結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽說明書

1、 第一屆遼寧省普通高等學(xué)校大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)方案 作品名稱 蓄勢(shì)待發(fā)（Ready to be launched） 學(xué)校名稱 遼寧工程技術(shù)大學(xué) 學(xué)生姓名 紀(jì)恩宇 學(xué)號(hào) 0309020108 學(xué)生姓名 金明昌 學(xué)號(hào) 0309010306 學(xué)生姓名 龔文棋 學(xué)號(hào) 0309120103 指導(dǎo)教師 鄭大為 聯(lián)系電話 二OO七年四月二十日目錄第一篇 設(shè)計(jì)說明書一、設(shè)計(jì)概要二、結(jié)構(gòu)材料分析三、特色說明第二篇 方案圖一、整體布置圖二、節(jié)點(diǎn)分析圖三、方案效果圖第三篇 計(jì)算書一、橋梁簡(jiǎn)圖二、結(jié)構(gòu)組成分析三、結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算分析四、結(jié)構(gòu)位移計(jì)算分析五、結(jié)構(gòu)影響線的計(jì)算分析第一篇 設(shè)計(jì)說明書一、設(shè)計(jì)概要這是遼寧省第一

2、屆大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，賽事規(guī)格和學(xué)術(shù)水平均較達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。這次競(jìng)賽旨在鼓勵(lì)同學(xué)們充分發(fā)揮自己的想象力和創(chuàng)造力，多方面培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、合作精神，提高大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力、動(dòng)手實(shí)踐能力與綜合素質(zhì)，豐富校園學(xué)術(shù)氛圍，促進(jìn)高校大學(xué)生相互交流與學(xué)習(xí)，培養(yǎng)科學(xué)的思維方法，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度，并且很好的將學(xué)術(shù)性與趣味性融合于一體。通過參加本次競(jìng)賽，我們收獲很大，也許我們的作品并沒能作到最佳設(shè)計(jì)，但我們確實(shí)付出了自己的努力。在確定模型方案的過程中，為了使結(jié)構(gòu)在滿足承載力要求的情況下自重盡可能輕，我們采用了優(yōu)化技術(shù)，充分發(fā)揮材料的利用率。然后利用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器進(jìn)行受力分析，并依據(jù)得到的結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)破壞形式進(jìn)行

3、分析，并針對(duì)對(duì)此采取一定的措施，進(jìn)而使自己的方案設(shè)計(jì)趨于完美。1、方案構(gòu)思本次設(shè)計(jì)競(jìng)賽給了我們一個(gè)拓展自己創(chuàng)新能力的空間和平臺(tái)，在方案構(gòu)思與模型制作過程中，我們深深體會(huì)到了一個(gè)美的創(chuàng)造者與追求者的收獲與自豪。從美學(xué)角度來說，橋梁在滿足功能要求的前提下，要選用最佳的結(jié)構(gòu)型式純正、清爽、穩(wěn)定。質(zhì)量統(tǒng)一于美，美從屬質(zhì)量。美，主要表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)選型和諧與良好的比例，并具有秩序感和韻律感，過多的重復(fù)會(huì)導(dǎo)致單調(diào)。重視與環(huán)境協(xié)調(diào)，材料的選擇，表面的質(zhì)感，特別色彩的運(yùn)用起著重要作用。模型檢試有助于實(shí)感判斷，審視陰影效果。美麗的橋梁應(yīng)以其個(gè)性對(duì)人們產(chǎn)生積極的影響。美和倫理本是相通的，美的環(huán)境將直接陶冶人們的情操，大

4、自然的美，人為環(huán)境的美，對(duì)人們身心健康是必需的。我們將在今年完成大學(xué)本科的學(xué)業(yè)，走向工作崗位，經(jīng)過大學(xué)四年的學(xué)習(xí)生活，我們基本達(dá)到了本專業(yè)的本科教學(xué)要求，現(xiàn)在就象是一蓄勢(shì)待發(fā)的弓箭，滿懷信心和抱負(fù)，想要在本行業(yè)的相關(guān)領(lǐng)域取得相應(yīng)的成就。這次遼寧省首屆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽是一場(chǎng)及時(shí)雨，又一次給了我們施展才華的舞臺(tái)，讓我們能夠更好的把本科階段所學(xué)的專業(yè)知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐。所以本次競(jìng)賽我們作了充分的準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備在競(jìng)賽階段取得好成績(jī)。為了體現(xiàn)我們現(xiàn)在的心情，我們將此橋命名為“Ready to be launched”。2、方案的布局與功能張弦梁結(jié)構(gòu)最早是由日本大學(xué)M.Saitoh教授提出，是一種區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的

