木质单跨桥梁模型设计说明

结构设计竞赛计算书

第四届黑龙江省大学生结构设计竞赛

木质单跨桥梁结构 设计理论方案

作品名称：雕弓

参赛单位：东北林业大学

参赛队员：高成军、涂文铎、罗磊、王宗瑞、马文博 指导教师：张秀华

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目录

一 设计说明 .................................................. 1

1．作品名称 ....................................................... 1 2．结构选型 ........................................................ 1 3．尺寸的确定 ...................................................... 4 4．模型制作及节点构造的设计 ........................................ 5

二 模型计算分析 ............................................ 11

1. 计算假定 ...................................................... 11 2．材料性能指标 .................................................. 11 3．结构的内力和变形分析 ........................................... 12 4．结构受荷分析 ................................................... 19 5. 构件截面设计 ................................................... 24 6. 结构强度和稳定性验算 ........................................... 26

三 实验分析 .................................................. 27 四 结论 ......................................................... 28 参考文献 ....................................................... 29

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1． 作品名称

雕弓：雕，取精雕细刻的意思，体现我们的作品的精细，外形好似一把待张的强弓。会挽雕弓如满月，希望我们的作品能够取得优异的成绩 2．结构选型：

众所周知，在桥梁设计中，拱的受力是比较合理的，并且本次比赛也可以像模型提供水平推力，所以我们采用了三个连续拱相接构成一榀，三榀横向相连的方案。利用拱可以将纵向受力转化为横向受力的特点，将对材料不利的剪切力转化为材料有利的轴向受力，充分利用材料的性能和比赛仪器。

图1-1模型整体外观

模型整体跨度为1200mm，跨度较大，中段拱部分难以依靠两端推力，为了减少结构对于两端推力的要求，并提高悬空部分尤其是跨中的可靠性，我们效仿张弦梁的构造，将两端拱脚连接起来提供水平力，并给予一定的预应力，大大提高了拱在竖直方向的承载力。

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图1-2 拱脚相连提供水平力

结构整体也有一定的弧度，可以依靠两端的推力来抵抗一定的竖向荷载。

图1-3 整体有弧度

3．尺寸的确定 ：

赛题中规定悬空部分长度为1200mm两端搭载长度为50～70mm，所以我们将总长度定为1320mm左右。横向要求不得小于180mm，为防止两车在中间相撞，我们将横向距离定为190mm。

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图1-4 模型整体俯视图

为保证桥面梁能够直接搭载于三个拱的拱顶且整体起拱高度合适，小拱跨度定为360mm，高度为70mm。大拱跨度为500mm，高度为100mm。

图1-5 小拱尺寸

图1-6 大拱尺寸

4．模型制作及节点构造的设计：

1）桥梁拱的部分我们采用四根2×4mm的材料空间粘结。

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图1-7 拱体结构

图1-8 拱与横向支撑的连接

一方面增大了拱的截面积提高了拱的稳定性，另一方面可以利用材料之间的空隙将结构的几部分进行穿插连接，除了胶水的粘结力以外还可以充分利用材料之间的挤压力和摩擦力，提高了结构的整体性。

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制作的精度。

图1-9 拱整体组合图

3）段与段之间预先设定角度精确契合。

(a)

(b)

图1-11 拱的连接

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4）竖向支撑柱与拱节点粘结在一起，使拱段材料均受轴力。

(a)

图1-12 节点平面剖面图

(b)

5）为保证节点的抗拉压能力，我们在每个节点外侧都粘贴一层木片。

图1-13 节点实物图

6）较长的支撑柱为防止受压失稳，在其侧面黏贴两根2×2mm的材料增加了截面面积。

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图1-14 支撑住截面的增加

7）在结构上表面间隔一定距离设置了横向约束，与下边的横向约束以及纵向的支柱构成类似于钢筋笼中箍筋的作用，防止结构整体扭动。

（a）

（b）

图1-14横向约束

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8）支柱和桥面梁采用2×6mm的材料制作。两片2×6mm的材料中间用小片间隔并且与柱面面粘结，可以同时保证与柱的拉力和压力。

图1-15柱与桥面梁的连接

9）在两个拱相连的拱脚处增加横向支撑，形成一个平面上的三角形来保证连接点的稳定性和可靠性

图1-16 拱脚节点的加固

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1.计算假定

考虑到有限元程序特点及实际操作的可行性，本着准确和简化的原则，作出如下计算假定：

1） 由于所有节点均为面面可靠粘结，故所有节点简化为刚接；结构

两端与桥台连接处为简支，因此简化为铰接。 2） 小车荷载简化为集中力，作用于桥面梁上。

3） 拱和桥面梁均为空间格构截面，但间隔面积很小，故简化成长方

形截面

4） 在顺纹方向上木材是均质弹性的，不考虑塑性。

上述简化和假定虽然会带来一定误差，但在计算原理上来说是正确的，误差也在可以接受的范围之内。因此通过计算分析，能够准确把握模型整体以及各个杆件的受力状态，对模型进行优化。 2． 材料性能指标

表2-1 材料性能指标

截面尺寸

名称种类

/mm 2×2 2×4

木材

2×6 1×15

胶水

弹性模量/Mpa 1.0×104 1.0×104 1.0×104 1.0×104

抗拉强度/Mpa 30 30 30 30

抗压强度

备注

/Mpa 18 18 18 18

受压计算式需考虑长细比对稳定的影响

抗剪强度7.8 Mpa

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3．结构的内力和变形分析：

（a）荷载分布图

（b）剪力分布图

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(c)弯矩分布图

（d）轴力分布图

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（e）受荷变形图

图2-1小车行驶到小拱拱顶位置

（a）荷载分布图

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（b）剪力分布图

(c)弯矩分布图

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（d）轴力分布图

（e）受荷变形图

图2-2 小车行驶到拱脚连接处