精選文檔橋梁模型木桁架設(shè)計(jì)說明書

1、橋梁模型制作20112011/11/24目錄1.方案的設(shè)計(jì)思路31.1利用木構(gòu)件受拉還是受壓強(qiáng)度31.2比較卯榫連接與膠連接42.結(jié)構(gòu)尺寸選擇52.1擬定梁高、節(jié)間長(zhǎng)度、斜腹桿傾角52.2最優(yōu)化設(shè)計(jì)62.2.1模型假設(shè)與約定62.2.2符號(hào)說明列表62.2.3模型圖例62.2.4最優(yōu)計(jì)算63.制造工藝83.1膠水的薄厚與連接強(qiáng)度的關(guān)系83.2木構(gòu)件表面的粗糙度與連接強(qiáng)度的關(guān)系94.其他有特色方面的說明94.1縱向預(yù)應(yīng)力94.2豎向預(yù)應(yīng)力104.3含水率的影響105.參考文獻(xiàn)11橋梁模型設(shè)計(jì)說明書1. 方案的設(shè)計(jì)思路由于結(jié)構(gòu)主要承受豎向力，所以結(jié)構(gòu)選型主要在于正面的形狀。平縱聯(lián)和橫聯(lián)只用于提供側(cè)

2、向支撐，減小主桁長(zhǎng)細(xì)比，而且形成空間效應(yīng)，共同作用，提高抗扭剛度，具體計(jì)算需要空間有限元計(jì)算。1.1 利用木構(gòu)件受拉還是受壓強(qiáng)度方案一：斜腹桿受拉：方案二：斜腹桿受壓：木材的順紋抗拉強(qiáng)度，是指木材沿紋理方向承受拉力荷載的最大能力。木材的順紋抗拉強(qiáng)度較大，各種木材平均約為117.7-147.1mpa，為順紋抗壓強(qiáng)度的2-3倍。這是木材受拉的優(yōu)點(diǎn)強(qiáng)度大。但是，木材受拉有以下缺點(diǎn)：（1）木材順紋受拉的應(yīng)力應(yīng)變曲線接近于直線，因此木材受拉破壞前并無明顯的塑性變形階段，表現(xiàn)為脆性破壞。木材順紋受壓破壞時(shí)，纖維失穩(wěn)而屈曲。木材順紋受壓和受拉相比，受壓時(shí)木材具有較好的塑性。（2）由于木材順紋受壓時(shí)的纖維失穩(wěn)

3、屈曲性質(zhì)，能使局部的應(yīng)力集中逐漸趨于緩和，所以在受壓構(gòu)件中通常可以不考慮應(yīng)力集中的不利影響。（3）木節(jié)（如右圖）對(duì)受拉構(gòu)件承載能力的影響很大，木節(jié)與周圍木質(zhì)之間的聯(lián)系很差，削弱了截面，并使截面偏心受力。而木節(jié)對(duì)受壓強(qiáng)度的影響也遠(yuǎn)小于對(duì)受拉強(qiáng)度的影響。綜上所述，木構(gòu)件的受壓要比受拉工作可靠的多。方案三：考慮弧形桁架決定利用木構(gòu)件抗壓后，我們看到，可以進(jìn)一步改進(jìn)為弧形桁架，其有以下優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：（1）受力更接近彎矩圖的形狀，受力更為合理，可充分利用材料。（2）針對(duì)本模型來說，如果上弦桿用一整根桐木條制造，則木條上側(cè)受拉，下側(cè)受壓，在加荷時(shí)，構(gòu)件上側(cè)受壓，下側(cè)受拉相反。也就是說，弧形桐木條能提供一小

