1、大庆市大学生结构创新设计大赛1一、设计要求竞赛模型为木质单跨桥梁结构，采用木质材料制作，具体结构形式不限。1.几何尺寸要求(1) 模型长度：模型有效长度为 1200mm，两端提供竖向和侧向支撑。对于竖向支撑，每边支撑长度为 0-70mm。(2)模型宽度：在模型有效长度范围内（中央悬空部分） ，模型宽度应不小于180mm，最宽不应超过 300mm；在支座范围内，宽度不限，但不应超过 320mm 。(3) 模型高度：模型上下表面距离最大位置的高度不应超过 400mm；为方便小车行驶，中央起拱高度不应超过 40mm；端部支座位置处的高度不应超过 150mm。2.结构形式要求对于结构形式没有特定要求，
2、桥面设置两个车道，每个车道宽不得小于 90mm，车道之间不能有立柱、拉索一类的构件。结构可以仅采用竖向支撑的方式，也可以采用竖向和侧向同时支撑的方式来实现约束。3.材料(1)木材：用于制作结构构件。有如下两种规格：木材规格（单位：mm） 材料2 mm2 mm1000mm 桐木2 mm4 mm1000mm 桐木2 mm6 mm1000 mm 桐木4 mm6 mm1000mm 桐木1 mm55 mm1000 mm 桐木木材力学性能参考值：顺纹弹性模量 1.0104MPa，顺纹抗拉强度 30Mpa。 (2) 502 胶水：用于模型结构构件之间的连接。二、结构选型拱桥桥梁的基本体系之一，建筑历史悠久，
3、外形优美，古今中外名桥遍布各地，在桥梁建筑中占有重要地位。它适用于大、中、小跨公路或铁路桥，尤宜跨越峡谷，又因其造型美观，也常用于城市、风景区的桥梁建筑。根据不同的分类标准，可以分为不同的类型。按拱圈(肋)结构的材料分：有石拱桥（见石桥）、钢拱桥、混凝土拱桥、钢筋混凝土拱桥。按拱圈（肋）的静力图式分：有无铰拱、双铰拱、三铰拱（见拱）。前二者属超静定结构，后者为静定结构。无铰拱的拱圈两端固结于桥台（墩），结构最为刚大庆市大学生结构创新设计大赛2劲，变形小，比有铰拱经济；但桥台位移、温度变化或混凝土收缩等因素对拱的受力会产生不利影响，因而修建无铰拱桥要求有坚实的地基基础。双铰拱是在拱圈两端设置可转
4、动的铰支承，铰可允许拱圈在两端有少量转动的可能。结构虽不如无铰拱刚劲，但可减弱桥台位移等因素的不利影响。三铰拱则是在双铰拱顶再增设一铰，结构的刚度更差些，但可避免各种因素对拱圈受力的不利影响。经过我们分析讨论，按“实用、经济、安全、美观”的桥梁设计原则，比较三个方案的优缺点。决定选做拱桥模型。其具有如下优点：（1）具有较大的跨越能力，充分发挥圬工及其它抗压材料的性能；（2）构造较简单，受力明确简洁；（3）形式多样、外型美观； 拱式桥由拱上建筑、拱圈和墩台组成。在竖直荷载作用下，作为承重结构的拱肋主要承受压力，拱桥的支座既要承受竖向力，又要承受水平力，因此拱式桥对基础与地基的要求比梁式桥要高。拱
5、式桥按桥面位置可分为上承式拱桥、中承式拱桥和下承式拱桥。由于结构设计规则中的规定，我们选择上承式拱（见图 2） ，起名为“虹桥” 。图 2 虹桥正立面图三、模型制作本桥跨度为 1. 20m，两端支座长度为 0.07m，桥高为 0.15m，桥面上弦杆采用 3根 2 mm6 mm 粘结而成，截面尺寸为 6mm6mm；拱截面为两根 4mm6 mm 和 1根 2 mm6mm 粘结而成，截面尺寸为 6mm10 mm；拱平面内竖杆尺寸为 4mm6 mm，斜杆尺寸 2 mm6 mm。两榀拱桥通过横梁（上、下平面杆截面尺寸均为4mm6 mm）和垂直交叉支撑（杆截面尺寸为 4mm6 mm）连接成一立体拱桁架桥。
6、模型具体尺寸图见图 3。大庆市大学生结构创新设计大赛3（a）正立面模型尺寸图（b）俯视模型尺寸图（c）下平面拱间杆件连接模型尺寸图图 3 桥模型具体尺寸图从结构的外形上看，我们通过精确定位确定了拱的矢高和跨度，拱上的弦杆起拱 6mm，考虑两榀拱桥间横杆连接可靠，我们在制作过程中专门预留出连接孔，然后将横杆插入孔中，再粘结牢固，这大大提高了弦杆的稳定性和强度。制作好的桥梁整体模型见图 4，局部节点处理图见图 5。图 4 桥梁模型（a）竖杆、斜杆与上弦杆的连接节点 （b）桁架间的连接节点大庆市大学生结构创新设计大赛4（c）垂直支撑的连接节点 （d）拱与弦杆间连接节点图 5 桥梁各节点连接处理四、荷
