1、 第一届辽宁省普通高等学校大学生结构设计竞赛设计方案作品名称 飞虹架索 学校名称 辽宁工程技术大学 学生姓名 李天庆 学号 0309160112 学生姓名 刘金辉 学号 0309020115 学生姓名 张祥雨 学号 0309120131 指导教师 巩玉发 联系电话 04183350654 二 OO 七 年 四 月二十日目录“飞虹架索”设计说明书 1一、设计概要 3二、方案构思 31、材料力学性能估计 32、构件力学性能 33、桥梁骨架构思 4三、整体布局 4三、功能 5四、结构选择 51、简支梁 52、拱形结构 53、桁架结构 64、对桁加结构的三个方案进行进一步分析 6五、制作工艺 6六、画
2、龙点睛（特色说明） 8“飞虹架索”方案图 9一、效果图 9二、结构布置图 10“飞虹架索”结构计算书 11一、 计算设计模型 11二、荷载分析 11三、挠度分析 11四、 内力计算 15五、 承载能力估算 16“飞虹架索”设计说明书一、设计概要1.模型制作材料为白卡纸和乳白胶和蜡线。 2.模型跨度 1075 至 1100mm，支座简支，间距 1100mm，模型实际 长度为1094mm。桥面宽 150mm（300mm 的要求），桥最高点与最低点距 离 380mm，桥的框架结构宽 75mm（轴线距），结构高度不得高于或低于行车桥面 300。3.对称结构能通过长 200，宽 100，高 150的小车
3、。二、方案构思1、材料力学性能估计（1）、白卡纸作为模型材料，其力学性能特点是受拉性能良好，抗撕裂能力差，抗弯压能力近似为零。将纸折成圆筒并用乳胶粘结后，可承受一定的压力，但受长细比的限制，多为压杆失稳状态的受力破坏。可承受少许弯矩。 （2）、乳胶的粘接性能：纸带对接时强度约降低 50，低带侧接时，强度较高，认为与母材强度相同。（3）、 蜡线承受的拉力较大，一根承受 48N，两根承受 110N。2、构件力学性能我们先对设计荷载200N所需的构件载面大小，受压时的长细比限制做了初步估计，做了如下实验： （1）、用45mm宽纸条卷成内径5mm，外径10mm的圆筒，可承受远300N的拉力，因此这种拉
4、杆对设想中的几种方案均能满足受力需要。 （2）、将45mm宽纸条卷成内径10mm的圆筒，当长300mm时，可承受100N的压力。长度小于300mm进，受压能力100N，例如100mm长的压杆，可承受150N以上的压力。在此构件力学性能分析的基础上，我们认为：方案应选择多为拉杆，压杆短而受力小，尽量不受弯矩者为宜。3、桥梁骨架构思根据以上材料力学性能和构件力学性能进行方案构思,起主要作用的是上平弦杆，在水平方向延伸。下弦杆受拉，中间的斜杆件受压，支杆受压。桁架中的桁杆互相平行而有规则，看上去更轻快。飞虹架索桥桥骨架用料表（单位）总类 长 宽 外径 内径上弦杆 1094 200 30 10下弦杆
5、1200 200 20 10压杆 150 100 15 5斜压杆 720 150 20 5桁杆既不能太细也不能太粗，表面应是封闭的，与弦杆连接采用小结点绑扎，等价于铰结点。桁架桥上弦杆采用微曲杆，其整体性变的柔和美观，既显示了桥梁的预拱度，同时又很好的体现出将很大空间一跨而过的力动感。三、整体布局本桥下部采用桁架结构，上部采用斜拉桥形式，总体上属于组合体系桥梁。本桥采取的布局是对称形式。1、桥下部由三个全等的三角形构成，左右两个三角形又由支杆分成两个全等三角形。三角形比圆形、长形更具活力，容易增加空间感。三角形其能保持稳定性，在结构设计中可简化构件种类、减轻构件重量。2、直杆具有坚强刚直的特性
6、和冷峻感。桥梁是一种水平方向延伸的线形结构，水平上弦杆功能得到发挥。3、竖直杆体现力量的强度，表达了崇高向上、竖挺而严肃的情感。本桥的支杆和独柱式主塔都采用竖直杆，增加均衡稳定、比例和谐的美感。4、斜杆更具有力感、动感与方向感，显得活泼与生动。本桥的桁架中的腹杆、斜拉的绳索采用斜杆和斜线，简洁明快。三、功能本桥梁的功能主要有如下三个：第一、允许小车顺利通过。桥面宽 150，小车宽 100，两侧各余 25，单车道小车自由通行。第二、允许行人通过。在行车道与外栏杆之间有人行道，人行道与行车道之间有内栏杆相隔。第三、在桥梁的中间人行道处可以观看风景，作为观景台。 四、结构选择确定设计荷载为 200N
7、。考虑到压杆长细比限制，拉杆的抗撕裂能力等因素，拉杆均选用内径 10mm 罂杆件，拉杆外径 20mm，压杆选用内径 10mm,外径15mm。 在此基础上，做了以下几个方案分析： 1、简支梁简支梁受部分均布荷载（按加载要求）。由于构件受弯是非常不利的，因此如果选用简支梁的形式，梁堆截面应选用鱼腹梁的形式。但制作难度大。如果梁为几片相同形状的纸粘接加厚而成，则侧面易失稳。因此不便采用。 2、拱形结构拱桥最适于承受均布荷载，但在制作上较费材料。由于拱桥需要由很密的拱作片拼成，中间加肋，因此桥的自重较大，在目前桥梁的最大承重 200N 的限制下，不便采用。 3、桁架结构弯矩分布可以看出，采用梯形桁架较
8、接近弯矩分布，是合理结构。由于在要求荷载下，架桥水平方向必有压力，且要承受部分均布荷，是处于局部弯压状态。要使构件是较良好的压弯性能，必须多用材料，因此考虑通过局部构造措施，将均布荷载转换为两点或多点集中荷载。又由于结构须是对称的，为了节约材料、决定把集中荷载转化成两点集中荷载。因为桥面要满足通车的要求，因此需起伏较小，故采用平面。上（或下）弦为桥面，结点处通过 2mm 的突起支起加载板，使受集中力。由 于突起小，且不在桥面中间，不影响通车。4、对桁加结构的三个方案进行进一步分析第一种方案：压杆长，且压力较大，构造形由于是下方在通车，因此架间距应车宽 100mm，力由桁架间横撑连接再传至桁架上
