结构设计竞赛 桥梁承重模型设计任务书

西南交通大学
第十三届结构设计竞赛
桥梁承重B组设计理论方案
作品名称梦之星
参赛编号B45
组长姓名/ 班级/ 学号/
队员姓名/ 班级/ 学号/
队员姓名/ 班级/ 学号/
组长电话/
西南交通大学第十三届结构设计竞赛组委会
二〇一三年
摘要
桥梁建筑的设计讲究造型美观、受力合理、节省材料、承载力大、制作精细。

作为一个土木学子，我深深震撼于桥梁结构设计的魅力，我将通过亲身的经历来践行桥梁设计的创意与特色，体验一次工程师的波澜壮阔之旅。

本次设计的“堑道”，基于钢架桥的思想，充分利用了材料的抗压和抗拉特性，运用结构力学和ANASYS软件等手段，优化杆件的布设和连接，得到了整体性和韧性都比较强的三跨连续桁架桥。

采用正三角形的侧边叠接，斜杆与横杆沿面延伸方向铰接，增加了杆件的受弯刚度；节点的处理采用齿状咬合并用AB胶强力粘附，受压杆耦合嵌入纵向拉杆中，增加了整体的稳定性。

削弱桥面，减轻了重量；支座处加大杆件厚度，充分传力。

我们通过计算和软件分析了结构的受力，验证了桥在10-15kg的重量下的稳定性，得到了可靠的结果。

并在薄弱的环节进行了锚固与加粗，最后用砂纸将突出的部分打磨光滑，增加了结构的美观。

一次实践，终身受益，小试牛刀，我们倍感信心。

关键词
模型选型荷重比节点处理
目录
一、设计说明书..............................................................
1 方案构思 (1)
1.1作品名 (1)
1.2造型 (1)
2 结构选型 (1)
2.1设计准则 (1)
2.2整体选型 (2)
3 材料试验 (2)
4 结构设计 (3)
4.1结构整体布置图 (3)
4.2构件尺寸详细设计 (3)
4.3构造（节点）设计图 (4)
4.4 模型三维效果图 (5)
5 特色处理 (5)
6 制作工艺 (5)
二、模型计算书 (6)
7 计算模型 (6)
7.1模型简化 (6)
7.2荷载模拟 (6)
8 内力分析 (6)
9 构件验算 (9)
9.1材料参数 (9)
9 承载力估算 (9)
参考文献 (9)
一、设计说明书
1 方案构思
首先分析材料的特性，PVC材料具有较强的抗拉抗压性能，但极易脆断，因此应尽量减少结构的应力集中和尺寸突变。

同时，PVC材料易于加工，基于钢桁架的启发，我们可以设计成抗拉抗压型的桁架桥。

桁架尽量精短，防止动载作用时脆断。

而要结构均匀受力，就必须要求结构具有高度的对称性，我们从正三角形受力特征出发，采用完全一致的正三角压杆，并增加其承重能力。

为了减轻结构的重量，拉杆设计细长，压杆粗大（防止失稳），利用主梁受弯，腹杆受压，横杆受拉的方式传力。

1.1作品名
作品的名称为“梦之星”，包含两层含义。

第一是梦想和希望，梦是我们心中的梦想，象征着我们对梦想的执着地追求，同时上升到集体，又是大家共同的梦想：通往幸福和平共产主义大道，是我们的青春梦，是青春梦托起的中国梦。

第二，星象征凝聚和闪烁，是我们三人行辛勤汗水的象征，表示我们的团结和精诚合作，是我们付出的体现。

1.2造型
桥梁之美，在于造型。

拱桥易于抗压，悬索和斜拉桥在于桥台和绳索的张拉；基于材料较高的抗拉和抗压性能，我们选择了设计桁架桥。

PVC板易于加工成桁架杆，模仿钢桥的设计思路，用三跨完全对称的正三角形桁架进行连接，支座处用梯形进行搭接；耦合和嵌入使节点看上去毫无矫揉造作之嫌，然后用砂纸打磨成白色，显得结实又美观。

2 结构选型
2.1设计准则
首先，设计的作品应该满足比赛的要求，即跨度、净空、宽度及是否铺设桥面。

其次，尽量减轻桥的质量。

在满足承载要求的情况下，最后的成绩等于承载除以质量，故质量越小得分越高，质量往往是最后取胜对手的关键因素，关键还在于减少不必要杆件的厚度，增加关键受压杆件的厚度。

