第1章结构选型.PDFVIP

华东地区高校结构设计邀请赛计算书 第 1 章 结构选型 1.1 设计方案 1.1.1 设计思想之源 分析此次设计竞赛的目的，设计作品应该使结构效率最大化，也即用最少的 材料消耗实现结构强度和刚度的最大化。由材料力学知，单元的基本应力状态有 拉、压、剪；构件基本受力状态为拉、压、弯、剪、扭。其中以受拉和受压杆件 效率最高。 而对于以实现跨越为主要目标的桥梁结构而言，最基本的结构形式为梁桥 （弯）、拱桥（压）与全索桥（拉）。从宏观角度看，为了平衡通行的车辆荷载， 任何跨越式结构都可以看成广义的梁；另一方面，即使最纯粹的梁，其主拉应力 线和主压应力线也包含“索结构”和“拱结构”的信息。 桁架桥可以看成透空的梁，上下弦杆的轴力构成梁截面的抵抗力偶，腹杆轴 力承担相应梁截面的剪力。理论上讲，桁架桥是一种高效的桥梁结构形式，基于 此，我们选用了桁架梁桥作为此次参赛作品的模型之源。 要想实现桥梁结构效率的最大化，必须在材料性能和传力途径两个方面予以 重视。需要尽可能充分发挥各种材料的受力特点，采用最短的传力途径，使车辆 荷载以最快的速度传到支座锚点上。 1.1.2 方案演化过程 根据上述目标，我们决定采用桁架结构形式。然而具体采用什么样的桁架？ 如何充分利用材料的特点？如何实现传力途径的最短？是我们在具体进行桥梁 设计制作过程中需要重点解决的问题。 此次设计所用材料为有机玻璃和镀锌铁丝，有机玻璃弹性模量低，仅为钢筋 弹性模量的 1/80 左右，有机玻璃的材料形式为板状，可以用作桥面板以及受压 杆件。镀锌铁丝强度和弹模均较有机玻璃高很多，主要用来承受拉力作用。为此 桁架的上弦杆和腹杆均采用有机玻璃，下弦杆采用镀锌铁丝。 为了充分发挥材料性能，将桥面板与上弦杆充分粘结，共同受力，这样可以 大大减小上弦杆的压应力，而且可以提高稳定性能。 为了能够充分发挥下弦铁丝的受力特点，采用体外预应力的体内张拉方法， 首先初步张拉镀锌铁丝，此时预应力依靠结构自身承担，待桥梁到桥台固定支座 后，外荷载将直接通过索传递到支座锚点上，实现传力途径的最短。 1.2 结构选型 桁架桥上下弦杆的轴力构成梁截面的抵抗力偶，用来抵抗外荷载作用引起的 1 细水长流——东南大学参赛作品 弯矩。理想的结构宏观形状应该与结构的弯矩包络图相吻合，在弯矩大的位置截 面高度大，这样就可以用最小的材料抵抗结构的弯矩。另外，腹杆轴力承担相应 梁截面由于外荷载作用引起的剪力，腹杆的承载能力应与剪力包络图相适应。 1.2.1 内力包络图 由结构力学知，可以方便地求得 10Kg 小车作用下简支梁桥的弯矩、剪力包 络图如图 1-1、1-2 所示。 单位 ： 图 1- 1 简支梁桥过车荷载弯矩包络图 单位 ： 图 1-2 简支梁桥过车荷载剪力包络图 1.2.2 结构选型 根据图 1-1，可以选择与弯矩包络图相适应的桁架布置形式，如图 1-3 所示， 选择“鱼腹形”桁架作为本次竞赛作品的方案。 图 1-3 模型效果图 桁架在靠近支座出腹杆最短，越靠近跨中长度越长，如果从稳定角度看，桁 2 华东地区高校结构设计邀请赛计算书 架腹杆在支座处承担荷载大，跨中处承担荷载小，这恰恰与剪力包络图一致，可 以说该模型是抗弯与抗剪的天然吻合。 作品采用 2 榀平行的鱼腹形桁架作为主要受力构件，传力途径如下：水平 荷载作用于桥面板中点处，主要由桥面板直接传递到支座锚点上；移动的小车荷 载首先由桥面板承担，传递到 2 榀桁架上，上弦杆和桥面板共同承受压力，拉力 主要由下弦的镀锌铁丝分担，铁丝通过支座锚固到锚点上。因此，水平荷载和竖 向荷载均能比较简捷地传递到支座上，结构力流明快顺畅。