4、部分預(yù)應(yīng)力。缺點(diǎn)：但其計(jì)算復(fù)雜，而且拼裝工藝也較復(fù)雜。方案四：交叉式腹桿桁架：兩套腹桿能夠承受更大的剪力，但是自重更大。需要計(jì)算確定荷重比（ f=q/w ）進(jìn)行取舍，其中 q 代表模型所承受的靜荷載或沖擊荷載（ n ）， w代表模型 自重（ n ）。缺點(diǎn)：斜腹桿端部伸入點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，膠水不好粘。并且存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。另，在后文的驗(yàn)算中，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的控制桿件為中部的下弦桿。加強(qiáng)腹桿能夠提高結(jié)構(gòu)剛度，但對(duì)承載力提高不大。而本模型的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)是載重/自重，不需要考慮變形。所以，我組直接沒有采用這種交叉式腹桿結(jié)構(gòu)，以減輕自重。1.2 比較卯榫連接與膠連接卯榫連接，對(duì)于本模型來說：木構(gòu)件很小，進(jìn)行卯榫連接的工

5、藝過于復(fù)雜。工具、材料和時(shí)間有限。在關(guān)鍵部位采用卯榫連接提高結(jié)構(gòu)的延性。 膠連接的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：高度的剛性；在通常的情況下，當(dāng)連接的面積相等時(shí)具有較高的承載能力缺點(diǎn)：對(duì)不熟練的制造高度敏感；缺乏明顯的生產(chǎn)控制；在現(xiàn)場(chǎng)制造受到嚴(yán)格限制；復(fù)雜的力學(xué)機(jī)理；往往是非常脆性的。綜上所述，我組主要采用膠連接，局部使用卯榫連接。2. 結(jié)構(gòu)尺寸選擇22.1 擬定梁高、節(jié)間長(zhǎng)度、斜腹桿傾角題目要求橋梁總長(zhǎng)在900100mm，梁高為100200mm。首先，讓我們來思考梁高越大越好，還是越小越好。對(duì)于平行弦桁梁。主桁高度應(yīng)先滿足使用要求，對(duì)本模型，即：題目要求的100mm200mm。下面考慮剛度、材料用量與梁高的關(guān)

6、系。在剛度方面，當(dāng)跨度一定時(shí)，桁高越大，撓度就越小，梁端轉(zhuǎn)角也越小，有利于小車的平順和安全行駛；反之，桁高越小不僅會(huì)對(duì)行車有影響，節(jié)點(diǎn)剛性次應(yīng)力和活載動(dòng)力作用也越大。在材料用量方面，當(dāng)跨度一定時(shí)（900mm），桁高越大，弦桿受力越小，弦桿用材量就少，但腹桿較長(zhǎng)，腹桿用材量較大；反之，當(dāng)桁高減小時(shí)，弦桿用木量增加但腹桿用木量增大。查閱資料表明，用量最少的梁高約為其跨度的1/62/13。這里我組自己建模，進(jìn)行了最優(yōu)化設(shè)計(jì)。梁高、節(jié)間長(zhǎng)度、斜腹桿傾角都會(huì)影響斜腹桿長(zhǎng)度，因此我組綜合考慮進(jìn)行了建模。2.2 最優(yōu)化設(shè)計(jì)11.11.2122.12.22.2.1 模型假設(shè)與約定（1）在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮受壓桿件

7、的長(zhǎng)度，因?yàn)閴簵U由穩(wěn)定控制。但是，考慮穩(wěn)定進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)過于麻煩，另外該模型木構(gòu)件的長(zhǎng)細(xì)比不是太大。因此，本模型假設(shè)不存在穩(wěn)定問題。（2）小車的力為兩個(gè)f/2的軸重，為簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)為一個(gè)集中力f。（3）桁架受軸力，忽略剛性次內(nèi)力。（4）按簡(jiǎn)支梁計(jì)算。（5）不考慮動(dòng)力效應(yīng)，即取沖擊系數(shù)為1.0。（6）只計(jì)算最不利位置。2.2.2 符號(hào)說明列表符號(hào)說明l模型長(zhǎng)度n節(jié)間長(zhǎng)度斜腹桿傾角a下標(biāo)下標(biāo)桿件的截面積f木材強(qiáng)度v木材體積h桁架高度f小車重量2.2.3 模型圖例圖例為8個(gè)節(jié)間的示意圖，節(jié)間為6或10與其類似。2.2.4 最優(yōu)計(jì)算按靜定結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支鋼橫梁進(jìn)行受力分析，計(jì)算簡(jiǎn)圖如下：計(jì)算結(jié)果如下：考慮到上