然后，保证足够的承载能力，承载能力是衡量桥梁稳定性能的重要指标，在质量小的情况下要求有最优的承载能力，即每根杆件能充分发挥其受力的价值。

最后是美观，造型独特，给力一种美的享受，桥的设计也是一种艺术的设计。

2.2整体选型
首先确定了结构为桁架桥结构，以“主梁主要承受拉力和弯矩，斜杆主要承受压力，横杆主要承受拉力和防止侧面转动”为原则，查阅网上资料，确立具体的设计方案与步骤。

选择三角形斜杆构造连接和梯形横杆构造连接。

具体的步骤如下：
②据大赛尺寸要求，初步确定桥梁的跨度、高度和宽度；
②查阅相关材料的具体物理力学特性，如材料的弹性模量和拉压性能；
③根据经验和受力状况，设计出桁架桥的大体轮廓和构造；
④以实际情况为准，提取计算简图；
⑤利用结构力学求解器软件对结构进行模拟加载，计算出各杆所承受轴力及弯矩，以确定桥梁各单元杆件截面尺寸；
⑥结合杆件材料的密度，选择合适的荷重比。

该桥梁的选型综合桁架和箱梁的特性，上下两侧分别用竖着的横杆相连，使结构从侧面上看呈一个箱形，保证结构的整体性。

在受压处直接用斜杆支撑，达到了物尽其用的作用。

具体的优点为：
一、设计时，正三形抗压杆连续分布，受力匀称且外设美观。

二、设计简约，对称，充分利用了材料的拉压性能。

三、采用压杆粗--拉杆细的粗细结合，充分节省了材料。

四、杆件沿延伸方向连接，增加了刚度。

五、关键节点采用咬合与锚固板结合，增加了整体性和美观性。

3材料试验
3.1模型称重
在做完第一跨时，为了保证模型的质量尽量小，首先进行了称重，第一跨重越220g。

也就是说，三跨的可能的总重量为660g左右，加上桥面（估计为200g），总体的桥的重量达860g左右。

第二次称量，在三跨完成后，重量达640g。

基本上在预计的范围内。

进行三跨的组装，支座处进一步加固，并加上桥面，第三称量，最后的桥的重量为940g。

模型略显沉重，但结实易于受载。

3.2模型的模拟加载试验
如图所示：将制作的桁架桥的一跨放置在凳子的两侧，在跨中悬吊一本书（约0.8kg），在跨中两侧各10cm处套上测试挠度的小环，并在环上套一支中性笔，让其自然垂直到下面纸面的距离为5mm。

如果挠度过大，则中性笔会在纸上滑下痕迹，以此判断挠度是否达标。

然后在桥面上放七到八本书，沿桥的纵向方向移动，注意制动力对顺桥方向的桥的影响，缓慢驶过桥面，观察桥面的稳定性和产生到挠度。

在本次模拟加载实验中，挠度测试发现几乎没有挠度，书能顺利通过桥，说明了该设计能够满足桥的强度要求和挠度要求。

考虑到材料的脆性，本次试验没有做破坏性实验，即桥的最大承载力未知，由于条件所限，未能完成动载试验的测定。

在风的吹拂下，
我们看到桥明显具有较强的稳定性，这在一定程度上反应了桥的对动
载的承受能力。

4 结构设计
4.1结构整体布置图
根据设计的桁架的形式，我们对三跨的布置进行了设计，得到了如下图所示的整体布置图。

其中：三跨的长度各自相等，图一为主视图，图二为左视图。

图一
图二
正三角形斜杆相互交错布置（如主视图），跨与跨的连接处采用横杆和竖杆连接成一个整体，并用竖杆直接承受压力。

两侧之间为了防止其发生转动，采用对称的两斜杆相连，上部用铆固片与横杆相连（如左视图）
4.2构件尺寸详细设计
如下图所示：设计的三跨为完全相同的桁架体系。

具体见图中的标注，该尺寸正好满足了比赛的要求范围，从而得到桥的全长为1785mm，桥的总宽为231mm，桥的高度为69mm.从而充分保证了桥构造的合理性与可施工性。

