結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽之橋梁模型設(shè)計(jì)

1、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽之橋梁模型設(shè)計(jì)戴潔（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510650）摘要：文中從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的模型要求及比賽加載方式分析入手，提出橋梁模型的設(shè)計(jì)方案構(gòu)思，選擇結(jié)構(gòu)方案.并進(jìn)一步對(duì)模型進(jìn)行了強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性受力分析。試驗(yàn)證明本次設(shè)計(jì)制作的橋梁模型非常堅(jiān)固，承受極限荷載接近于封頂值50kg。1橋梁模型設(shè)計(jì)1.1模型要求及加載方式分析結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽擬設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)模型。橋梁結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)尺寸要求為：橋面總長(zhǎng)l000mln;橋面高不低于120toni:橋面總寬160180rnITl;橋面凈空高度不小于200toni：最大跨徑不小于400mm。尺寸要求體現(xiàn)了橋梁設(shè)計(jì)的橋下凈空和橋面凈空等功能要求。比

2、賽加載方式為動(dòng)靜載結(jié)合方式，初賽要求徒手將一輛15kg的小車從橋頭拉至最大跨的跨中位置.并在該位置停留不少于5S然后拉到橋部。模型不至于失效方可進(jìn)入決賽。決賽采用跨中集中力加載方式，初始荷載為20,荷載增加梯度為5k次，封項(xiàng)荷載為50。每次加載后停留5So模型不失效即加載成功。模型不失效的標(biāo)準(zhǔn)：模型強(qiáng)度足夠、不失去整體承載力：模型跨中撓度不超過(guò)15mm。小小橋模型須承受1550kg的重量，由此帶來(lái)的跨中彎矩較大，承載亦不易。但更難控制的還是彎曲變形，撓度不超出15mln即要求模型具有足夠的抗彎剛度。1.2材料分析參賽的結(jié)構(gòu)模型要求采用組委會(huì)統(tǒng)一提供的繪圖紙、棉線和乳膠。主體材料為繪圖紙.輔助材

3、料為棉線和乳膠。單張的繪圖紙只能承受少量拉力，不能作為受彎、受壓構(gòu)件，即使多張繪圖紙疊放具有抗彎強(qiáng)度.也不能提供足夠的抗彎剛度。要使紙構(gòu)件提供足夠的強(qiáng)度和剛度.一種方法將紙卷成圓柱形.作成圓形梁和圓形柱：另一種方法將紙張切片疊成一定厚度并粘在一起.作成一定高度的薄梁.可以用作橋面的抗彎構(gòu)件。但從整體結(jié)構(gòu)上必須布置成縱、橫梁網(wǎng)格系。棉線抗拉能力強(qiáng)，不能受壓.只能用來(lái)做受拉構(gòu)件，吊（拉）橋面或捆綁節(jié)點(diǎn)，增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。白乳膠主要起粘結(jié)作用。1.3結(jié)構(gòu)選型與方案構(gòu)思鑒于比賽的加載重量大。且撓度變形量控制嚴(yán)格，橋型結(jié)構(gòu)不能采用單一的梁橋、拱橋、懸索橋，而必須采用組合體系橋梁。為使橋面平整，便于行車，主體

4、結(jié)構(gòu)采用梁式橋型。為了增強(qiáng)模型的整體抗彎強(qiáng)度和抗彎剛度.布置斜拉桿（索）或垂直吊桿（索）。用卷成圓柱形的紙桿作為剛性斜拉桿或吊桿.節(jié)點(diǎn)用棉線捆綁牢固，做成類似斜拉橋的板拉橋剛性拉桿。橋面下可用拱形結(jié)構(gòu)支撐橋面.也可以采用橋墩加斜撐輔助支撐橋面。拱形結(jié)構(gòu)受力合理.但制作困難。下部結(jié)構(gòu)主要采用實(shí)心的圓柱形紙桿作橋墩.由于直徑有限（直徑大時(shí)耗材多），難以保證橋墩的穩(wěn)定性，而空心紙卷制作起來(lái)有困難.也不能提供足夠的抗壓強(qiáng)度，所以橋墩結(jié)構(gòu)上必須加強(qiáng)各桿件的橫向聯(lián)系.以增強(qiáng)橋梁的整體穩(wěn)定性。主孔縱向設(shè)計(jì)為梁式橋結(jié)合“A”型塔斜拉橋。主梁5片，橫梁10根，等間距地布置主梁、橫梁，形成網(wǎng)格式梁式結(jié)構(gòu)?！癆”型