9、，受力途径不简明。局部承压要求较高，浪费材料，故不宜采用。第二种方案：中间交叉的两杆若采用刚性杆，则拼接不易，若采用拉条，则结点不易处理，需耗费较多材料。 第三种方案：取上、下弦轴线距 150mm，上弦最高点与下弦最低点相距 170mm，满足要求。桥模名义长度 1094mm，实际桥面宽 150mm，两上弦杆间距 90mm，以确保加载板边缘不落在结点之间的杆长。五、制作工艺1、选用模具为光滑圆杆。2、上弦杆件为 1094长，200宽纸条卷成，视实际拼接情况加以切削。在粘接杆件时，为了防止乳胶干缩使杆件变形，杆件在模具上粘接，并完全晾干后方才取下。实际结果证明，这样取下后的杆件无一变弯的。 3、结
10、点。结点受力较为复杂，且易破坏。由于杆件均是薄壁圆杆，为保证结点抗撕裂、剪切、抗拉强度。以圆铅笔为模具，用 100mm 宽，65长纸条卷成 65长，外径 20的短杆 7 根备用，并在杆的两端用刀削成圆弧形。4、桁架的拼接。按每根杆的长度切好杆件，先接好下弦杆，再连接上弦杆与下弦杆校直，然后在上弦杆中间绑斜压杆，斜压杆与下弦杆连接，再连压杆烘干。再连接烘干，这样半个桁架连接好，并烘干后，方从拼接图上取下，进行下一榀杵架的连接。5、结点加固由结构力学的知识知这些结点都可按铰结点设计，考虑到支座结点的抗拉、抗剪切。抗撕裂能力不足，采用 1 条 3 宽 60mm 长纸条粘结在下弦杆及上弦杆上。6、两片
11、桁架的整体拼用两张桌子，调好间距，把两榀杵架架在中间，距离为 65mm，把横撑逐个粘接在桁架结点处。共用了 7 个横撑。待完全烘干之后，在两支点处插入圆杆,调整四点共面，烘干。加 150mm 宽，1024mm 长的桥面板（单层纸），晾干。正号代表受拉，负号代表受压。 六、画龙点睛（特色说明）此桥属无多余约束的静定桁架和斜拉组合体系桥，本桥共有四大特色：1、此桥刚度大，挠度小，质量轻，采用桁架的下部结构是最好的选择，且下部结构采用对称式布局，既美观又简洁。2、此桥的功能较多，既能行车，长廊内又能行人，还能在长廊内观看风景。3、此桥的上部采用斜拉式，拉索用蜡线代替钢铰线，又给人以韵律美的感官享受。
12、4、桥梁的长廊采用高低起伏的矩形，有一种万里长城高低起伏的感觉，既减轻了桥梁的自重，又美观。“飞虹架索”方案图一、效果图二、结构布置图“飞虹架索”结构计算书一、 计算设计模型ABCDEFG( 1)( 2)( 3)( 4) 5( 6) 7 8( 9)( 10) 2.05.025.25.9.88.510. .9.8二、荷载分析 小 车 施 加 的 荷 载三、挠度分析Fa=Fa/L Fb=Fa/L ;M1=Fax=Fb/Lx M2=Fb/Lx-F(x-a) ;EIW1=-M1=Fb/Lx EIW2=-M2=-Fb/Lx+F(x-a) ;由条件得：W1= Fbx/(2LEI) (L-b)/3-x ；W
13、2=Fb/(2LEI) (x-a)/6-x+(L-b)/3W1=Fbx/(6LEI) L-b-x ;W2=Fb/(6LEI) (x-a)/6-x+(L-b)x ;令 W1=0 得:x1=（L-b）/3 ;W(max)=W1(x=x1)0.0642FbL/(EI) ;因为值接近中点,所以取W=W1(x=L/2)=Fb/(48EI) (3L-4b)0.0625FbL/(EI);由于简支梁挠度变形过大,下面的就采用桁架形式.因为挠度计算,基本跨中挠度最大.根据结构力学求解器得出结构的位移图为: 24.513567-杆端 1 杆端 2- - 单元码 u -水平位移 v -竖直位移 -转角 u -水平位
14、移 v -竖直位移 -转角-1 0.00000000 0.00000000 -0.04059677 -1.19483438 -10.3521770 -0.040596772 -1.19483438 -10.3521770 -9.97464904 -2.38966875 -14.8646358 9.939257213 -2.38966875 -14.8646358 0.02295091 -3.31898438 -9.01215449 0.022950914 -3.31898438 -9.01215449 0.03534178 -4.24830000 0.00000000 0.035341785
15、0.00000000 0.00000000 -0.03667843 -4.11554063 -10.1684270 -0.036678436 -4.11554063 -10.1684270 -0.01947138 -1.19483438 -10.3521770 -0.019471387 -4.11554063 -10.1684270 -0.01663998 -2.38966875 -14.8646358 -0.016639988 -2.38966875 -14.8646358 0.02046377 -0.39827813 -9.01215449 0.020463779 -0.39827813
