结构设计项目说明指导书模板.doc

西南科技大学第十五届结构设计竞赛
（建工组）

渡槽支承系统结构模型设计及制作

方案设计说明书

作品名称 驻华而立
参赛编号 001
参赛队员 张三 李四 王五
提交类型 终稿

二○一八年四月
摘要
中国是一个水资源短缺国家，且水资源时空分布不均匀。总体来看，时间上，夏秋多、冬春少；空间上，南方多、北方少。在这种情况下，中国利用空间渡槽支承系统结构架起了输水管道，将南方相对充沛水资源运往北方，这是中国处理水资源匮乏问题方法之一。
此次结构设计竞赛制作模型结构就是渡槽支承系统结构，此模型结构要求输水管应经过相隔一米A、B两个浇灌点，其它结构自定义。基于本赛题要求，我们合理设计了强度大、挠度小、同时兼顾稳定性结构体系。总体方案采取桥梁大跨度和一般跨度结合设计，梁体设计在大跨处采取张弦设计。一般跨度处采取张拉式多跨支撑及连续格构柱支撑方案，桥墩设计采取格构柱及“V”型门架设计，“V”型门架和承台板用螺钉连接，为拉紧拉条提供支点，中部格构柱用于支撑输水管。最终一段桥梁采取三个格构柱连续支撑设计方法，可灵活应变输水管长度不均，最终一段自然弯曲角度大等问题。模型整体均利用竹皮良好抗拉性能，如此设计能够确保在较小质量状态下确保结构强度、刚度和稳定性。在概念设计后经数次有限元分析计算、实体模型试验和构件不停优化，确定了含有较佳荷重比模型。
本计算书关键从结构方案、结构建模及受荷分析、节点结构、模型制作4个部分进行叙述。经过有限元分析程序Midas civil对模型进行了静力分析，结果表明所用结构体系含有较强承载力和良好稳定性能，在满足大跨度要求下成功抵御竞赛给定静载作用。
关键词：渡槽支承系统 静力分析 Midas civil分析
目 录
摘要 1
第一章 设计说明 1
1.1 作品介绍 1
1.2 设计思绪 2
1.3 结构选型 4
第二章 节点结构 7
2.1 杆件拼接连接 7
2.2 背索和柱节点连接 7
2.3 桥面拉索和背索连接 8
2.4 柱脚节点和固定 8
2.5 背索固定 9
2.6 材料截面选择 9
第三章 总结和感悟 13