5、新型雜交結(jié)構(gòu)體系。張弦梁結(jié)構(gòu)是一種由剛性構(gòu)件上弦、柔性拉索、中間連以撐桿形成的混合結(jié)構(gòu)體系，其結(jié)構(gòu)組成是一種新型自平衡體系，是一種大跨度預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系，也是混合結(jié)構(gòu)體系發(fā)展中的一個(gè)比較成功的創(chuàng)造。張弦梁結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)單、受力明確、結(jié)構(gòu)形式多樣、充分發(fā)揮了剛?cè)醿煞N材料的優(yōu)勢(shì)，因此具有良好的應(yīng)用前景。張弦梁結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理為通過在下弦拉索中施加預(yù)應(yīng)力使上弦壓彎構(gòu)件產(chǎn)生反撓度，結(jié)構(gòu)在荷載作用下的最終撓度得以減少，而撐桿對(duì)上弦的壓彎構(gòu)件提供彈性支撐，改善結(jié)構(gòu)的受力性能?！癛eady to be launched”橋的上弦的壓彎構(gòu)件采用拱梁，在荷載作用下拱的水平推力由下弦的抗拉構(gòu)件-繩來承受，減輕拱對(duì)支座

6、產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)，減少滑動(dòng)支座的水平位移。由此可見，張弦梁結(jié)構(gòu)可充分發(fā)揮高強(qiáng)索的強(qiáng)抗拉性能改善整體結(jié)構(gòu)受力性能，使壓彎構(gòu)件和抗拉構(gòu)件取長(zhǎng)補(bǔ)短，協(xié)同工作，達(dá)到自平衡，充分發(fā)揮了每種結(jié)構(gòu)材料的作用。二、結(jié)構(gòu)、材料分析1、結(jié)構(gòu)分析：張弦梁結(jié)構(gòu)在充分發(fā)揮索的受拉性能的同時(shí)，由于具有抗壓抗彎能力的拱而使體系的剛度和穩(wěn)定性大為加強(qiáng)，并且由于張弦梁結(jié)構(gòu)是一種自平衡體系，使得支撐結(jié)構(gòu)的受力大為減少。如果在模型制作過程中采用適當(dāng)?shù)姆椒ǚ旨?jí)施加預(yù)拉力和分級(jí)加載，將有可能使得張弦梁結(jié)構(gòu)對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的作用力減少到最小限度。張弦梁結(jié)構(gòu)是現(xiàn)在比較新穎的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)由剛度較大的抗彎構(gòu)件（又稱剛性構(gòu)件，我們用的是梁）和高強(qiáng)度的弦（

7、又稱柔性構(gòu)件，我們用繩代替索）以及連接兩者的撐桿組成;通過對(duì)柔性構(gòu)件施加拉力，使相互連接的構(gòu)件成為具有整體剛度的結(jié)構(gòu)。為減少材料用量和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體性，我們采用圖示梁的分布形式：2、材料分析：其中上弦桿采用白卡紙卷成的空心桿，拉索采用臘繩，中間連接構(gòu)件也采用白卡紙卷成的空心桿。（1）、（2）作為一個(gè)整體，采用1094×30mm2白卡紙卷成空心桿；（5）采用兩張250×20 mm2白卡紙，卷成空心桿，也在下端挖槽（繩綁扎點(diǎn)）；（3）、（4）是受拉體系，采用臘繩代替，以充分發(fā)揮其抗拉性能，和抗彎性能極大的上弦桿通過豎桿連結(jié)，形成整體剛度較強(qiáng)的張弦梁結(jié)構(gòu)。三、特色說明張弦梁結(jié)構(gòu)的

