结构设计说明书模板

西南科技大学第十五届结构设计竞赛

（建工组）

渡槽支承系统结构模型设计及制作

方案设计说明书

作品名称驻华而立

参赛编号 001

参赛队员张三李四王五

提交类型终稿

二○一八年四月

摘要

我国是一个水资源短缺的国家，且水资源时空分布不均匀。总体来看，时间上，夏秋多、冬春少；空间上，南方多、北方少。在这种情况下，我国利用空间渡槽支承系统结构架起了输水管道，将南方相对充沛的水资源运往北方，这是我国解决水资源匮乏问题的方法之一。

本次结构设计竞赛制作的模型结构就是渡槽支承系统结构，此模型结构要求输水管应经过相隔一米的A、B两个灌溉点，其余结构自定义。基于本赛题要求，我们合理设计了强度大、挠度小、同时兼顾稳定性的结构体系。总体方案采用桥梁大跨度与普通跨度结合的设计，梁体设计在大跨处采用张弦设计。普通跨度处采用张拉式多跨支撑及连续格构柱支撑的方案，桥墩设计采用格构柱及“V”型门架设计，“V”型门架与承台板用螺钉连接，为拉紧拉条提供支点，中部格构柱用于支撑输水管。最后一段桥梁采用三个格构柱连续支撑的设计方式，可灵活应变输水管长度不均，最后一段自然弯曲角度大等问题。模型整体均利用竹皮良好的抗拉性能，如此设计可以保证在较小质量的状态下保证结构的强度、刚度和稳定性。在概念设计后经多次有限元分析计算、实体模型的试验和构件的不断优化，确定了具有较佳荷重比的模型。

本计算书主要从结构方案、结构建模及受荷分析、节点构造、模型制作4个部分进行阐述。通过有限元分析程序Midas civil对模型进行了静力分析，结果表明所用结构体系具有较强的承载力和良好的稳定性能，在满足大跨度要求下成功抵御竞赛给定的静载作用。

关键词：渡槽支承系统静力分析Midas civil分析

目录

摘要 (1)

第一章设计说明 (1)

1.1 作品简介 (1)

1.2 设计思路 (2)

1.3 结构选型 (4)

第二章节点构造 (7)

2.1 杆件拼接连接 (7)

2.2 背索与柱节点的连接 (7)

2.3 桥面拉索与背索的连接 (8)

2.4 柱脚节点以及固定 (8)

2.5 背索固定 (9)

2.6 材料截面选择 (9)

第三章总结与感悟 (13)

第一章设计说明

1.1 作品简介

此次结构设计大赛模型为渡槽支承系统结构模型，采用竹质材料制作完成，整体为带有四个转角形式总长6.5m模型。模型可分段可整体，至少需要一个跨度为1050mm桥。加载时，模型包括承台板、各段模型以及输水管三部分。模型荷载由输水管注水实现，水流逐渐注满整个输水管，并持荷20s，最后排出所有水。模型柱子与承台板通过螺钉固定在承台板上。其中，输水管与输水装置、承台板、螺钉均由主办方提供。模型的制作、粘结用502胶水完成。

本次竞赛的目的是在满足赛题要求的前提下，合理设计构件截面形式、截面尺寸、构件连接方式、结构布置形式以及制作工艺，使得最终的结构模型在具有较强的竖向承载能力的同时，有足够的强度与侧向稳定性，以及接近正常使用极限状态承受50kg荷载为前提，以承受均布荷载作用下所产生的弯曲、剪切、扭转效应。同时根据赛题规则，要充分考虑结构自重以及刚度，在保证结构正常使用极限状态承受50kg荷载和达到更大的极限承载能力极限状态，以及保证模型稳定性的情况下，以最小的结构自重承受各层剪力、轴力、弯矩、扭矩，并且保证足够大的输水效率。在整个设计模型的过程中，我们充分的运用到了所学的材料力学、结构力学、流体力学、桥梁工程等相关知识，同时查阅了桥梁受均布竖向荷载作用和水流冲击荷载作用的相关原理，综合桥梁结构的传力、受力特点，考虑多方面因素，最终采用此方案。