（单跨总体图）（左视图）
（主视图）
（俯视图）
4.3构造（节点）设计图
节点的设计采用了耦合与嵌入方法，斜杆和纵杆
之间采用纵杆交接处削弱，斜杆削好吻合的切口，
正好与纵杆紧密地咬合在一起。

同时，受拉横杆可
以削一个缺口，正好卡住纵杆与斜杆铰接的地方，
用AB胶粘牢固，便能够很好地传力。

如右图：
横向斜杆采用卡住纵杆的方式，同时两根横向斜杆削
成平齐的缺口抵在下面一排的横杆上，两斜杆和横杆相互
平齐用锚杆板锚固在一起，如左图：
桥端节点采用咬合加铆固的形式，和中间斜杆与纵杆的连接类似，同时考虑到该处比较薄弱，采用锚固板进一步加固，整体构造成倾斜度为35度左右的三角形，如下图：
4.4 模型三维效果图
采用CAD进行三维渲染，可以得到三维模拟的渲染图；下图为最后成品的图片；整体的效果十分匀称和谐。

5 特色处理
主要分为节点、桥面、桥墩和杆件的特色处理。

节点的特色处理有如下几点：
①咬合与锚固相结合，增加节点的稳定性。

②对不必要的节点端头进行打磨，减轻了重量，增加了节点的光洁度。

③上下节点相互错开，均匀分布，增加了整体在纵向的抗错动性。

桥面的特色处理有：
①桥面进行削弱，用较薄的一层铺设，减轻了整体的重量。

②对桥面进行打磨，使削后的桥面变得更加平整和光滑。

桥墩的特色处理：
①桥墩处设计竖杆，直接承受竖向压力，减轻了斜杆的荷载。

②纵杆与墩座出用斜杆交接，增加了传力的特性和稳定程度。

杆件的特色处理：
①拉杆压杆粗细分明，充分利用材料的特性，减轻了重量。

②杆件进行打磨显得更加光洁。

6 制作工艺
采用三跨分开制作，采用阶梯式制作方案。

首先，计算出相关的杆件的长度，并裁好模型所需的杆件材料。

根据杆件的长度，削成该长度的一些杆件，并用AB胶粘贴起来进行加厚。

待AB胶充分凝固和进行组装。

然后，从两侧的斜杆做起，削好缺口，并用量角器精确量取60度的角度，准备纵杆，
削好缺口，进行嵌入和粘附。

在粘附的同时用风扇吹拂，用手压住已经定好的形式，过几分钟后进行下一步。

接着，进行另一侧边的制作，等两侧边制作好之后，开始制作横向斜杆，一人削孔，一人进行对齐咬合粘附。

然后制作横杆，待横杆完全嵌入之后用AB胶粘附牢固，然后进行斜杆的拼装。

然后，做完一跨接着做另一跨，再连接做好的两跨，这样直到连接三跨为一个整体为止，最后制作桥墩和铺设桥面。

注意桥墩的制作要紧密地与两跨联系起来，使跨受力充分转移到桥墩上来。

桥面尽量削薄，减轻桥的总质量。

二、模型计算书
7计算模型
7.1模型简化
由于小车缓慢行驶，忽略加速度，其荷载可视为静荷载，忽略小车制动力的影响，忽略风等偶然荷载的作用。

设小车的重力为F牛顿；作用于小桥的跨中，三跨的大小完全一样，可以用一跨的受力代替三跨来进行分析，计算跨中的受力和两侧处10cm处的挠度。

忽略桥的横向宽度和厚度。

7.2荷载模拟
按集中力作用来模拟结构的受力，得到如下所示的荷载分布图，此时为最危险的情况，实际结果应稍加乐观，以此判断结构的受力状态，完全可以保证结构的承载要求。

8 内力分析
桁架桥宽231mm、桥长1785mm、高69mm，每个节段长595mm，截取跨中三个正三角（比
较危险的地方）加以计算分析，在载荷作用下分析各杆件的受力状况。