第一章 设计说明
1.1 作品介绍
此次结构设计大赛模型为渡槽支承系统结构模型，采取竹质材料制作完成，整体为带有四个转角形式总长6.5m模型。模型可分段可整体，最少需要一个跨度为1050mm桥。加载时，模型包含承台板、各段模型和输水管三部分。模型荷载由输水管注水实现，水流逐步注满整个输水管，并持荷20s，最终排出全部水。模型柱子和承台板经过螺钉固定在承台板上。其中，输水管和输水装置、承台板、螺钉均由主办方提供。模型制作、粘结用502胶水完成。
此次竞赛目标是在满足赛题要求前提下，合理设计构件截面形式、截面尺寸、构件连接方法、结构部署形式和制作工艺，使得最终结构模型在含有较强竖向承载能力同时，有足够强度和侧向稳定性，和靠近正常使用极限状态承受50kg荷载为前提，以承受均布荷载作用下所产生弯曲、剪切、扭转效应。同时依据赛题规则，要充足考虑结构自重和刚度，在确保结构正常使用极限状态承受50kg荷载和达成更大极限承载能力极限状态，和确保模型稳定性情况下，以最小结构自重承受各层剪力、轴力、弯矩、扭矩，而且确保足够大输水效率。在整个设计模型过程中，我们充足利用到了所学材料力学、结构力学、流体力学、桥梁工程等相关知识，同时查阅了桥梁受均布竖向荷载作用和水流冲击荷载作用相关原理，综合桥梁结构传力、受力特点，考虑多方面原因，最终采取此方案。
桥跨部分：整个桥为张弦式结构桥，整体跨度为1040mm。桥分4跨，上弦杆采取4mm*0.35mm拉条，起构型作用，确保腹杆稳定性；和在卸载后使模型能恢复原状以确保排水效率。下弦梁采取6mm*0.55mm中薄双层竹皮拉条，在满足强度要求情况下，使用双层拉条预防构件因材料离散性在节点处破坏。桥两端搁置在柱上，柱采取鱼腹式格构柱，基础满足结构刚度及稳定性要求。背索采取5mm*0.55mm中薄双层竹皮拉条，两条背索向中靠拢端固定于一点，提供桥向外拉力，抵御水流对桥不利荷载。
一般跨度部分：一般跨度采取两段高度逐层降低多跨支撑结构和一段连续格构柱支撑结构，多跨支撑结构桥墩为两个“V”型门架和一个格构柱，其连续高度为320mm、310mm、300mm及295mm、285mm、275mm，桥面为两条7mm*0.35mm拉条，基础满足结构强度要求。垂直桥面方向采取3mm*0.35mm拉条连接，增强模型整体性。“V”型门架柱子采取0.35mm厚竹皮制作成6mm*7mm日字杆，柱脚用螺钉卡住预防其滑动。格构柱垂直及水平方向杆件采取2mm*2mm竹条，其它部分均采取2mm*0.35mm拉条，增强格构柱稳定性及整体性。连续格构柱连续高度为270mm、260mm、250mm。
1.2 设计思绪
1.2.1 设计思绪
此次结构设计竞赛要求设计模型为渡槽支承结构，制作材料为本色复压竹皮及竹条。依据题目要求，在满足高差要求、输水效率、指定水流路径点，结构各构件形式可合理设计，部署、构件内部结构和构件平面内约束在要求范围内即可，这就给我们方案设计提供了空间，我们设计思绪以下：
1）确保主体结构强度和稳定性，确保结构正常使用极限状态
依据此次比赛评分规则，结构首先应能承受50kg加载和不整体失稳，故在制作时重视结构整体性和对称性正确度和锚固可靠性。
2）优化结构强度、刚度分布
经过理论分析，模型在竖向荷载和水流冲击作用下，结构关键承受竖向弯矩作用和面外倾覆，需要足够抗弯刚度和稳定性，所以采取张弦式桥和多跨支撑结构。同时因为水流加载过程会逐步产生不一样程度偏心，弯矩将达成增大，然后逐步减小直至稳定，而剪力逐步增大直至最大，期间桥梁结构将可能产生简谐振动，最终止构跨中弯矩最大，柱顶剪力最大。据此我们桥梁结构采取了张弦梁形式多跨支撑及连续格构柱支撑形式，有效利用竹皮良好抗拉性能，含有较大竖向承载力。在此条件下，利用软件计算分析模型顶部倾覆，尝试找到在满足强度要求前提下又含有一定抗侧刚度，同时又不至于竖向位移太大而降低输水效率。柱和卡扣榫卯构件相连接并用螺钉紧固，连接牢靠，脱落概率极小。桥梁上弦杆拉拉条确保竖向构件稳定性及模型整体性，张弦式桥梁竖向承载力比很好，只是安装时给拉条施加预应力效果会影响承载力。
3）平面外设置拉条，提升结构抗侧刚度
结构即使含有足够刚度但结构整体性不足，在桥两端均设置了拉条，使当结构存在侧倾倾向时能够拉住此模型，且在静载作用下，在结构发生扭转时，拉条一松一紧，有效抵御扭矩预防节点脱开。
1.2.2 方案演化
在制作模型早期我们采取总体方案为桥梁大跨度和一般跨度结合设计，梁体设计在大跨处采取张弦式设计，一般跨度采取多跨支撑和多个格构柱支撑形式。因为该结构形式比较成熟，基础工程中均直接考虑此种结构。经过高度逐步降低连续梁桥将输送水流。所以，接下来我们将着重考虑结构刚度、构件强度、施工工艺设计。经过理论分析、数次模型试验同时考虑到多个原因，我们结构模型设计方案经过了以下演化过程，最终形成参赛方案。

