雙柱式橋墩構(gòu)成。盡管實(shí)心圓柱紙桿作橋墩抗壓能力強(qiáng)，但由于桿細(xì)．單根或單排樁柱墩的穩(wěn)定性不高。在荷載較大時(shí)。很容易導(dǎo)致橋梁整體承載力不足而失效。若在邊孔內(nèi)各排樁柱墩之間設(shè)水平桿聯(lián)結(jié)。形成四邊形框架結(jié)構(gòu)。就可以大大增強(qiáng)柱的穩(wěn)定性。此外， 兩邊“A”型塔加上橫向聯(lián)系。從橋底到橋頂支承整個(gè)橋梁．大大提高了橋梁的整體穩(wěn)定性。

2制作工藝

制作橋梁模型即相當(dāng)于橋梁的施工過(guò)程，這是一個(gè)很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。制作工藝， 毫無(wú)疑問(wèn)在比賽中很重要質(zhì)量的好壞直接決定了加載的成敗。制作模型須以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度來(lái)對(duì)待，尺寸必須精確。模型凈寬誤差不超出±5 mm，凈空高度不小于200 mm， 這些都必須嚴(yán)格遵守， 否則模型無(wú)法加載。此外，模型中每一根桿件都需要根據(jù)長(zhǎng)度、厚度精確取好圖紙，以保證尺寸準(zhǔn)確。在制作過(guò)程中，還要注意節(jié)點(diǎn)捆綁牢固，在模型加重載時(shí)，節(jié)點(diǎn)不牢固，直接導(dǎo)致變形過(guò)大。圓形紙柱想象起來(lái)容易，制做起來(lái)困難。圖紙不容易卷實(shí)，而且容易偏斜。為了卷好每一根桿件．模型組同學(xué)做了多次試驗(yàn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。以1．5 cm外徑實(shí)心柱為例：首先劃好圖紙，寬度可取100 cm，長(zhǎng)度依構(gòu)件長(zhǎng)度而定，并在寬度每10 cm 處用鉛筆輕劃一些平行線作為控制線?？刂茍A形柱f梁)兩端卷速均勻。然后卷圓柱， 兩個(gè)同學(xué)配合在O．5 cm處折起并壓緊，開(kāi)始卷壓并拉紙，還有一個(gè)同學(xué)壓著還沒(méi)卷到的地方，直到卷完，這是最關(guān)鍵的一步，這時(shí)一不小心，紙就會(huì)損壞而作廢。在卷的過(guò)程中還需涂膠。涂膠要快，可用一些小的厚紙片用來(lái)刷膠，涂膠分兩次，待卷到一半處時(shí)涂一些膠，用以定位，卷到最后再涂膠封口。

3結(jié)語(yǔ)

試驗(yàn)證明，本次設(shè)計(jì)制作的橋梁模型非常堅(jiān)固，成功接受了45 的重荷載考驗(yàn)。在加載5Ok2時(shí)，撓度略超出15 mm 而失效。從比賽的角度來(lái)看，本次設(shè)計(jì)的橋梁模型缺點(diǎn)在于跨徑偏小，設(shè)計(jì)過(guò)于保守，有待于嘗試大跨徑橋梁模型設(shè)計(jì)。 ．這次比賽為同學(xué)們的理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。通過(guò)結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)制作，參賽同學(xué)充分理解了橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造原理和受力特點(diǎn)。提高和鞏固了他們的力學(xué)知識(shí)、橋梁專業(yè)知識(shí)．增強(qiáng)了大家的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也增強(qiáng)了他們的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)問(wèn)的合作精神?；钴S了大學(xué)生的科技創(chuàng)新氛圍。