西南交大第十五届结构设计竞赛桥梁承重组计算书

西南交通大学

第十五届结构设计竞赛桥梁承重B组设计理论方案

作品名称 H型斜拉桥

参赛编号 B27

组长姓名班级土木7班学号 2014110302

队员姓名班级制药1班学号 2014114279

队员姓名班级土木5班学号 2014110248

组长电话

西南交通大学第十五届结构设计竞赛组委会

二〇一五年

摘要

桥梁建筑的设计讲究造型美观、受力合理、节省材料、承载力大、制作精细。作为一个土木学子，我们的目标是成为一名优秀的土木工程师，因此我们想通过参加这样的一次结构设计大赛，提前感受下“工程师”的滋味。

在此次结构设计大赛中，我们对模型选型设计等经过了长时间考虑，最终决定做成双塔双索面斜拉桥，整个过程全方位模拟了从设计到施工各个环节，让我们真实的了解到了真正的施工过程中遇到问题是难以预测的，在发现问题是，仔细想出一个完美的解决方案才是我们应该去做的。在做桥过程中，出现过一个重大问题，当我们把桥做好后，在距离比赛仅有两天多的时间里不小心被别人踩了一脚，在这种情况下，我们没有选择放弃，而是加班加点赶制模型，因为我们知道第二遍做起来应该是得心应手的，并且可以改进很多在第一次没做太好的部分，这样想来，这并不失为一件好事。

在做桥过程中，我们切身体会到了作为一名工程人员的自豪，从一个什么也不会的大一学生瞬间成了一群能够自主设计制造一座桥梁的土木人，经过本次结构大赛，我想无论结果怎么样，我们不会太去在乎，我们在乎的是在这个过程中，我们终究是没有放弃，也让我们体会到了桥梁的美，提升了对未知知识学习的兴趣。

关键词模型，斜拉桥，荷重比，挠度，节点，承重

一.

设计说明书 …………………………………………………………………………...……- 1 -

1 方案构思 ........................................................................................................................................................................... - 1 - 1.1作品名 ............................................................................................................................................................................ - 1 - 1.2造型 ................................................................................................................................................................................ - 1 - 2 结构选型 ........................................................................................................................................................................... - 1 - 2.1设计准则 ........................................................................................................................................................................ - 2 - 2.2 整体选型 ....................................................................................................................................................................... - 2 - 3材料试验 ............................................................................................................................................................................ - 2 - 3.1模型称重 ........................................................................................................................................................................ - 3 - 3.2模型的模拟加载试验 .................................................................................................................................................... - 3 - 4 结构设计 ........................................................................................................................................................................... - 3 - 4.1结构整体布置图 ............................................................................................................................................................. - 3 - 4.2构件尺寸详细设计 ........................................................................................................................................................ - 3 - 4.3构造（节点）设计 ........................................................................................................................................................ - 6 - 4.4 模型三维效果图 ............................................................................................................................................................ - 7 - 5 特色处理 ........................................................................................................................................................................... - 8 - 6 制作工艺 ........................................................................................................................................................................... - 8 -

二、

模型计算书 .............................................................................................................................. - 9 -

7计算模型 ............................................................................................................................................................................ - 9 - 7.1模型简化 ........................................................................................................................................................................ - 9 - 7.2荷载模拟 ...................................................................................................................................................................... - 10 - 8 内力分析 ......................................................................................................................................................................... - 10 - 9 材料参数„„（以下略） ............................................................................................................................................. - 11 - 10 承载力估算 ................................................................................................................................................................... - 11 - 参考文献 ............................................................................................................................................................................. - 11 -

