二〇一四年十二月十九日
设计说明书目录
设计说明书目录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(1)
一、方案构思与结构体系„„„„„„„„„„„„„„„„„(2)
二、结构选型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(2)
三、结构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(3)
1. 桥面的设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„.(3)
2. 桥墩的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(3)
四、体系特色„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(4)
1. 结构特色„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(4)
2. 节点处理特色„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(4)
3. 制作特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(4)
五、模型制作加工图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(5)
六、结构分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(5)
一、方案构思与结构体系
美丽的桥梁常被人们比喻为“彩虹”,不仅为人类带来生产、生活的交通便利,更给予人类以美的享受,激发人类对生活与未来以更美好的期待,古今中外的文人墨客更是留下了无数赞美桥梁的不朽诗句,如“涧险泉声疑度雨,川平桥势若晴虹”(张昌宗∙《游石淙山》),“乘星开鹤禁,带月下虹桥”(虞世南∙《和銮舆顿戏下》)。“彩虹”的造型为我们本次桥梁模型的构思提供了灵感的源泉,我们以彩虹的造型作为我们桥梁主承重构件的形状,结合桥梁的使用功能要求(即本次三向加载的要求)设计了刚性桥面系杆,刚性系杆从彩虹中部穿过,桥面模型的本身就是一副美丽的图案,我们的桥梁模型的造型如图1所示。
图1 桥梁造型
二、结构的选型
目前的桥梁结构,主要有梁式桥、拱式桥、刚架桥、缆索承重桥。其中本次比赛所使用的材料为竹皮和502胶水。斜拉索结构对材料的抗拉性能要求比较高,要求的杆件要比较细,而本次比赛所使用的材料为竹皮和502胶水,502的抗拉性能比较差,而且想要得到较细的杆件对手工的要求比较高,本次比赛制作模型的时间有所限制,所以我们决定放弃选用斜拉索结构。梁式桥结构简洁,制作简单,比较适合用于本次比赛。但是梁式(桁架)结构的缺点是,在跨度较大的时候,受到竖向力时容易失稳。拱桥优点是跨度大,充分利用了材料的抗压性能,而且比较美观,有利于节省材料。同时拱桥对水平位移敏感,曲线形拱构件手工制作加工难度大。结合本次结构设计竞赛的要求,我们设计出一种介于拱桥和桁架桥的新型桥。以直代曲,用短直杆代替弯拱形成模拟拱,同时在拱内添加一些直杆形成桁架结构同时固定模拟拱的形状,使杆件充分受压。
本模型的类拱形杆件将桥面的竖向荷载传递到坚固的支座底部处,构件以轴向受压为主,刚性系杆的桥面承受桥面使用荷载与纵向及横向的外荷载,并将力传递到桥墩及拱形构件上,整个结构简洁自然,与桥梁的各类自然环境有很强的融合能力。
三、结构的设计
1. 桥面的设计
按照比赛的要求桥面受到的力有弯矩,剪力,扭矩,轴力其中弯矩对桥面的影响比较大,为了应对竖向弯矩,我们采用了以下两个方法。一、增大桥面中点处的横截面积,我们在桥面中间部分增加了材
