中南大学结构设计大赛赛题

纵坡公路桥梁结构设计

一、赛题背景

猴子石大桥，又名长沙湘江三大桥、长沙湘江南大桥是长沙市二环线上

横跨湘江的一座特大桥。初建于1958年，后因历史原因于1960年停建；1996年再建，1997年再次停工；最后，大桥从1998年底开始建造，并于2000年9月建成通车。

猴子石大桥位于南二环与湘江交汇处，湘江河水从南边滔滔而来，又从

这里向北滚滚而去。东头是临江而卧的南郊公园，青山绿水在这里相得益彰，西头是大学城。其南边五公里处是连接南三环线的黑石铺大桥，北边六公里

处是横跨橘子洲的湘江一桥。因桥在老地片名猴子石地域内，猴子石知名度高，故名“猴子石大桥”。又因为大桥属于南二环线，因此也称其为南大桥。

大桥横跨湘江两岸，总跨度达1389米。其所处地点呈明显的“东高西低”之势，即东岸高，西岸低，带有明显的纵坡，大桥的桥柱高度是从桥中

心位置依次朝着两边递减，这样既保证了船只在河流中正常通航又能够缩短

工期节约成本。

猴子石大桥对在长沙的交通地位显著，在所有跨湘江通道中，猴子石大

桥白天12小时交通量分布比重达到28.8%，在长沙34条跨湘江通道中所占

交通比重最大。猴子石大桥建成后，对长沙的交通和经济发展都做出了巨大

贡献

此次比赛我们以湘江上这一著名的桥梁──猴子石大桥作为背景。

二、总体模型

总体模型由给定的承台、桥梁模型和底座木板三部分组成。用于固定山体及桥梁模型的底座木板，其顶面标高为±0.00m；给定的承台有两个，桥梁起始端承台标高为﹢0.24m，末端承台标高为+0.14m，两承台具体尺寸见图2至图5。桥梁模型为斜交纵坡直桥，全长1.4m。桥段结构的所有构件及节点均采用给定材料与 502 胶水手工制作完成。桥段结构桥面板制作时要求满铺，不允许有空隙，桥面上需设置两个减速带，减速带为3D打印构件（加载现场加装于桥面固定位置），具体位置见图1。底座木板主要用来承托给定的山体模型和制作的桥梁模型，模型与底座板用自攻螺钉连接。承台板上划有一条具有一定宽度的河流航道区域（距起点550mm处，河流宽450mm，流向与桥面呈75度角），为便于通航，航道内不允许设置桥墩。

三、两岸承台、桥梁模型及底座木板连接

承台模型与桥梁模型连接采用搭接方式，即在桥梁与各承台连接处设置搭接平台，搭接平台均设置在各承台小车通过平面下10mm处。搭接平台宽25mm，长210mm（如图3、5三维图所示）；承台及各桥段模型通过自攻螺钉（螺钉直径5mm，钉长16mm，重量为1g/颗)与底座木板相连。要求桥墩柱脚处设置带孔连接件，用于螺钉与底座木板锚固，比赛中，每队将配发6颗螺钉，各队可视情况决定使用螺钉数，使用的螺钉重量将计入各队相应模型重量。

图1总模型布置图

图2 起点承台三视图

图3 起点承台俯视图及三维示意图

图4 终点承台三视图

图5 终点承台俯视图及三维示意图四、材料及工具

1、竹材的规格及用量如表1所示，参考力学指标如表2所示。

表1 竹材规格及用量

材规格竹材名称

数量（张）

1250×430×0.35mm 本色双层复压竹皮 3

表2 竹材参考力学指标

密度0.789g/cm3

顺纹抗拉强度150 MPa

抗压强度65 MPa

弹性模量10GPa

2、优质502胶水，3瓶（规格15克/瓶），用于规定模型制作；

3、各队工具自备，宜包含剪刀、直尺等工具

五、模型加载及评判

模型加载采用动加载的形式完成，即配重的遥控小车通过制作安装好的桥梁结构。比赛时由参赛队指定一名参赛队员操作配重遥控小车，从标高为240mm的承台出发，经过桥面到达标高为140mm的承台完成一次加载。模型须进行两次动加载实验，第一级加载为 2kg 移动荷载（包括小车荷重和配重）、第二级加载为 4 kg移动荷载（包括小车荷重和配重）。每队加载成绩由各级加载成功时，计算所得荷重比分数和动载完成时间分数组成。加载时，根据以下情况进行评判：

1 、桥梁尺寸不合格，不能装上加载装置，不予加载，参赛模型加载项成绩为零；

2 、加载时，桥梁结构发生整体倾覆、垮塌等，导致小车掉落，此次加载级及以后加载级成绩为零（即第二级加载出现此情况，加载项成绩算第一级加载成功的成绩；

3 、每级加载时，当桥梁模型结构完整，但出现以下操作失误时，即认为本级加载失败（若此情况发生在第一级加载，则第一级加载失败，模型进入第二级加载：

1 ）在一处位置停留超过10s，本级加载失败

2）参赛队操作失误，小车从赛道掉落，本级加载失败。

（注：若是由于小车故障导致无法通行的，不算本级加载失败。）

六、评分标准

1、评分按总分100计算，其中包括：

1)计算书以及设计说明，10分；

2)荷重比，80分；

3)动载完成时间，10分；

2、评分细则

1）计算书以及设计说明（共10分）；

a.计算内容的完整性以及合理性，6分；

b.图文表达的清晰性和规范性，4分；

2）荷重比（共60分）

荷重比S计算公式为：

荷重

模型

其中，

荷重为加载级荷重（以成功加载最大荷重计算）；

模型

为模型重量+

所用螺钉重量；

3）动载完成时间分数（共10分）；

动载完成时间分数计算如下：

a.第一级加载完成，用时最短者得4分，第i队得分

为第i队第1级加载成功记录时间，为所有第1级加载成功模型中小车用时最短的时间；

b.第二级加载完成，用时最短者得6分，第i队得分其中为第i队第2级加载成功记录时间，为所有第2级加载成功模型中小车用时最短的时间。

附1：加载遥控小车说明