中南地区结构大赛设计说明书

二〇一四年十二月十九日

设计说明书目录

设计说明书目录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(1)

一、方案构思与结构体系„„„„„„„„„„„„„„„„„(2)

二、结构选型„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(2)

三、结构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(3)

1. 桥面的设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„.(3)

2. 桥墩的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(3)

四、体系特色„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(4)

1. 结构特色„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(4)

2. 节点处理特色„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(4)

3. 制作特点„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(4)

五、模型制作加工图„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(5)

六、结构分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„(5)

一、方案构思与结构体系

美丽的桥梁常被人们比喻为“彩虹”，不仅为人类带来生产、生活的交通便利，更给予人类以美的享受，激发人类对生活与未来以更美好的期待，古今中外的文人墨客更是留下了无数赞美桥梁的不朽诗句，如“涧险泉声疑度雨，川平桥势若晴虹”（张昌宗∙《游石淙山》），“乘星开鹤禁，带月下虹桥”（虞世南∙《和銮舆顿戏下》）。“彩虹”的造型为我们本次桥梁模型的构思提供了灵感的源泉，我们以彩虹的造型作为我们桥梁主承重构件的形状，结合桥梁的使用功能要求（即本次三向加载的要求）设计了刚性桥面系杆，刚性系杆从彩虹中部穿过，桥面模型的本身就是一副美丽的图案，我们的桥梁模型的造型如图1所示。

图1 桥梁造型

二、结构的选型

目前的桥梁结构，主要有梁式桥、拱式桥、刚架桥、缆索承重桥。其中本次比赛所使用的材料为竹皮和502胶水。斜拉索结构对材料的抗拉性能要求比较高，要求的杆件要比较细，而本次比赛所使用的材料为竹皮和502胶水，502的抗拉性能比较差，而且想要得到较细的杆件对手工的要求比较高，本次比赛制作模型的时间有所限制，所以我们决定放弃选用斜拉索结构。梁式桥结构简洁，制作简单，比较适合用于本次比赛。但是梁式（桁架）结构的缺点是，在跨度较大的时候，受到竖向力时容易失稳。拱桥优点是跨度大，充分利用了材料的抗压性能，而且比较美观，有利于节省材料。同时拱桥对水平位移敏感，曲线形拱构件手工制作加工难度大。结合本次结构设计竞赛的要求，我们设计出一种介于拱桥和桁架桥的新型桥。以直代曲，用短直杆代替弯拱形成模拟拱，同时在拱内添加一些直杆形成桁架结构同时固定模拟拱的形状，使杆件充分受压。

本模型的类拱形杆件将桥面的竖向荷载传递到坚固的支座底部处，构件以轴向受压为主，刚性系杆的桥面承受桥面使用荷载与纵向及横向的外荷载，并将力传递到桥墩及拱形构件上，整个结构简洁自然，与桥梁的各类自然环境有很强的融合能力。

三、结构的设计

1. 桥面的设计

按照比赛的要求桥面受到的力有弯矩，剪力，扭矩，轴力其中弯矩对桥面的影响比较大，为了应对竖向弯矩，我们采用了以下两个方法。一、增大桥面中点处的横截面积，我们在桥面中间部分增加了材

料的用量。二、在桥面下方加几条斜撑杆，把力传到桥墩上去，减少桥面的跨度，从而减少跨中的弯矩。桥面的上部结构为虚拟拱和桁架结构相结合，在虚拟拱上的杆受到的力为压力，所以把这几条杆的截面做成方形，以充分利用竹皮的抗压性能。虚拟拱内部的杆受到的力主要是拉力，为了与虚拟拱的杆有更好的联系，我们采取了与虚拟拱同样截面大小的方形杆。桥面上还有由水平风荷载引起得到弯矩，可以在桥面上加上两根斜的刚性杆抵抗水平方向弯矩的影响。

2. 桥墩的设计

桥墩部分受到的力有轴力，轴力为拉力，同时还受到水平方向的风荷载和纵向荷载引起的弯矩，为了增强桥梁的水平承载能力，我们采取以下措施。一、加强桥墩顶部和桥面的连接，同时加强桥墩和基础的连结，使得桥墩和桥面与基础连城一个刚架体系。二、桥面杆件作成刚性杆件，并将其余两个桥墩形成三角形结构，利用三角形的稳定性较小风荷载的影响。

四、体系特色

1. 结构特点：本结构采取了梁式刚性构件与类拱结构结合的方式，增加了桥梁的刚度与承载能力，如彩虹般的外形景观赋予桥梁以鲜活的生命力。

2. 节点处理特点：节点的作用在于将各个构件连接成整体，杆件受力将力汇集在节点处，节点改变传力路径，承受复杂的受力状态，节点强度决定整个结构的预定功能的发挥及结构寿命，在节点处理上，我们采用了实体放样的方法，尽量使各杆件接触面光滑平整，接

缝自然流畅，黏结剂黏贴紧固，并通过实验反复确定节点的破坏形式及强度，尽量使结构的破坏不出现在节点处。

3. 制作特点：本结构从设计开始就考虑了制作的要求，为了固定杆件的形状加强杆件间的接触面积，我们在杆件的两端添加了长方体的填充物，并且用砂纸打磨成需要的形状增大接触面积。尽量统一了杆件的模数，提高了制作效率。

五、模型制作加工图

如图2，图3，图4所示

图2 模型立面图

图3 模型侧视图

图4 模型平面图

六、力学分析

由于本模型的特点，计算模型简化为三维桁架，不考虑结构的弯剪扭等强度特性，用SAP2000结构分析程序计算，以竖向50kg ，顺桥向12kg ，横向3kg 为模型最终结构荷载作用，分八级组合，

取其轴向力包络值作为各杆件截面用材的参考依据，并结合结构外观造型最终确定各截面的造型，本模型的用材总重量为350g ，挠度估算值为30mm 。最大组合轴力包络图如图5所示。

图5 轴力包络图(单位：10N)