8、弦桿要承受同時(shí)彎矩、剪力，所以適當(dāng)提高上弦桿的截面積，使其與下弦桿截面積相同，這樣也便于計(jì)算。木構(gòu)件的截面積和長(zhǎng)度列表：項(xiàng)目截面積a長(zhǎng)度體積上、下弦桿2l豎腹桿（n+1）ltan斜腹桿總體積：由此，得到斜腹桿角度為45°。同時(shí)，得到n越小，材料用量越小。所以，取n=6。（當(dāng)n=4時(shí)，梁高超過200mm）綜上，可取橋全長(zhǎng)l=960mm，梁高h(yuǎn)=160mm。3. 制造工藝33.1 膠水的薄厚與連接強(qiáng)度的關(guān)系首先，我們來看膠水的強(qiáng)度：uhu膠水的強(qiáng)度：120公斤/平方厘米1 kg/cm2= 10n / 100mm2=0.1 mpa，而木材強(qiáng)度平均約為117.7-147.1mpa膠水強(qiáng)度太小

9、了，所以應(yīng)避免單純利用膠水抗拉。盡量利用膠水的抗剪強(qiáng)度。因?yàn)橥ǔＤz縫厚度非常薄，膠與木材之間的界面存在復(fù)雜的過渡，并且膠和木材剪切模量為可相比較的數(shù)值。通過改善連接處的粘接面形狀等，提高連接強(qiáng)度。通過查閱文獻(xiàn)，我們發(fā)現(xiàn)clad（1965）得到對(duì)于常用的膠黏劑，當(dāng)膠縫厚度為0.1mm、0.4mm和0.8mm時(shí)，剪變模量大致相應(yīng)于下列范圍：13001800n/mm2、700850n/mm2、和600n/mm2。綜上，粘接時(shí)應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：（1）盡量利用膠水抗剪，而不是抗拉；（2）壓緊壓薄，膠水越薄越結(jié)實(shí)。3.2 木構(gòu)件表面的粗糙度與連接強(qiáng)度的關(guān)系指形連接如下：這種連接可以提高抗拉強(qiáng)度。受力如下。原

10、理在于：（1）（2）受剪面積增大。其他方向的強(qiáng)度也增大了。綜上，增大粗糙度有利于提高抗剪強(qiáng)度，但是需注意保證連結(jié)構(gòu)件的完全契合，否則，連接內(nèi)部的缺陷會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中，降低承載力。4. 其他有特色方面的說明44.1 縱向預(yù)應(yīng)力棉線提供預(yù)拉應(yīng)力：類似下圖這種，首先拉緊棉線，然后在兩組棉線之間插入小木棒。接著，通過小木棒的旋轉(zhuǎn)讓兩組棉線絞在一起，拉緊下弦桿。4.2 豎向預(yù)應(yīng)力與上述工藝類似，由于支座外側(cè)的結(jié)構(gòu)受拉，提前施加預(yù)應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)受力有利。如下圖：4.3 含水率的影響水分會(huì)降低木材的強(qiáng)度和剛度，所以應(yīng)注意防潮。別讓木材受潮。另，平縱聯(lián)、橫向聯(lián)系主要起到形成整體空間結(jié)構(gòu)骨架的作用。只要實(shí)驗(yàn)時(shí)，小車荷載不偏離中線過多，沒有抗扭問題。則連接系不要太強(qiáng)，以減輕自重。5. 參考文獻(xiàn)1樊承謀等. 木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南m. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2010.2何敏娟等. 木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)m. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2008.3樊承謀等. 木結(jié)構(gòu)基本原理m. 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版