5、塔斜拉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙塔，兩側(cè)各一個(gè).中間設(shè)一撐桿加強(qiáng)兩邊“A”型塔的橫向聯(lián)系?！癆”型塔采用三角形剛架結(jié)構(gòu).中部設(shè)一橫梁.橫梁上設(shè)垂直的剛性吊桿和柔性的棉線吊索。上部結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中粗實(shí)線為紙桿，細(xì)實(shí)線為棉線。A型塔下面構(gòu)成橋梁的主孔。塔柱腳外各設(shè)一小孔作為邊孔。一J-I?JL平面橋梁模型上部結(jié)構(gòu)（單位工5）受材料限制，模型不可能仿照公路橋設(shè)計(jì)足夠粗大的橋墩。因此，為保證橋墩的穩(wěn)定性.三孔橋墩之問(wèn)設(shè)水平桿加強(qiáng)聯(lián)系.形成四邊形框架結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)柱的穩(wěn)定性。1.4橋梁模型受力分析圓柱形紙桿可以承受一定的拉力和壓力.可以作為受彎結(jié)構(gòu)的梁。梁的抗彎強(qiáng)度很大程度上取決于梁高，圓柱直徑越大，抗彎強(qiáng)度越大。網(wǎng)

6、格式梁式結(jié)構(gòu)使荷載沿縱橫向傳遞更均勻.減少單根梁集中受力。主跨中間布置45k2的集中荷載時(shí)，簡(jiǎn)單的梁橋按跨度50cm計(jì)，結(jié)構(gòu)須承受55Nm的彎矩.而紙桿梁高有限.結(jié)構(gòu)無(wú)法承受這么大的彎矩。實(shí)際模型結(jié)構(gòu)采用三孔連續(xù)結(jié)構(gòu)并結(jié)合“A”型塔斜拉橋。“A”型塔下布置多本垂直吊桿（索），再加上橋墩的斜撐桿，從力學(xué)計(jì)算上縮小跨度，有效減少?gòu)澗?。粗略?jì)算結(jié)構(gòu)實(shí)際承受彎矩為30N-m左右。若再考慮橫梁的橫向聯(lián)系作用.將荷載較均勻地分配給5片主梁，則單梁承受的彎矩更小。合理的結(jié)構(gòu)方案保證了結(jié)構(gòu)足夠的抗彎強(qiáng)度。實(shí)心圓柱紙桿具有一定的剛度.在荷載不大情況下.彎曲下沉的撓度較小。但要在跨中布置4050的集中荷載，將撓度

7、控制在15r而以內(nèi)并不容易。事實(shí)上參賽的多座橋梁模型承載能力很大，但剛度不足.導(dǎo)致荷載不大（eo3okg）情況下.變形超出15rrfn而失效。保證模型剛度足夠的措施首先是主梁、橫梁片數(shù)不宜過(guò)少.且布置成網(wǎng)格體系，保證模型有較大的整體抗彎剛度。其次，斜塔下垂吊剛性桿和柔性索，以抵抗跨中彎曲撓度。剛性桿比柔性索控制彎曲變形撓度能力強(qiáng).因?yàn)槿嵝缘拿蘧€易伸長(zhǎng)，斜拉或垂吊橋面時(shí)不易控制變形。但棉線基本不占重量.可用作輔助的斜拉索或吊索剛性桿只要在節(jié)點(diǎn)捆綁牢固，帶來(lái)的變形極小。下部結(jié)構(gòu)由四排雙柱式橋墩構(gòu)成。盡管實(shí)心圓柱紙桿作橋墩抗壓能力強(qiáng)，但由于桿細(xì).單根或單排樁柱墩的穩(wěn)定性不高。在荷載較大時(shí)。很容易導(dǎo)致

8、橋梁整體承載力不足而失效。若在邊孔內(nèi)各排樁柱墩之間設(shè)水平桿聯(lián)結(jié)。形成四邊形框架結(jié)構(gòu)。就可以大大增強(qiáng)柱的穩(wěn)定性。此外，兩邊“A型塔加上橫向聯(lián)系。從橋底到橋頂支承整個(gè)橋梁.大大提高了橋梁的整體穩(wěn)定性。2制作工藝制作橋梁模型即相當(dāng)于橋梁的施工過(guò)程，這是一個(gè)很關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。制作工藝，毫無(wú)疑問(wèn)在比賽中很重要質(zhì)量的好壞直接決定了加載的成敗。制作模型須以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)態(tài)度來(lái)對(duì)待，尺寸必須精確。模型凈寬誤差不超出/mm,凈空高度不小于200mm,這些都必須嚴(yán)格遵守，否則模型無(wú)法加載。此外，模型中每一根桿件都需要根據(jù)長(zhǎng)度、厚度精確取好圖紙，以保證尺寸準(zhǔn)確。在制作過(guò)程中，還要注意節(jié)點(diǎn)捆綁牢固，在模型加重載時(shí)，節(jié)點(diǎn)不牢固

