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