料的用量。二、在桥面下方加几条斜撑杆,把力传到桥墩上去,减少桥面的跨度,从而减少跨中的弯矩。桥面的上部结构为虚拟拱和桁架结构相结合,在虚拟拱上的杆受到的力为压力,所以把这几条杆的截面做成方形,以充分利用竹皮的抗压性能。虚拟拱内部的杆受到的力主要是拉力,为了与虚拟拱的杆有更好的联系,我们采取了与虚拟拱同样截面大小的方形杆。桥面上还有由水平风荷载引起得到弯矩,可以在桥面上加上两根斜的刚性杆抵抗水平方向弯矩的影响。
2. 桥墩的设计
桥墩部分受到的力有轴力,轴力为拉力,同时还受到水平方向的风荷载和纵向荷载引起的弯矩,为了增强桥梁的水平承载能力,我们采取以下措施。一、加强桥墩顶部和桥面的连接,同时加强桥墩和基础的连结,使得桥墩和桥面与基础连城一个刚架体系。二、桥面杆件作成刚性杆件,并将其余两个桥墩形成三角形结构,利用三角形的稳定性较小风荷载的影响。
四、体系特色
1. 结构特点:本结构采取了梁式刚性构件与类拱结构结合的方式,增加了桥梁的刚度与承载能力,如彩虹般的外形景观赋予桥梁以鲜活的生命力。
2. 节点处理特点:节点的作用在于将各个构件连接成整体,杆件受力将力汇集在节点处,节点改变传力路径,承受复杂的受力状态,节点强度决定整个结构的预定功能的发挥及结构寿命,在节点处理上,我们采用了实体放样的方法,尽量使各杆件接触面光滑平整,接
缝自然流畅,黏结剂黏贴紧固,并通过实验反复确定节点的破坏形式及强度,尽量使结构的破坏不出现在节点处。
3. 制作特点:本结构从设计开始就考虑了制作的要求,为了固定杆件的形状加强杆件间的接触面积,我们在杆件的两端添加了长方体的填充物,并且用砂纸打磨成需要的形状增大接触面积。尽量统一了杆件的模数,提高了制作效率。
五、模型制作加工图
如图2,图3,图4所示
图2 模型立面图
图3 模型侧视图
图4 模型平面图
六、力学分析
由于本模型的特点,计算模型简化为三维桁架,不考虑结构的弯剪扭等强度特性,用SAP2000结构分析程序计算,以竖向50kg ,顺桥向12kg ,横向3kg 为模型最终结构荷载作用,分八级组合,
取其轴向力包络值作为各杆件截面用材的参考依据,并结合结构外观造型最终确定各截面的造型,本模型的用材总重量为350g ,挠度估算值为30mm 。最大组合轴力包络图如图5所示。
图5 轴力包络图(单位:10N)
二〇一四年十二月十九日
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一、方案构思与结构体系„„„„„„„„„„„„„„„„„(2)
二、结构选型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(2)
三、结构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(3)
1. 桥面的设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„.(3)
2. 桥墩的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(3)
四、体系特色„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(4)
1. 结构特色„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(4)
2. 节点处理特色„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(4)
3. 制作特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(4)
五、模型制作加工图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(5)
六、结构分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(5)
一、方案构思与结构体系