9、，直接導(dǎo)致變形過(guò)大。圓形紙柱想象起來(lái)容易，制做起來(lái)困難。圖紙不容易卷實(shí)，而且容易偏斜。為了卷好每一根桿件.模型組同學(xué)做了多次試驗(yàn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。以1.5cm外徑實(shí)心柱為例：首先劃好圖紙，寬度可取100cm,長(zhǎng)度依構(gòu)件長(zhǎng)度而定，并在寬度每10cm處用鉛筆輕劃一些平行線作為控制線?？刂茍A形柱f梁）兩端卷速均勻。然后卷圓柱，兩個(gè)同學(xué)配合在O.5cm處折起并壓緊，開(kāi)始卷壓并拉紙，還有一個(gè)同學(xué)壓著還沒(méi)卷到的地方，直到卷完，這是最關(guān)鍵的一步，這時(shí)一不小心，紙就會(huì)損壞而作廢。在卷的過(guò)程中還需涂膠。涂膠要快，可用一些小的厚紙片用來(lái)刷膠，涂膠分兩次，待卷到一半處時(shí)涂一些膠，用以定位，卷到最后再涂膠封口。3結(jié)語(yǔ)試驗(yàn)證

10、明，本次設(shè)計(jì)制作的橋梁模型非常堅(jiān)固，成功接受了45的重荷載考驗(yàn)。在加載5Ok2時(shí)，撓度略超出15mm而失效。從比賽的角度來(lái)看，本次設(shè)計(jì)的橋梁模型缺點(diǎn)在于跨徑偏小，設(shè)計(jì)過(guò)于保守，有待于嘗試大跨徑橋梁模型設(shè)計(jì)。.這次比賽為同學(xué)們的理論知識(shí)與實(shí)踐結(jié)合提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。通過(guò)結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)制作，參賽同學(xué)充分理解了橋梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)造原理和受力特點(diǎn)。提高和鞏固了他們的力學(xué)知識(shí)、橋梁專業(yè)知識(shí).增強(qiáng)了大家的學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)也增強(qiáng)了他們的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)問(wèn)的合作精神。活躍了大學(xué)生的科技創(chuàng)新氛圍。我校的力學(xué)架構(gòu)模型設(shè)計(jì)大賽已舉行過(guò)多屆了，也有了多次走出去請(qǐng)進(jìn)來(lái)比賽的經(jīng)驗(yàn)。為了使同學(xué)們少走彎路和回頭路，設(shè)計(jì)制作水平能在前

11、人探索的基礎(chǔ)上不斷創(chuàng)新提高，特在此將一些結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)及要點(diǎn)小結(jié)一下，期望能對(duì)大家有所幫助。由于時(shí)間關(guān)系及發(fā)現(xiàn)真理的規(guī)律，不能一次寫完，請(qǐng)留意更新。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則：安全、適用、經(jīng)濟(jì)、美觀，完全適用于我們的力學(xué)架構(gòu)設(shè)計(jì)大賽：1、安全：應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度破壞一般發(fā)生在節(jié)點(diǎn)處。要對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加固，并采用使節(jié)點(diǎn)處的拉、壓桿件受力相互平衡的節(jié)點(diǎn)形式，構(gòu)建和諧節(jié)點(diǎn)。如采用讓拉桿連續(xù)通過(guò)，壓桿切斷但撐于節(jié)點(diǎn)上的形式。對(duì)于管狀的空心桿件在受到局部橫向壓力時(shí)，要在受壓處用橫隔加強(qiáng)。結(jié)構(gòu)失去整體穩(wěn)定而破壞的情況要多于強(qiáng)度破壞，特別是對(duì)于高架橋這樣的高個(gè)子結(jié)構(gòu)。不要迷戀對(duì)稱，對(duì)稱只