图 1 方案演化图
（1）确保主体结构强度和稳定性
为了确保结构承受赛题要求竖向荷载而且确保整体稳定性，使用张弦式桥梁，而且采取较大截面和整体截面，下面采取中薄双层6mm×0.55mm竹条作为提供支撑力关键构件。一般跨度处为确保多跨支撑强度，在跨中我们增设一个格构柱来降低跨中挠度，提升输水效率。
（2）协调各截面刚度分布
在前期试验基础上，主体结构有了很好强度和稳定性。在确保结构整体稳定基础上，结合对位移分析，经过试验发觉模型刚度较小，过分加强又过大，水流冲击时可能会造成损坏。此时并非结构最优刚度。所以在主跨桥梁处桥柱我们选择使用鱼腹式格构柱来满足桥跨部分强度和刚度要求，且格构柱稳定性好。多跨支撑部分为降低两端桥柱弯矩，我们选择将柱顶端外倾，确保桥柱不会受弯破坏。
（3）设计抗扭结构方法
因为模型（尤其是最大跨度桥梁），跨度大，高度高，在水流冲击作用下轻易产生扭转。在桥梁两侧外部设置向内侧扩张拉条，以控制其稳定性，预防输水管转角冲击对两侧模型产生不利影响。同时用竹皮包住节点，预防节点脱开。
（4）最大程度减小模型自重
在确保结构竖向承载力、整体刚度、抗扭能力情况下，本模型尽可能减小自重。经过理论计算和实践测试我们桥跨部分下部拉索采取6*0.55中薄双层拉条，上部构型拉条采取4*0.35，背索采取5*0.55中薄双层拉条。多跨支撑段桥面拉索在1200跨度段我采取7*0.35，在1300跨度段采取8*0.35，背索采取7*0.35。因格构柱承压能力强，受压杆采取最细2*2竹条制作。该模型制作难度低，模型质量轻，该结构抗剪强度也满足要求，输水效率高，较为稳妥。结构竖向承载力、整体稳定性、抗扭能力也全部得到确保。
1.3 结构选型
1.3.1 模型结构选择
此次竞赛渡槽支撑系统满足具体浇灌点、高度、持荷加载、卸载和输水效率要求，不过对于结构形式不做要求，所以在模型结构选择中我们有较大选择空间。经过解读和分析赛题，我们认为所制作模型要满足以下基础要求：
（1）模型长度应符合自然管长6.5m，且需经过AB两浇灌点；
（2）模型不发生整体垮塌（许可局部损坏，但输水管不得触碰承台板而且不能损坏），且输水效率应达成赛题要求90%；
（3）满足现场制作和装载时，使用要求工具能达成拼装精度，且制作工序不过于复杂，尤其是要便于安装预防安装超时。
在对多个结构形式模型测试和分析中，得出以下结论：
（1） 多跨桁架桥：
优点：强度大，稳定性高，模型形变小，输水效率高。
缺点：自重大，制作工艺复杂，模型节点过多不利于处理，。
（2） 多跨张弦桥：
优点：制作工艺简单，输水效率高，强度满足荷载要求。
缺点：自重较大，稳定性较差，拉条因材料离散性易发生断裂。
（3） 单跨张弦桥+多个四角支撑结构：
优点：制作工艺简单，安装效率高，输水效率高，强度满足荷载要求。
缺点：自重较大，和承台板连接节点未直接连接易发生滑动。
（4） 单跨张弦桥+多塔张拉式结构+多个单立柱
优点：制作工艺简单，输水效率高，自重小，强度大，稳定性很好。
缺点：安装较复杂，桥柱受弯矩较大，易发生破坏。
经过数次试验，理论分析，软件模拟，我们最终选择了第四种结构形式并进行优化我们得到模型形式以下图：

图 2 模型整体实物图
1.3.2 模型结构图

图 3 桥梁尺寸图

图 4 多跨支撑结构尺寸图

图 5 格构柱尺寸图 第二章 节点结构
2.1 杆件拼接连接
杆件在打印出来图纸上进行组装拼接，以达成足够正确度，降低模型受到手工原因影响，在这个制作过程中，正确度要求最高是柱子底端倾角，另外一个就是格构柱拼接正确度问题，我们经过拉条对有些存在手工误差杆件进行调整正确度，达成横平竖直模型效果。

图 6 格构柱节点 图 7 柱底端倾角
2.2 背索和柱节点连接
为确保加载过程中柱稳定性，在柱上节点处各连接一根拉条作为背索固定柱面。柱顶拉条取计算长度延升3-5mm粘贴到和拉力方向相反杆面确保拉条在加载过程中不会被拉脱。

图 8 背索和柱节点
2.3 桥面拉索和背索连接
桥面拉索和背索连接参考钢结构中钢板焊接方法，在背索和柱节点处首先用502粘接一片竹皮，再将桥面和背索粘接，为预防桥面拉索和背索拉脱，再用一片竹皮粘接桥面拉索和背索。

