结构设计大赛理论设计资料.doc

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桥梁结构设计理论方案 作品名称 途锐 参赛学校 大连交通大学 参赛队员 周权峰 、 袁彬、 魏剑锋、 赵桐玉 、 杨馨胜 专业名称 土木工程 指导教师   张涛 大连交通大学结构设计竞赛组委会 二○一一年 作 品 简 介 考虑到本次竞赛题目要求为两跨双车道桥梁,在移动荷载以及均布静荷载作用下的加载,根据所学专业理论知识,认识到主要应该解决的是桥梁跨中的抗弯问题以及细节的抗扭问题、主梁的局部稳定性和支座处的抗剪能力。 从全国各高校的比赛情况来看,大多数模型均采用空腹式梁—桁架组合结构。这种桥型不仅制作简单、计算方便、理论与实际吻合情况较好,而且可以通过变桁高来实现竖向抗弯刚度沿桥长方向的变化,从而最大程度减轻结构自重。 在主梁类型的选择上我们曾考虑两种截面形式——单箱双室截面和空心圆形截面。在截面面积及杆件厚度相等的情况下(即控制“自重影响”这一变量),容易验证单箱双室截面比空心圆截面惯性矩大40%以上。此外,前者节点处理较圆形截面简单,故最终可选用单箱双室截面。 注:作品简介应包括对方案的构思、造型和结构体系及其他有特色方面的说明(可加页)。 结 构 承 重 验 算 材料的强度特性 我们查阅了浙江大学土木系对结构设计大赛材料的性能试验数据,如下: 2.结构整体受力分析 我们对支座实际的约束情况加以分析,得到进行结构力学理论计算的杆件约束体系如下: 考虑到此次大赛规则有变,加载了均布的静荷载。联系所学桥梁知识对主梁的连续及非连续不同情况做了对比,(单位力) 中间为简支非连续梁在均布荷载下的弯矩图: M图 b.中间为简支连续梁在均布荷载作用下的弯矩图: M图 由上述受力分析可知在单位均布荷载作用下,连续梁的跨中最大弯矩较小,仅有1.04NM,但是支座处弯矩交大,为2.08NM;而非连续梁的跨中最大弯矩为较大的3.12NM,但是支座处弯矩为0。综合考虑不同情况下弯矩的影响,我们选择了中间连续梁的形式,因为这样整个梁的弯矩承受较小,只需在支座处稍加强即可,达到节约材料、减轻自重的目的。 C.移动单位荷载作用下距左端1/8处截面弯矩影响线:(左右对称) D.移动单位荷载作用下中间支座处截面弯矩影响线: 3.荷载简化 由于计算机模拟分析纸质桥梁模型的局限性,我们对计算模型进行了下列简化和假定: 采用空间梁单元模拟桁架结构; 车轮荷载按横向线集度荷载在两片主桁间进行分配,等效为作用在纵梁上的集中荷载; 不考虑桥面板参与受力; 忽略桥面及桥面系局部加劲构造的作用; 两跨受力模式一样,仅取一跨进行计算分析。 应该承认,上述简化和假定会带来一定的计算误差。考虑到理论分析用于纸质模型的指导性作用,这样的简化和假定是可以接受的。 采用简化计算模型,考虑将小车荷载转化为加载在左右两根纵梁上的移动点荷载来计算,将总重为100N的小车荷载简化为加载在两根纵梁上的竖向点荷载,即左右两个纵梁分别加载40N和10N的力,简化后的等价小车荷载模式如图3所示。 图1 简化后的小车荷载(单位:mm) 4.模型单元编号 桁梁模型单元的编号见图2、图3。鉴于纵梁的重要性,每节间的纵梁划分为3~5个单元;为使计算便捷,将其余杆件均视作一个单元。 图2 纵梁单元编号 图3腹杆单元编号 5.纵梁受力情况及挠度 腹杆单元可近似按轴心受压构件计算,根据Midas软件的桁架单元内力分析结果可知53号腹杆单元为控制单元;纵梁单元同时受轴向应力、弯曲应力和剪应力的作用,根据软件的应力分析结果可知68号梁单元为控制截面;跨中挠度的大小也为本次模型设计成功与否的关键因素。 模型的53号、68号单元内力和跨中挠度计算结果如表4所示: 表4: 单元内力和跨中挠度计算结果 中心距 53号腹杆 轴力(N) 68号纵梁轴向应力(MPa) 68号纵梁弯曲应力(MPa) 68号纵梁剪应力(MPa) 跨中挠度(mm) 150mm 61.6291 3.6 16.7 2.6 11.03 腹杆轴力 采用第四强度理论计算模型68号纵梁单元的相当应力: 6. 47号纸带单元截面尺寸的选取 基于浙江大学结构设计大赛的材料试验结果和补充试验数据,并参考有关资料,拟定8mm宽的纸带的性能参数如表5所示。 表5 材料性能参数 名称 层数 面积 弹性模量 极限拉压应力(N/mm2) 白卡纸1 1 0.3×8=2.4mm2 1130 22.2/7.0 白卡纸2 2 0.6×8=4.8mm2 1145 44.0/14.0 白卡纸3 3 0.9×8

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