桥跨部分：整个桥为张弦式结构桥，整体跨度为1040mm。桥分4跨，上弦杆采用4mm*0.35mm拉条，起构型作用，保证腹杆稳定性；以及在卸载后使模型能恢复原状以保证排水效率。下弦梁采用6mm*0.55mm中薄双层竹皮拉条，在满足强度要求的情况下，使用双层拉条防止构件因材料离散性在节点处破坏。桥两端搁置在柱上，柱采用鱼腹式格构柱，基本满足结构刚度及稳定性要求。背索采用5mm*0.55mm中薄双层竹皮拉条，两条背索向中靠拢端固定于一点，提供桥向外拉力，抵抗水流对桥不利荷载。

普通跨度部分：普通跨度采用两段高度逐级降低的多跨支撑结构和一段连续格构柱支撑结构，多跨支撑结构桥墩为两个“V”型门架和一个格构柱，其连续高度为320mm、310mm、300mm及295mm、285mm、275mm，桥面为两条7mm*0.35mm拉条，基本满足结构强度要求。垂直桥面方向采用3mm*0.35mm

拉条连接，增强模型整体性。“V”型门架柱子采用0.35mm厚竹皮制作成的6mm*7mm日字杆，柱脚用螺钉卡住防止其滑动。格构柱垂直及水平方向杆件采用2mm*2mm竹条，其余部分均采用2mm*0.35mm拉条，增强格构柱稳定性及整体性。连续格构柱连续高度为270mm、260mm、250mm。

1.2 设计思路

1.2.1 设计思路

此次结构设计竞赛要求设计的模型为渡槽支承结构，制作材料为本色复压竹皮及竹条。根据题目要求，在满足高差要求、输水效率、指定水流路径点，结构各构件形式可合理设计，布置、构件内部构造以及构件的平面内约束在规定范围内即可，这就给我们的方案设计提供了空间，我们的设计思路如下：1）确保主体结构强度与稳定性，保证结构正常使用极限状态

根据本次比赛的评分规则，结构首先应能承受50kg加载和不整体失稳，故在制作时注重结构的整体性和对称性的精确度与锚固可靠性。

2）优化结构强度、刚度分布

经过理论分析，模型在竖向荷载和水流冲击作用下，结构主要承受竖向弯矩作用和面外倾覆，需要足够的抗弯刚度和稳定性，因此采用张弦式桥和多跨支撑结构。同时由于水流的加载过程会逐渐产生不同程度的偏心，弯矩将达到增大，然后逐渐减小直至稳定，而剪力逐渐增大直至最大，期间桥梁结构将可能产生简谐振动，最终结构跨中弯矩最大，柱顶剪力最大。据此我们的桥梁结构采用了张弦梁形式多跨支撑及连续格构柱支撑形式，有效利用竹皮良好的抗拉性能，具有较大的竖向承载力。在此条件下，利用软件计算分析模型顶部倾覆，尝试找到在满足强度要求的前提下又具有一定的抗侧刚度，同时又不至于竖向位移太大而降低输水效率。柱与卡扣榫卯构件相连接并用螺钉紧固，连接牢固，脱落概率极小。桥梁上弦杆拉拉条保证竖向构件稳定性及模型整体性，张弦式桥梁竖向承载力比较好，只是安装时给拉条施加的预应力效果会影响承载力。

3）平面外设置拉条，提高结构抗侧刚度

结构虽然具有足够刚度但结构整体性不足，在桥两端均设置了拉条，使当结构存在侧倾倾向时能够拉的住此模型，且在静载作用下，在结构发生扭转时，拉条的一松一紧，有效抵抗扭矩防止节点脱开。