建模假设：
建立有限元模型是基于以下假设的基础上形成的：
① 假设桥面板和纵梁的形心在同一水平面上。

② 假设各节点满足理想连续条件。

③ 假定结构不发生预应力损失。

④ 整个结构自下而上建模。

⑤ 忽略单元桥面板的垂度变化。

⑥ 建模坐标定义为，顺桥向为x 方向、横向为y 方向、竖向为z 方向。

⑦ 各杆件的单元类型、实常数等规定如下表所示。

表 桁架桥各杆件单元属性
构件名称
单元类型 单元编号 材料号 实常数号 下弦梁
BEAM4 1 1 1 上弦梁和横梁
BEAM4 1 1 2 端斜腹梁
BEAM4 1 2 3 其他斜腹杆
LINK8 2 3 4 竖杆
LINK8 2 3 5 桥面板 SHELL63 3 4 6
单元的选择：
梁单元用BEAM4来模拟的。

它是一个轴向拉压、扭转和弯曲的单元，每个节点有6个自由度，包括3个平动和3个转动自由度。

本单元具有应力刚化和大变形功能。

杆单元是用LINK8来模拟。

桥面板单元用SHELL63来模拟。

结果分析
⑴ 总体结构位移图
图A 桁架桥在集中力作用下的位移图
由图2知，结构的挠度由跨中向两端逐渐减少。

由于最大挠度发生在跨中，一般的结构静力作用下要满足900/1/≤L δ，从而可以检验桁架桥结构在这样的集中力下是满足刚度要求的。

由上图又知，腹梁构件应力全为负值，说明它是受压的，而且它的最大弯曲应力达到了KPa 级，可见对它做梁单元
的假设是正确的。

在跨中部分腹杆的受力比较小，甚至有理论上的“零杆”。

从图还可以看出除下弦杆端横梁以及上弦杆的中间横梁是受压的，除此之外的所有构件都是受拉的，而且下面横梁的轴应力显然要大于上面构件的轴应力，这些都是需要注意的地方。

所有可以将上弦梁假设为杆件，下面的横梁的横截面积要适当的比上面的横截面积大一些。

⑵桁架中下弦杆的受力分析
图B下弦杆受力后的位移图
由图3可见，桁架的弦杆在跨中部分受力比较大，向支座方向逐步减小。

下弦梁除了下挠度外还有沿X轴正向的移动，故它是在受拉的，且大多在1～9KPa之间。

这也符合桥梁在实际建造的所要遵循的要求。

⑶桁架中竖杆的受力分析
图C 竖杆受力后的位移图
由图C知，对于杆件也可以从杆上相对的竖向位移来判断，中间竖杆是相对原来变长了。

当桁架只承受节点荷载时，所有杆件只受轴心拉力或压力；如在杆件节间内也承受荷载，则该杆件将同时受弯。

桁架杆件一般较细，布置节点时应尽量避免或减小局部弯矩。

对杆件截面高度与长度比值较大的桁架，必要时应考虑节点刚性引起的杆件次应力。

⑷桁架中除端斜腹杆外的其他腹杆的受力分析
图D斜腹杆位移图
由图D知，最中间两对杆件是受压的，而其他边上的两对则是受拉的，应力值也在1～9KPa之间。

4 结论
（1）弹性模量是影响结构线性的主要因素，上弦杆同一水平面预应力束张拉力的大小是否均衡是杆件轴线能否调整到位的决定因素。

（2）桁架的弦杆在跨中部分受力比较大，向支座方向逐步减小；而腹杆的受力主要在支座附件最大，在跨中部分腹杆的受力比较小，甚至有理论上的“零杆”。

（3）以上的分析是在假设建模条件下得出的，而与有些假设不符合，则需要再次建模来设定单元的种类和实常数，如腹杆需要加强，而上弦杆为了经济则可以减弱一些。

9 材料参数
经过网上查阅相关资料和实验验证，我们得到pvc材料的主要力学指标如下:
载力估算
按荷载、受力分析，结构可承受18KG重物。

但是由于实际结构刚度较弱以及做工较理想化有一定的人为差距，所以人为规定一个“保守系数”KP=0.8
所以结构承重 F 176.4*0.8=141.12(N)
参考文献
[1]隋庆海.三角形截面曲线钢管桁架结构的几个节点设计与构造处理简介.中国建筑东北设计院深圳分院.
[2]杜正国.结构力学教程.成都：西南交通大学出版社.2003
[3] ANSYS有限元分析实用教程[M]．北京：机械工业出版社，2005．
[4] ANSYS土木工程应用实例（第二版）[M]．北京：中国水利水电出版社，2007。