12、是個(gè)傳說(shuō)。側(cè)向受力是避免不了的，加載偏心、材料缺陷都會(huì)引起側(cè)向力，壓桿失穩(wěn)時(shí)會(huì)也產(chǎn)生側(cè)向剪力。設(shè)計(jì)時(shí)宜考慮有側(cè)向力（大小可以取豎向力的1/30）與豎向力同時(shí)作用于加載點(diǎn)處。通過(guò)水平支撐和豎向支撐（均為幾何不變的三角形體系），將側(cè)向力傳遞至基礎(chǔ)。建立起強(qiáng)有力的維穩(wěn)機(jī)制。截面較大的空心桿件會(huì)產(chǎn)生局部失穩(wěn)問(wèn)題，這時(shí)可采用蜂窩型截面解決。2、適用：應(yīng)滿足建筑要求，有良好的工作性能比賽前將有車、船模型作通過(guò)測(cè)試，如果不能滿足規(guī)則對(duì)通航、通車及加載設(shè)備安裝的要求，可能會(huì)直接出局。雖然這種情況不常發(fā)生，但不能掉以輕心。如對(duì)規(guī)則不明或有疑問(wèn)，應(yīng)及時(shí)向技術(shù)人員提出。變形過(guò)大會(huì)影響結(jié)構(gòu)的使用，變形超限也是很多模型

13、的失效模式。原因是模型剛度不足，這和不了解材料性能（如棉線變形過(guò)大是不適合做拉桿使用的），選擇桿件截面尺寸不當(dāng)及節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)失誤有關(guān)。目前，由于材料的彈性模量較難測(cè)定等原因，很難進(jìn)行精準(zhǔn)的變形計(jì)算。應(yīng)注重實(shí)踐，多做實(shí)驗(yàn)比理論計(jì)算更重要，概念設(shè)計(jì)比計(jì)算結(jié)果更重要。此外，空氣濕度對(duì)紙質(zhì)模型強(qiáng)度和剛度的影響也十分顯著，陰雨和回南天氣參賽時(shí)宜采取防潮措施。3、經(jīng)濟(jì)：在滿足上述要求前提下應(yīng)最省材料要求在滿足一定承載力的條件下，盡可能減輕模型的自重。荷重比為模型最大承載重量與模型自重的比值，模型的承載重量有封頂值，這就要求結(jié)構(gòu)的自重應(yīng)盡可能輕。設(shè)計(jì)時(shí)宜根據(jù)計(jì)算內(nèi)力的大小及性質(zhì)（拉、壓）來(lái)選擇桿件截面。制作時(shí)材

14、料應(yīng)精打細(xì)算，該用則用，能省就省。計(jì)算簡(jiǎn)圖要準(zhǔn)確，拉、壓桿的判斷很重要。可用截面法、節(jié)點(diǎn)法、位移法作簡(jiǎn)單受力分析，較精確數(shù)值可利用清華大學(xué)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計(jì)算。應(yīng)根據(jù)計(jì)算結(jié)果大致分配各桿件的用料。桿件的截面不宜采用實(shí)心，應(yīng)采用較開(kāi)展又能滿足局部穩(wěn)定的截面形式。常用的截面形式有O型、字型、日字型、目字型、蜂窩型、三角型、扁管型等，可綜合運(yùn)用之。4、美觀：盡量顯示結(jié)構(gòu)之美、力量之美。采用傳力準(zhǔn)確、簡(jiǎn)練、穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)形式，充分展示結(jié)構(gòu)之美。結(jié)構(gòu)形式有桁架結(jié)構(gòu)（由三角型布置的桿件通過(guò)較節(jié)點(diǎn)連接而成）、框架結(jié)構(gòu)（由平行布置的桿件通過(guò)剛節(jié)點(diǎn)連接而成）、蒙皮結(jié)構(gòu)等形式，可參考?xì)v屆大賽的作品，參閱教材和請(qǐng)教老師。

15、值得一提的是：節(jié)點(diǎn)連接宜摒棄用棉繩捆扎的初級(jí)做法，而采用全紙做的節(jié)點(diǎn)。必要時(shí)用紙片做成附加的傳力構(gòu)件（專業(yè)上稱為節(jié)點(diǎn)板），不僅受力可靠、重量輕，而且美觀、符合工程實(shí)際做法，在決賽的模型制作工藝評(píng)分中能拿到較高的分?jǐn)?shù)。模型制作的技巧：1、卷紙的工具可以用自制的木條、塑料片、到五金店買到的6mm直徑鋼條，還有到美術(shù)用品店上能夠買到的各種規(guī)格的塑料管。2、開(kāi)料時(shí)應(yīng)做好計(jì)劃，不應(yīng)臨時(shí)追加材料?？稍陔娔X上按測(cè)量及計(jì)算的尺寸模擬開(kāi)料，材料不夠時(shí)要修改設(shè)計(jì)或減少一些桿件的層數(shù)。3、由于參賽隊(duì)伍眾多，不可能在比賽前都能借用加載設(shè)備來(lái)試加載?？梢圆捎萌缦乱恍┖?jiǎn)易的測(cè)試方法：模型做好后，找一寬度等于加載鋼板的木板