7、载分析本桥为上承式拱桥，全桥荷载主要包括静载和动载两个方面，静载包括桥体自重，小车的自重及铁块自重，动载即小车的自重以及小车行进过程中所产生的冲击力。1.静力分析（1）桥体自重经天平称量本桥的质量 m=168g，则桥模型自重 W=mg=0.16810=1.68N。根据桥梁设计载荷简化原则，桥体自重应简化为一均布荷载 q1（q 1= W/L=0.168/1.2=0.14N/m） ，再以集中力的形式施加在上弦平面的各个节点上。（2）模型建立采用 ANSYS 有限元分析软件对本桥在自重和两辆满载小车作用下进行静力分析，首先建立有限元模型，上弦杆和拱采用 beam4 梁单元，其他杆件采用 link8
8、单元，定义材料属性和实常数，施加支座约束，建立的有限元模型见图 6。图 6 有限元模型（3）施加荷载求解在上弦平面各节点施加桥体自重等效的集中力 P1=0.1N，在跨中的两个节点上分别施加小车满载后的等效集中力 P2=11kg10N/kg=110N，施加荷载图见图 7，分析类型选择 static，然后进行求解。大庆市大学生结构创新设计大赛5图 7 施加静力荷载经过求解得到跨中节点的最大位移为 3mm，小于 20mm，满足要求。在荷载作用下的变形图见图 8。图 8 桥在静载作用下的竖向变形图2.动力分析（1）荷载简化根据加载要求，整个加载程的总时间不得多于 120s，其中小车在跨中停止 10s，
9、小车在桥上行进的长度为 1.2m，由此计算出移动小车的速度 v=1.2m/110s=0.011m/s。在移动荷载作用下，桥梁将发生振动，产生的变形和应力都比荷载静止不动作用时大。根据桥梁车辆振动分析的古典理论，在简支桥上匀速移动的小车可简化为一匀速移动的常力 F（F=11kg10N/kg=110N）作用在桥面上，则每个满载小车两个轮分别等效的常力为 F/2=55N。这两个力随着时间的变化沿着桥面移动。刚开始施加的荷载图形见图 9。图 9 施加移动荷载图（2）动态响应分析大庆市大学生结构创新设计大赛6采用 ANSYS 软件中的瞬态响应分析模拟桥的动态响应，从而得到桁架桥的各杆件内力的变化规律以及
10、桥的位移变化规律，取出内力最大值进行截面应力计算验算其承载力。通过时程响应分析绘制出跨中节点位移（最大值 2.53mm）及主要杆件的内力（单位为 N）时程曲线见图 10图 18，各杆件的最大内力值列于表 1，从表中数据可以看出，杆件强度满足要求。图 10 跨中节点位移时程曲线 图 11 上弦杆内力时程曲线图 12 拱 x、y 沿两方向分力时程曲线 图 13 拱桁架间上横杆内力时程曲线大庆市大学生结构创新设计大赛7图 14 拱间下横杆内力时程曲线 图 15 垂直支撑斜杆内力时程曲线表 1 各杆件的最大内力值及其应力杆件名称 上弦杆 拱 上横杆 下横杆 垂直斜杆内力最大值（N）-241.18 -3
11、38.47 -0.33 -0.125 -0.73截面面积（mm 2）36 60 24 12 12应力(Mpa) -6.70 -5.64 -0.014 0.010 -0.06五、总结1、本结构利用细杆来提高柱子的承载力，并利用木材的抗拉性能，及抗压性能来抵抗荷载的作用。2、根据 ANSYS 建模分析的结论，我们选择拱作为主体形状，受力均匀，加载方便。3、拱越高承受压力越大，我们将上弦杆与拱连在一起，既提高了抗压能力，又节约了材料。4、根据 ANSYS 建模分析的结论，我们加强顶部和支座处节点强度。5、根据多次加载试验的总结，我们加强了梁端部的强度6、由于拱桥左右受力不均容易产生扭曲，我们用上横杆的拉力和斜撑的推力来固定左右。7、桥梁综合性能一部分取决于做工细度，做工越细，抗压、抗拉、抗扭程度越高。大庆市大学生结构创新设计大赛8参考文献1、土木工程材料,湖南大学 天津大学、同济大学东南大学 合编,2001,中国建筑工业出版社 2、材料力学(第四版),孙训方,2005,高等教育出版社 3、结构力学(I、II),龙驭球、袁驷,2006,高等教育出版社 4、ANSYS 工程应用教程，唐兴伦等，2003，中国铁道出版社 5、建筑结构选型概论，叶献国等，2003，武汉理工大学出版社