一、

1 方案构思

设计说明书

对于本次结构设计，我们首先对赛题进行了详细分析，考虑到组委会提供的材料特点以及赛题对桥型的限制，从安全、耐用、美观的角度出发，我们选择了现在作为我国大跨径桥最流行的桥型之一的斜拉桥。斜拉桥作为一种拉索体系，比梁式桥的跨越能力更大，是大跨度桥梁的最主要桥型。50年代中期，瑞典建成第一座现代斜拉桥，40多年来，斜拉桥的发展，具有强劲势头，改革开放后，我国修建斜拉桥的势头一直呈上升趋势。

1.1作品名

H型塔斜拉桥

1.2造型

按照赛题细则要求，我们将桥设为不等跨的三跨，为了满足在视觉上突出表现和保证模型有足够承载力以及制作简便的条件下，桥塔采用H型塔，斜拉索型为辐射式，选择了主跨、边跨之为2:1，桥的全长为1780mm，桥面宽为230mm,桥面上方通行净空高度为200mm，H型桥塔高250mm，主梁为三根，每根主梁由两块长1780mm，高30mm的PVC条粘贴而成，九根大横梁，16根T型小横梁，其具体尺寸大小见“4.2构件尺寸详细设计”。

2 结构选型

方案比较

◆ 斜拉桥

斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。是一种由一条或多主塔与钢缆组成来支撑桥面的桥梁。是由承压的塔，受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。斜拉锁的两端分别锚固在主梁和索塔上，将主梁的恒载和车辆荷载传递至索塔，再通过索塔传递至地基。因而主梁在斜拉锁的各点支承下，像多跨弹性支承连续梁一样，可使梁体内弯矩大大减小，使主梁尺寸大大减小，显著减轻了结构重量，节省了材料。 ◆ 拱桥

拱桥是我国历史悠久的一种桥型，拱式结构在竖向荷载下，两端产生水平推力，使拱内产生轴向压力，从而大大减小了拱圈的截面弯矩，充分利用截面材料强度，使跨越能力增强。但拱桥自重大，相应的水平推力也较大，该桥型在保证具有足够承载能力的时候不易满足大赛对模型质量的要求，而且拱形模型不易制作。 ◆ 悬索桥

悬索桥是用悬挂在塔架上的强大缆索作为主要承重结构的桥梁。它由主缆、桥塔、锚碇、吊杆、加劲梁、鞍座及桥面结构等几部分组成。其中主缆、桥塔和锚碇构成主要承重结构，梁则主要提供桥面、传递荷载及维持抗风稳定的作用。如果不设加劲梁，因而刚度较小，在车辆荷载作用下，桥面将随悬索形状的改变而产生S形的变形，由于材料刚度不够大，当设足够强度加劲梁时必然会使桥体质量大大加大。