图 9 桥面拉索和背索连接处理
2.4 柱脚节点和固定
柱脚和承台板连接，我们采取螺栓连接方法，首先将竹皮加工成一个小片，将柱脚卡进入小片，最终用螺钉固定在承台板上。

图 10 柱脚处理和固定
2.5 背索固定
背索固定我们采取螺栓连接，经过螺钉将背索和承台板进行固定。在连接处为预防孔壁破坏，我们将连接处用502粘接两层顺纹竹皮和一层逆纹竹皮，以确保孔壁在各方向上承压能力。

图 11 背索固定
2.6 材料截面选择
此次比赛提供了丰富竹材原料——竹皮和竹条，可组合成较多截面尺寸，所以对于不一样位置杆件可合理选择其截面，充足发挥材料作用。所提供材料及其尺寸以下表：
表 1 材料规格表
竹材规格
竹皮
1250mm×430mm×0.50mm
1250mm×430mm×0.35mm
1250mm×430mm×0.20mm
竹条
900mm×6mm×1mm
900mm×2mm×2mm
900mm×3mm×3mm
经过实际试验，理论计算，模型构建截面形式和模型材料表以下：
表 2 构件截面形式
截面规格
截面尺寸
截面实体效果图
SB3×3

H6×6.7×0.35×0.35

T6×6.35×0.35

TP6×6.7×0.35×0.35×3.18×0.35

L3×0.2

L6×0.2

表 3 下料长度
序号
构件材料
截面规格
下料长度
数量
1
竹条
SB2*2
310
4
2
285
4
3
270
4
4
260
4
5
250
4
6
76
4
7
70
4
8
69
4
9
60
40
10
35
4
11
32
6
12
29
4
13
27
6
14
22
4
15
19
6
16
17
4
17
10
10
18
SB3*3
350
4
20
330
4
21
SB6*1
60
1
22
竹皮
TP6*7*0.35
362
2
23
345
2
24
340
2
25
313
2
26
L7*0.35
1250
2
27
430
4
28
410
2
29
370
2
30
L8*0.35
700
4
31
L6*0.35
1200
2
32
L6*0.2
1200
2
33
L5*0.35
550
4
34
L5*0.2
550
4
35
L4*0.35
1200
2
36
L3*0.35
1250
1
37
L2*0.35
800
25
38
420
13
第三章 总结和感悟
伴随人类多种活动,水资源环境显著恶化，全球现在有14%以上水体约受到污染。水资源短缺已成为全球性问题，在亚洲有60%地域缺水；在非洲连年干旱有85%地域缺水，缺水已直接威胁到了生存；美洲、欧洲出现用水担心现象，现今全球有80多个国家正面临着水资源不足，俄罗斯、加拿大也受到威胁，16%城市人口缺水，约12亿人严重缺乏饮用水，在发展中国家约有10亿多人达不到安全用水，所以合理利用水资源是现代热门话题。
此次竞赛模型是渡槽支承系统结构，而在众多渡槽支承系统结构中，连续梁形式已经成为了关键形式。在将赛题进行分析以后我们做出了方案关键构想和关键方向。摒弃常见直接连续梁形式，从常见结构中取得灵感，做出了一个最直接简单“张弦式桥梁+连续多跨支承”结构，经过螺钉卡扣柱脚。经过了几十次尝试，我们最终得到了满意结构形式，也最终确定了方案。
备赛期间，我们秉承着大赛创新、合作和实践宗旨，不停地完善模型，提出创新点大胆尝试。在专业知识得到充足实践检验外，我们还学会了怎样分工合作。正如一个施工项目，合理分配人职员作，正确控制施工时间，在十二小时时间里将渡槽制作完成。备胜过程也并非一帆风顺，有成功也就有失败。仍然清楚记得在模型基础定型一次试验，模型加载效果不尽理想，很大打击了队员们自信。怎样让队员学会克服失利心理关也是一门学问，在指导老师专业和耐心指导和历届参赛队员激励下，队员们努力走出心理关，发觉问题处理问题，锻炼出了一个勇于挑战困难和不服输精神。
结构设计大赛作为一个检验综合和能力平台，给我们这些众多来自一般大学平凡学子一个展示自我平台，和来自全省各地师生学习交流，思维发散和创新在相互碰撞，难能可贵。所以队员们也异常珍爱这次参赛机会，努力争取在大赛上展现自己风采。