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 [phone] 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10942003010下弦杆12002002010压杆150100155斜压杆720150205 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=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 ；W2=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:- 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) 1.71+(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