选型结果

最终根据比较模型制作难易程度以及组委会提供的材料特点，我们组选择了双塔双锁面斜拉桥。

2.1设计准则

1.符合赛题桥型要求、各尺寸要求与对材料使用限制的要求

2.在满足安全的条件下尽量少使用材料，以减轻桥梁自重和节约成本 3.注重结构美观、简洁

2.2 整体选型

满足视觉审美需求、制作简易以及安全可靠的要求，桥梁选用主边跨之比为2:1的H型双塔双锁面斜拉桥。

3材料试验

经实验检测，得到如下材料特性： 1.白卡纸力学特性试验试样自重 241g/m^2 试样厚度 0.3mm 试样宽度 30mm 试样原始标距 200mm

由上述实验结果可以知道：白卡纸受拉性能较好，适于用作桥面

2.软质 PVC 塑料板：厚度 2mm，力学性能参考值：弹性模量 1.5-15MPa，抗拉强度 30MPa。适于用于制作梁等结构构件。

3. AB胶：强度很大，适用于模型结构构件之间的连接。 4.铅发丝线力学特性试验试样自重 0.71g/m 试样直径 1.1mm 试样原始标距 200mm

可以在制做之前给予其足够的拉力，使其失去形变能力，这样就适用于模拟悬索桥和斜拉桥的拉索。

3.1模型称重

870g

3.2模型的模拟加载试验

由于没有加载的砝码，故采用如图如图所示的方法进行检测，用书将模型桥塔处支撑，使其悬空，然后在各跨跨中放上一定质量的重物，检测斜拉锁强度与挠度大小。

4 结构设计

桥为三跨斜拉桥，主梁采用连续梁形式，横梁采用T型梁形式，桥塔采用H型简易桥塔，斜拉索型为辐射式

4.1结构整体布置图

4.2构件尺寸详细设计

T型横梁尺寸示意图

大横梁尺寸示意图

主梁尺寸示意图

4.3构造（节点）设计

接口设计：对于主梁与横梁的接口，我们采用“削掉一半”嫁接的方式，两杆分别削掉一部分后，涂胶拼接，然后用节点卡卡住，待交干后再补胶一次。

4.4 模型三维效果图

5 特色处理

1.横梁采用大小横梁交叉，在保证桥梁刚度的同时，有效的减轻了桥体的质量 2.在小横梁的地方，用铅发丝线按如图处理，在减轻重量的同时保证了中间主梁的安全

3.横梁采用T型结构，在保证抗压强度的同时，保证了桥面与梁的接触面积，使桥面更安全不下陷 4.梁采用网格分布，使其受力均匀有效的将桥面上的力通过横梁传递给主梁，再传递给斜拉锁，最后传递给桥塔

5.节点采用节点卡，有效防止杆件脱落

6.安装斜拉锁时给了通过一定的手段斜拉索一定的预张力，其给主梁一个初始的支承力，以调整主梁初始内力，使主梁受力状况更加均匀合理，此外，斜拉索轴向产生的水平分力对主梁施加预压力，从而使主梁的抗裂性能增强，节约主梁材料，是桥梁自重减轻

6 制作工艺

1.各个杆件均匀砂纸打磨，使其易于粘贴 2.制作统一大小、形状的节点卡，使其美观

3.在上索时，采用给主梁一个反向压力的方法（如下图），以保证斜拉索具有一定的预张力

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二、模型计算书

7计算模型

桥梁为不等跨的三跨，在中跨的二分之一处梁的最大剪力和最大弯矩均为最大，故取中跨进行研究，以便受力分析和强度计算。

7.1模型简化

斜拉桥中跨由于具有对称结构，桥面上受到的力均有横梁传递给主梁，因此可以直接将斜拉桥桥面简化为一根主梁受到垂直向下的压力作用

当主跨最大剪力和最大弯矩均为最大时，受力示意图如下：

主梁的最大剪力为集中荷载加于桥面二分之一处时.有加载规则 Fmax=140N

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梁的最大剪力为 Fsmax=70N

Mmax=70N*400mm=28N*m

7.2荷载模拟

利用Midas Civil 821 建模分析得到主梁主跨的弯矩图与反向受力图

8 内力分析

斜拉桥内力分析：

模型加载时，桥面受到移动小车给予的竖直向下的压力，然后桥面将该压力均匀分布在网格式横梁上，横梁在分布给主梁，同时中间主梁受到砝码对其的拉力，又通过横梁传递给两边的主梁，最终两边主梁受到竖直向下的压力传递给斜拉索，斜拉索产生斜向的拉力，

其中

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每根索关于桥塔对称，因此其水平分力大小相等、方向相反，在桥塔处受到的合力竖直向下，该力再通过桥塔传递给加载架子，实现力从桥面传递到路基的整个过程。

9 材料参数

软质 PVC 塑料板：厚度 2mm，力学性能参考值：弹性模量 1.5-15MPa，抗拉强度 30MPa。

10 承载力估算

桥梁可承受最大静载为3*140N=520N

参考文献

邵旭东金晓勤主编《桥梁工程（第3版）》邵旭东主编顾安邦主审《桥梁工程（第二版）》叶志明主编《土木工程概论（第3版）》

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武汉理工大学出版社出版人民交通出版社出版高等教育出版社出版