8、整體剛度來自抗彎構(gòu)件截面和與拉索構(gòu)成的幾何形體兩個(gè)方面，是種介于剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)之間的半剛性結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有以下特征：（1）承載能力高張弦梁結(jié)構(gòu)中索內(nèi)施加的預(yù)應(yīng)力可以控制剛性構(gòu)件的彎矩大小和分布。例如，我們的模型的剛性構(gòu)件為梁，在梁跨1/2處設(shè)兩個(gè)撐桿，然后這兩個(gè)撐桿之間用一根橫桿連接，以達(dá)到穩(wěn)定的效果，撐桿下端與梁的兩端均與索連接，在集中荷載作用下，單純梁內(nèi)彎矩; 在索內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力后，通過支座和撐桿，索力將在梁內(nèi)引起負(fù)彎矩。（2）使用荷載作用下的變形小張弦梁結(jié)構(gòu)中的剛性構(gòu)件與索形成整體剛度后，這一空間受力結(jié)構(gòu)的剛度就遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單純剛性構(gòu)件的剛度，在同樣的使用荷載作用下，張弦梁結(jié)構(gòu)的變形比單

9、純剛性構(gòu)件小得多，主要由于此結(jié)構(gòu)具有自平衡功能。當(dāng)剛性構(gòu)件為拱時(shí)，將在支座處產(chǎn)生很大的水平推力。索的引入可以平衡側(cè)向力，從而減少對(duì)下部結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的要求，并使支座受力明確，易于設(shè)計(jì)與制作。（3）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)張弦梁結(jié)構(gòu)在保證充分發(fā)揮索的抗拉性能的同時(shí)，由于引進(jìn)了具有抗壓和抗彎能力的剛性構(gòu)件而使體系的剛度和形狀穩(wěn)定性大為增強(qiáng)。同時(shí)，若適當(dāng)調(diào)整索、撐桿和剛性構(gòu)件的相對(duì)位置，可保證張弦梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。（4）建筑造型適應(yīng)性強(qiáng)張弦梁結(jié)構(gòu)中剛性構(gòu)件的外形可以根據(jù)建筑功能和美觀要求進(jìn)行自由選擇，而結(jié)構(gòu)的受力特性不會(huì)受到影響。張弦梁結(jié)構(gòu)的建筑造型和結(jié)構(gòu)布置能夠完美結(jié)合，使之適用于各種功能的大跨空間結(jié)構(gòu)。（5）

10、建筑經(jīng)濟(jì)張弦梁結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單，只有梁和索兩種構(gòu)件，結(jié)構(gòu)用材少，達(dá)到經(jīng)濟(jì)的效果。第二篇 方案圖一、整體布置圖：二、結(jié)點(diǎn)構(gòu)件詳圖：跨中結(jié)點(diǎn)：支座結(jié)點(diǎn)的綁扎：下弦跨中結(jié)點(diǎn)：三、 方案效果圖：第三篇 計(jì)算書一、橋梁簡(jiǎn)圖：1、小車作用在整個(gè)結(jié)構(gòu)跨中時(shí)：2、小車作用在第一跨跨中時(shí)：二、結(jié)構(gòu)組成分析：不必考慮大地及其支座剛片 1 由以下桿件構(gòu)成：(1) (2) 由二元體規(guī)則,將桿件(3) (4) 加入到剛片 1剛片 1 由以下桿件構(gòu)成：(1) (2) (3) (4) (5) 結(jié)論:此結(jié)構(gòu)為有多余約束的幾何不變體系,結(jié)構(gòu)多余約束數(shù):1 ,自由度數(shù):0三、結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算分析：1、當(dāng)小車作用在整個(gè)結(jié)構(gòu)跨中時(shí)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)

11、力分布如下表：桿端內(nèi)力值 ( 乘子 = 1) 桿端 1 桿端 2 單元碼 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩 1 -2.79658969 -0.63603053 0.00000000 -2.79658969 -1.63603053 -402.608699 2 -2.79658969 1.63603053 -402.608699 -2.79658969 0.63603053 0.00000000 3 3.23998608 0.00000000 -0.00000000 3.23998608 0.00000000 0.00000000 4 3.23998608 0.00000000 0.000000

