結(jié)構(gòu)模型設(shè)計制作與分析

陳吉光

摘 要：大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽可以提高大學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，同時，也增強了大學(xué)生團隊合作能力。本文以2015年吉林省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計的賽題“傳承-山地橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及手工裝配制作”為例。從賽題簡介、結(jié)構(gòu)選型、結(jié)構(gòu)布置、結(jié)構(gòu)模型數(shù)值模擬及模型分析等過程進行簡述。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)模型；模型設(shè)計；制作與分析

中圖分類號：TU318 文獻標(biāo)識碼：A

大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽的宗旨是：培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識、合作精神，提高大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力、動手實踐能力和綜合素質(zhì)，加強高校間的交流與合作。2005年在浙江大學(xué)舉行第一屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽，2015年在昆明理工大學(xué)舉行第九屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽。為迎接2015年“第九屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽”，吉林省舉辦第六屆吉林省大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽，暨全國選拔賽。

一、賽題簡介

總體模型由給定的山體模型、制作的橋梁模型和作為底座連接用的承臺板三部分組成（如圖1、圖2所示）。給定的山體模型有虎口、隧洞和棱臺山體模型。承臺板的標(biāo)高為±0.00m，虎口山體虎口底面的標(biāo)高為﹢0.14m，隧洞山體洞口底面的標(biāo)高為﹢0.30m，棱臺山體山頂平面的標(biāo)高為﹢0.20m。橋梁模型由A、B兩段橋依山而成。A、B橋段結(jié)構(gòu)的所有構(gòu)件及節(jié)點均采用給定竹材與502膠水手工制作完成。A、B橋段結(jié)構(gòu)橋面板制作時要求滿鋪，不允許有空隙。B橋段在給定位置設(shè)有減速帶。連接用承臺板主要用來承托給定的山體模型和制作的橋梁模型，模型與承臺用自攻螺釘通過連接件連接，承臺板采用生態(tài)實木板制作。承臺板上設(shè)有一條具有一定寬度的模擬河流流經(jīng)A、B橋段，為便于通航，河流內(nèi)不允許設(shè)置橋墩。

二、結(jié)構(gòu)選型

對于這次的設(shè)計，我們分別考慮了斜拉橋、拱橋、桁架橋和梁式橋的設(shè)計方案。斜拉橋可以看作是大跨徑的公路橋，且對柱塔剛度有較高的要求，所以斜拉橋?qū)Σ牧系囊蟊容^高，對于用厚竹皮做柱來講，既增加橋梁重量又費材料；拱橋最大主應(yīng)力沿拱橋曲面而作用，而沿拱橋垂直方向最小主應(yīng)力為零，可以很好的控制橋梁豎直方向的位移，但選擇拱橋需要提供的強大端部錨固，且提供水平力，顯然也不是一個好的選擇；桁架橋具有比較好的剛度，腹桿即可承拉亦可承壓，但對柱的承載能力有很高的要求，因此，我們也放棄了制作桁架橋的想法；而梁式橋有較好的承載彎矩的能力，也可以較好的控制使用中的變形，橋梁具有足夠的穩(wěn)定性，所以，相比之下我們最后選擇了梁式橋。

三、結(jié)構(gòu)布置

圖3為本次參賽的結(jié)構(gòu)總體圖。A段橋（圖4）是連接虎口與隧洞，B段橋（圖5）是連接隧洞和棱臺。橋面寬度為120mm。在主體結(jié)構(gòu)方面，橋梁主體結(jié)構(gòu)采用5片T型主梁，T型主梁橫向采用錯位橫隔梁（圖6）進行連接，以保證橋梁的整體穩(wěn)定性。同時，橫隔梁采用凹形，以節(jié)約材料和減輕重量。A段和B段橋墩采用獨柱墩，為了保證柱的穩(wěn)定性，在柱墩表面用箍纏繞。根據(jù)A、B段虎口、隧洞和棱臺標(biāo)高不同。A橋段弧長為1465mm，A橋段中的直橋段長為73.2mm。B橋段與棱臺和隧洞搭接處的弧長分別為378mm和200mm，B橋段中的直橋段長為84.4mm。A橋段共設(shè)置4根柱，B橋段共設(shè)置2根柱。

四、結(jié)構(gòu)受力模擬

數(shù)值模型的建立：

此結(jié)構(gòu)為T型梁結(jié)構(gòu)，涉及桿件較多，通過手工計算難以獲得準(zhǔn)確的計算結(jié)果。因此，我們采用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS建立計算模型，在建立計算模型的過程中做了一些分析假定。在假定的基礎(chǔ)上，采用ANSYS建立跨河處的計算模型，如圖7所示。

數(shù)值模擬分析：

橋梁跨河處為最大跨處，對該段橋進行彎矩、剪力、應(yīng)力和位移進行分析（如圖8～圖11所示），分析表明：柱子在承受較大壓力時會發(fā)生失穩(wěn)破壞和彎曲破壞，節(jié)點處會因承受較大彎矩而發(fā)生破壞。為防止結(jié)構(gòu)發(fā)生上述破壞，在制作時可以采取如下措施：（1）在節(jié)點處粘接竹片粘接板，不僅起到連接構(gòu)件的作用，還能起到一定的抗壓作用。（2）基于橋面各處標(biāo)高不同和橋面內(nèi)外標(biāo)高不同，在梁柱節(jié)點處，盡量把梁柱節(jié)點放置靠外，同時，把墩柱的接口處放在橋的內(nèi)側(cè)。由數(shù)值仿真和實際加載可以看出：梁跨中處彎矩大，應(yīng)加強T型梁的梁高；橋梁轉(zhuǎn)彎處，由于動荷載作用在橋梁結(jié)構(gòu)上的位置隨機性很大，容易發(fā)生橋梁傾覆。

結(jié)語

隨著土木工程專業(yè)的本科生教學(xué)水平的不斷提高，對實踐環(huán)節(jié)要求越來越高，結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽難度也是逐年增高。以本文的竹橋為例，橋梁上車載的隨意性及偶然性，要求在設(shè)計時，要有相應(yīng)的安全冗余度，對參賽選手提出了更高的要求。結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽能全面考察學(xué)生知識綜合應(yīng)用能力和動手實踐能力及創(chuàng)新能力。

參考文獻

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