16、-9.01215449 0.00226720 -4.11554063 -10.1684270 0.0022672010 -3.31898438 -9.01215449 0.01947138 -0.39827813 -9.01215449 0.0194713811 -0.39827813 -9.01215449 0.03285464 -4.24830000 0.00000000 0.03285464-yx1234567( ) ( ) 58910最大位移是14.865mm .1234567yx-杆端 1 杆端 2- - 单元码 u -水平位移 v -竖直位移 -转角 u -水平位移 v -竖直位移
17、 -转角-1 0.00000000 0.00000000 -0.03534178 -0.92931563 -9.01215449 -0.035341782 -0.92931563 -9.01215449 -0.02295091 -1.85863125 -14.8646358 -0.022950913 -1.85863125 -14.8646358 -9.93925721 -3.05346563 -10.3521770 9.974649044 -3.05346563 -10.3521770 0.04059677 -4.24830000 0.00000000 0.040596775 0.00000
18、000 0.00000000 -0.03285464 -3.85002188 -9.01215449 -0.032854646 -3.85002188 -9.01215449 -0.01947138 -0.92931563 -9.01215449 -0.019471387 -3.85002188 -9.01215449 -0.02046377 -1.85863125 -14.8646358 -0.020463778 -1.85863125 -14.8646358 0.01663998 -0.13275938 -10.1684270 0.016639989 -0.13275938 -10.168
19、4270 -0.00226720 -3.85002188 -9.01215449 -0.0022672010 -3.05346563 -10.3521770 0.01947138 -0.13275938 -10.1684270 0.0194713811 -0.13275938 -10.1684270 0.03667843 -4.24830000 0.00000000 0.03667843-最大位移是 14.865mm 24.513567yx24-杆端 1 杆端 2- - 单元码 u -水平位移 v -竖直位移 -转角 u -水平位移 v -竖直位移 -转角-1 0.00000000 0.000
20、00000 -0.03796928 -1.06207500 -9.68216575 -0.037969282 -1.06207500 -9.68216575 -6.24341912 -2.12415000 -14.8646358 8.692010573 -2.12415000 -14.8646358 -8.69201057 -3.18622500 -9.68216575 6.243419124 -3.18622500 -9.68216575 0.03796928 -4.24830000 0.00000000 0.037969285 0.00000000 0.00000000 -0.034766
21、54 -3.98278125 -9.59029075 -0.034766546 -3.98278125 -9.59029075 -0.01947138 -1.06207500 -9.68216575 -0.019471387 -3.98278125 -9.59029075 -0.01855187 -2.12415000 -14.8646358 -0.018551878 -2.12415000 -14.8646358 0.01855187 -0.26551875 -9.59029075 0.018551879 -0.26551875 -9.59029075 0.00000000 -3.98278
22、125 -9.59029075 0.0000000010 -3.18622500 -9.68216575 0.01947138 -0.26551875 -9.59029075 0.0194713811 -0.26551875 -9.59029075 0.03476654 -4.24830000 0.00000000 0.03476654-最大位移是 14.865mm挠度满足要求。四、 内力计算Nfg 的轴力影响线：Naf 的轴力影响线：Ncf 的轴力影响线：Nab 的轴力影响线：Nbf 的轴力影响线：五、 承载能力估算杆件最大内力(G/4(max)=24.5N)：Nfg(max)=(G/4) 1.71+(510-120)/510=73.5N22.2A=2178.4NNaf(max)=(G/4) 1.481+(760-120)/760=66.8N2178.4NNbf(max)=(G/4) 11+(255-120)/255=-37.5N-7A=-240.6NNcf(max)=-Naf(max)=-66.8N-686.9NNab(max)=-(G/4) 1.271+(760-120)/760=-57.3N-686.9N