12、00 3.23998608 0.00000000 0.000000005 -3.27206106 -0.00000000 0.00000000 -3.27206106 -0.00000000 -0.00000000其彎矩圖如下：跨中最大彎矩是M3=482.61KN·m<MMAX綜上，結(jié)構(gòu)承載力滿足要求。2、當(dāng)小車作用在第一跨跨中時(shí)，其結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布如下表：桿端內(nèi)力值 ( 乘子 = 1) 桿端 1 桿端 2 單元碼 軸力 剪力 彎矩 軸力 剪力 彎矩 1 -2.27492095 0.16915045 0.00000000 -2.27492095 -1.83084955 -454.4

13、74702 2 -2.27492095 0.83084955 -454.474702 -2.27492095 0.83084955 0.00000000 3 2.63560730 0.00000000 0.00000000 2.63560730 0.00000000 -0.00000000 4 2.63560730 0.00000000 -0.00000000 2.63560730 0.00000000 0.00000000 5 -2.66169910 -0.00000000 0.00000000 -2.66169910 -0.00000000 -0.00000000其彎矩圖如下：跨中最大彎矩

14、是M3=454.47KN·m<MMAX綜上，結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求。四、結(jié)構(gòu)位移計(jì)算分析：1、當(dāng)小車作用在跨中時(shí)，其結(jié)構(gòu)位移如下表：桿端位移值 ( 乘子 = 1) 桿端 1 桿端 2 單元碼 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角 1 0.00000000 0.00000000 0.17044039 -0.01369920 52.5868686 -0.00000000 2 -0.01369920 52.5868686 -0.00000000 -0.02739839 0.00000000 -0.17044039 3 -0.01369920 5

15、2.6915745 -1.49893936 0.00000000 0.00000000 1.66969205 4 -0.02739839 0.00000000 -1.66969205 -0.01369920 52.6915745 1.49893936 5 -0.01369920 52.5868686 -0.00000000 -0.01369920 52.6915745 -0.00000000其中位移圖：結(jié)構(gòu)最大豎向位移發(fā)生在（3）結(jié)點(diǎn)跨中，V=52.69<VMAX結(jié)構(gòu)最大轉(zhuǎn)角位移發(fā)生4結(jié)點(diǎn)，=1.670，滿足要求。2、當(dāng)小車作用在第二跨跨中時(shí)，其結(jié)構(gòu)位移如下表：桿端位移值 ( 乘子 =

16、1) 桿端 1 桿端 2 單元碼 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角 1 0.00000000 0.00000000 0.12422289 -0.01114378 52.6175610 0.03165926 2 -0.01114378 52.6175610 0.03165926 -0.02228757 0.00000000 -0.18754140 3 -0.01114378 52.7027354 -1.49892212 0.00000000 0.00000000 1.66970928 4 -0.02228757 0.00000000 -1.66970

17、928 -0.01114378 52.7027354 1.49892212 5 -0.01114378 52.6175610 -0.00000000 -0.01114378 52.7027354 -0.00000000其中位移圖：結(jié)構(gòu)最大豎向位移發(fā)生在（3）單元跨中，V=52.69<VMAX結(jié)構(gòu)最大轉(zhuǎn)角位移發(fā)生4結(jié)點(diǎn)，=1.670，滿足要求。五、結(jié)構(gòu)影響線的計(jì)算分析：1、（2）單元距離桿端1 1/10的截面的影響線圖：2、（2）單元距離桿端1 1/10的截面的影響線數(shù)據(jù)：?jiǎn)挝缓奢d方向 = 向下影響線性質(zhì)： 單元 = 2 截面 = 0.1000 內(nèi)力 = 彎矩(M)桿端虛位移值 ( 乘子

18、= 1) 桿端 1 桿端 2 單元碼 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角 u -水平位移 v -豎直位移 -轉(zhuǎn)角 1 0.00000000 0.00000000 -0.22429513 0.02140101 0.25704217 0.45000000 2 0.02140101 0.25704217 0.45000000 0.04280202 0.00000000 0.12429513 3 0.02140101 0.09346958 0.00014436 0.00000000 0.00000000 0.00014436 4 0.04280202 0.00000000 -0.00014436 0.02140101 0.09346