16、放于模型上，由一體重不超過(guò)50kg的同學(xué)垂直按壓木板，或坐在椅子上水平輕推模型，如果結(jié)構(gòu)出現(xiàn)明顯晃動(dòng)或變形，則說(shuō)明穩(wěn)定性或承載力不足，趕緊想法修改設(shè)計(jì)或加固。如果全壓上去都不壞，說(shuō)明結(jié)構(gòu)有富裕，可以優(yōu)化。4、比賽時(shí)遇到下雨或潮濕天氣的概率很大，而比賽日期一般是不會(huì)改的，大家所能做的，是提前做好模型防水防潮措施?？諝鉂穸葘?duì)比賽結(jié)果的影響是很大的。如下雨天測(cè)量室內(nèi)的濕度是70%、室外的濕度是90%的話，根據(jù)以往比賽的經(jīng)驗(yàn)，如果紙質(zhì)模型長(zhǎng)期暴露在濕度如此大的空氣中，承載力要比晴天陽(yáng)光下（濕度約40%）時(shí)降低1/3左右。這是不利因素。對(duì)于有準(zhǔn)備的隊(duì)伍來(lái)說(shuō)，遇到這樣的天氣反而是一個(gè)機(jī)會(huì)。因?yàn)槟闳绻莆樟?/p>

17、使模型保持干燥的技巧，你就等于爭(zhēng)得了先機(jī)，站在比別人更前的起跑線上。使模型保持干燥有很多方法，例如在出發(fā)前用電吹風(fēng)等使模型徹底干燥，用事先準(zhǔn)備的塑料袋或薄膜甚至干燥的紙張等包起來(lái)帶到賽場(chǎng)直到上交前才打開(kāi)。這樣你就能獲得更輕的自重和至少增加5kg以上的承載力?？偠灾?，規(guī)則沒(méi)有禁止的手段都是可以用的，大家開(kāi)動(dòng)腦筋各想辦法吧。5、掌握好比賽時(shí)加載的節(jié)奏和速度，對(duì)提高比賽成績(jī)也有很大影響。對(duì)同一個(gè)模型來(lái)說(shuō)，加載的速度越快，其極限承載力就會(huì)越高。其原理就像一個(gè)舉重運(yùn)動(dòng)員，靠爆發(fā)力可以舉起很重的杠鈴，但要讓他放慢速度的話，速度拖得越慢，能舉起的重量就會(huì)越輕。但是，如果一味求快，放棄達(dá)到規(guī)則規(guī)定的5秒鐘（

18、決賽時(shí)為10秒）讀秒時(shí)間，一旦沖擊失敗，本級(jí)加載就是無(wú)效的，有可能損失慘重，這在上屆比賽中是有深刻教訓(xùn)的。比賽規(guī)則要求：第一級(jí)加載質(zhì)量不小于15kg（決賽不小于20kg,均含加載裝置），以后每級(jí)荷載增加梯度不小于5公斤，封頂荷載為50kg。每一次加載，裁判會(huì)在隊(duì)員手離開(kāi)該級(jí)最后一個(gè)祛碼并示意后開(kāi)始計(jì)時(shí)，模型在5秒鐘（決賽為10秒鐘）內(nèi)沒(méi)有失效即加載成功，可以進(jìn)行下一級(jí)加載。根據(jù)加載工具的實(shí)際情況，預(yù)賽時(shí)第一級(jí)荷載為加載裝置加上兩小兩大4個(gè)祛碼，后面還有7個(gè)大祛碼，每個(gè)5.1kg,可分多次加載。因此，最佳的加載操作為：當(dāng)裁判示意可以加載時(shí)，以最快的速度連續(xù)加上第一級(jí)的兩小兩大四個(gè)祛碼，同時(shí)示意裁判計(jì)時(shí)，先拿到保底的分?jǐn)?shù)。在讀秒期間操作手可以將下一級(jí)祛碼預(yù)先拿在手上，當(dāng)讀秒一結(jié)束荷載有效，便立即再加上一個(gè)祛碼；副手可以在一旁傳遞祛碼以協(xié)助操作手，如此這般便可以最短的時(shí)間加上盡可能多的祛碼。當(dāng)然，沒(méi)有最好，只有更好。如果你