飞虹架索设计说明书-毕业论文.doc

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 0418—3350654

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 3
1、材料力学性能估计 3
2、构件力学性能 3
3、桥梁骨架构思 4
三、整体布局 4
三、功能 5
四、结构选择 5
1、简支梁 5
2、拱形结构 5
3、桁架结构 6
4、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。
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
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。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，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。
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

二、荷载分析

三、挠度分析

Fa=F×a/L Fb=F×a/L ;
M1=Fa×x=F×b/L×x M2=F×b/L×x-F×(x-a) ;
EIW1〞=-M1=F×b/L×x EIW2〞=-M2=-F×b/L×x+F(x-a) ;
由条件得：
W1ˊ= F×b×x/(2×L×EI) ×[(L²-b²)/3-x²] ；
W2ˊ=Fb/(2×L×EI) ×[(x-a)²/6-x²+(L²-b²)/3]
W1=F×b×x/(6LEI) ×[L²-b²-x²] ;
W2=Fb/(6LEI) ×[(x-a)³/6-x³+(L²-b²)x] ;
令W1ˊ=0 得:
x1²=（L²-b²）/3 ;
W(max)=W1(x=x1)≈0.0642FbL²/(EI) ;
因为值接近中点,所以取
W=W1(x=L/2)=Fb/(48EI) ×(3L²-4b²)≈0.0625FbL²/(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:

-------------------------------------------------------------------------------------------
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 0.00000000 -0.04059677 -1.19483438 -10.3521770 -0.04059677
2 -1.19483438 -10.3521770 -9.97464904 -2.38966875 -14.8646358 9.93925721
3 -2.38966875 -14.8646358 0.02295091 -3.31898438 -9.01215449 0.02295091
4 -3.31898438 -9.01215449 0.03534178 -4.24830000 0.00000000 0.03534178
5 0.00000000 0.00000000 -0.03667843 -4.11554063 -10.1684270 -0.03667843
6 -4.11554063 -10.1684270 -0.01947138 -1.19483438 -10.3521770 -0.01947138
7 -4.11554063 -10.1684270 -0.01663998 -2.38966875 -14.8646358 -0.01663998
8 -2.38966875 -14.8646358 0.02046377 -0.39827813 -9.01215449 0.02046377
9 -0.39827813 -9.01215449 0.00226720 -4.11554063 -10.1684270 0.00226720
10 -3.31898438 -9.01215449 0.01947138 -0.39827813 -9.01215449 0.01947138
11 -0.39827813 -9.01215449 0.03285464 -4.24830000 0.00000000 0.03285464
-------------------------------------------------------------------------------------------
最大位移是14.865mm

-------------------------------------------------------------------------------------------
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 0.00000000 -0.03534178 -0.92931563 -9.01215449 -0.03534178
2 -0.92931563 -9.01215449 -0.02295091 -1.85863125 -14.8646358 -0.02295091
3 -1.85863125 -14.8646358 -9.93925721 -3.05346563 -10.3521770 9.97464904
4 -3.05346563 -10.3521770 0.04059677 -4.24830000 0.00000000 0.04059677
5 0.00000000 0.00000000 -0.03285464 -3.85002188 -9.01215449 -0.03285464
6 -3.85002188 -9.01215449 -0.01947138 -0.92931563 -9.01215449 -0.01947138
7 -3.85002188 -9.01215449 -0.02046377 -1.85863125 -14.8646358 -0.02046377
8 -1.85863125 -14.8646358 0.01663998 -0.13275938 -10.1684270 0.01663998
9 -0.13275938 -10.1684270 -0.00226720 -3.85002188 -9.01215449 -0.00226720
10 -3.05346563 -10.3521770 0.01947138 -0.13275938 -10.1684270 0.01947138
11 -0.13275938 -10.1684270 0.03667843 -4.24830000 0.00000000 0.03667843
-------------------------------------------------------------------------------------------
最大位移是14.865mm

-------------------------------------------------------------------------------------------
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 0.00000000 -0.03796928 -1.06207500 -9.68216575 -0.03796928
2 -1.06207500 -9.68216575 -6.24341912 -2.12415000 -14.8646358 8.69201057
3 -2.12415000 -14.8646358 -8.69201057 -3.18622500 -9.68216575 6.24341912
4 -3.18622500 -9.68216575 0.03796928 -4.24830000 0.00000000 0.03796928
5 0.00000000 0.00000000 -0.03476654 -3.98278125 -9.59029075 -0.03476654
6 -3.98278125 -9.59029075 -0.01947138 -1.06207500 -9.68216575 -0.01947138
7 -3.98278125 -9.59029075 -0.01855187 -2.12415000 -14.8646358 -0.01855187
8 -2.12415000 -14.8646358 0.01855187 -0.26551875 -9.59029075 0.01855187
9 -0.26551875 -9.59029075 0.00000000 -3.98278125 -9.59029075 0.00000000
10 -3.18622500 -9.68216575 0.01947138 -0.26551875 -9.59029075 0.01947138
11 -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) ×1.7×〔1+(510-120)/510〕=73.5N<22.2A=2178.4N
Naf(max)=(G/4) ×1.48×〔1+(760-120)/760〕=66.8N<2178.4N
Nbf(max)=(G/4) ×1×〔1+(255-120)/255〕=-37.5N<-7A=-240.6N
Ncf(max)=-Naf(max)=-66.8N<-686.9N
Nab(max)=-(G/4) ×1.27×〔1+(760-120)/760〕=-57.3N<-686.9N