美丽的桥梁常被人们比喻为“彩虹”,不仅为人类带来生产、生活的交通便利,更给予人类以美的享受,激发人类对生活与未来以更美好的期待,古今中外的文人墨客更是留下了无数赞美桥梁的不朽诗句,如“涧险泉声疑度雨,川平桥势若晴虹”(张昌宗∙《游石淙山》),“乘星开鹤禁,带月下虹桥”(虞世南∙《和銮舆顿戏下》)。“彩虹”的造型为我们本次桥梁模型的构思提供了灵感的源泉,我们以彩虹的造型作为我们桥梁主承重构件的形状,结合桥梁的使用功能要求(即本次三向加载的要求)设计了刚性桥面系杆,刚性系杆从彩虹中部穿过,桥面模型的本身就是一副美丽的图案,我们的桥梁模型的造型如图1所示。
图1 桥梁造型
二、结构的选型
目前的桥梁结构,主要有梁式桥、拱式桥、刚架桥、缆索承重桥。其中本次比赛所使用的材料为竹皮和502胶水。斜拉索结构对材料的抗拉性能要求比较高,要求的杆件要比较细,而本次比赛所使用的材料为竹皮和502胶水,502的抗拉性能比较差,而且想要得到较细的杆件对手工的要求比较高,本次比赛制作模型的时间有所限制,所以我们决定放弃选用斜拉索结构。梁式桥结构简洁,制作简单,比较适合用于本次比赛。但是梁式(桁架)结构的缺点是,在跨度较大的时候,受到竖向力时容易失稳。拱桥优点是跨度大,充分利用了材料的抗压性能,而且比较美观,有利于节省材料。同时拱桥对水平位移敏感,曲线形拱构件手工制作加工难度大。结合本次结构设计竞赛的要求,我们设计出一种介于拱桥和桁架桥的新型桥。以直代曲,用短直杆代替弯拱形成模拟拱,同时在拱内添加一些直杆形成桁架结构同时固定模拟拱的形状,使杆件充分受压。
本模型的类拱形杆件将桥面的竖向荷载传递到坚固的支座底部处,构件以轴向受压为主,刚性系杆的桥面承受桥面使用荷载与纵向及横向的外荷载,并将力传递到桥墩及拱形构件上,整个结构简洁自然,与桥梁的各类自然环境有很强的融合能力。
三、结构的设计
1. 桥面的设计
按照比赛的要求桥面受到的力有弯矩,剪力,扭矩,轴力其中弯矩对桥面的影响比较大,为了应对竖向弯矩,我们采用了以下两个方法。一、增大桥面中点处的横截面积,我们在桥面中间部分增加了材
料的用量。二、在桥面下方加几条斜撑杆,把力传到桥墩上去,减少桥面的跨度,从而减少跨中的弯矩。桥面的上部结构为虚拟拱和桁架结构相结合,在虚拟拱上的杆受到的力为压力,所以把这几条杆的截面做成方形,以充分利用竹皮的抗压性能。虚拟拱内部的杆受到的力主要是拉力,为了与虚拟拱的杆有更好的联系,我们采取了与虚拟拱同样截面大小的方形杆。桥面上还有由水平风荷载引起得到弯矩,可以在桥面上加上两根斜的刚性杆抵抗水平方向弯矩的影响。
2. 桥墩的设计
桥墩部分受到的力有轴力,轴力为拉力,同时还受到水平方向的风荷载和纵向荷载引起的弯矩,为了增强桥梁的水平承载能力,我们采取以下措施。一、加强桥墩顶部和桥面的连接,同时加强桥墩和基础的连结,使得桥墩和桥面与基础连城一个刚架体系。二、桥面杆件作成刚性杆件,并将其余两个桥墩形成三角形结构,利用三角形的稳定性较小风荷载的影响。
四、体系特色
1. 结构特点:本结构采取了梁式刚性构件与类拱结构结合的方式,增加了桥梁的刚度与承载能力,如彩虹般的外形景观赋予桥梁以鲜活的生命力。
2. 节点处理特点:节点的作用在于将各个构件连接成整体,杆件受力将力汇集在节点处,节点改变传力路径,承受复杂的受力状态,节点强度决定整个结构的预定功能的发挥及结构寿命,在节点处理上,我们采用了实体放样的方法,尽量使各杆件接触面光滑平整,接
缝自然流畅,黏结剂黏贴紧固,并通过实验反复确定节点的破坏形式及强度,尽量使结构的破坏不出现在节点处。
3. 制作特点:本结构从设计开始就考虑了制作的要求,为了固定杆件的形状加强杆件间的接触面积,我们在杆件的两端添加了长方体的填充物,并且用砂纸打磨成需要的形状增大接触面积。尽量统一了杆件的模数,提高了制作效率。
五、模型制作加工图
如图2,图3,图4所示
图2 模型立面图
图3 模型侧视图
图4 模型平面图
六、力学分析
由于本模型的特点,计算模型简化为三维桁架,不考虑结构的弯剪扭等强度特性,用SAP2000结构分析程序计算,以竖向50kg ,顺桥向12kg ,横向3kg 为模型最终结构荷载作用,分八级组合,
取其轴向力包络值作为各杆件截面用材的参考依据,并结合结构外观造型最终确定各截面的造型,本模型的用材总重量为350g ,挠度估算值为30mm 。最大组合轴力包络图如图5所示。
图5 轴力包络图(单位:10N)