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1、西南科技大学第十五届结构设计竞赛（建工组）渡槽支承系统结构模型设计及制作方案设计说明书作品名称 驻华而立 参赛编号 001参赛队员 张三 李四 王五提交类型 终稿二一八年四月摘要我国是一个水资源短缺的国家，且水资源时空分布不均匀。总体来看，时间上，夏秋多、冬春少；空间上，南方多、北方少。在这种情况下，我国利用空间渡槽支承系统结构架起了输水管道，将南方相对充沛的水资源运往北方，这是我国解决水资源匮乏问题的方法之一。 本次结构设计竞赛制作的模型结构就是渡槽支承系统结构，此模型结构要求输水管应经过相隔一米的A、B两个灌溉点，其余结构自定义。基于本赛题要求，我们合理设计了强度大、挠度小、同时兼顾稳定性
2、的结构体系。总体方案采用桥梁大跨度与普通跨度结合的设计，梁体设计在大跨处采用张弦设计。普通跨度处采用张拉式多跨支撑及连续格构柱支撑的方案，桥墩设计采用格构柱及“V”型门架设计，“V”型门架与承台板用螺钉连接，为拉紧拉条提供支点，中部格构柱用于支撑输水管。最后一段桥梁采用三个格构柱连续支撑的设计方式，可灵活应变输水管长度不均，最后一段自然弯曲角度大等问题。模型整体均利用竹皮良好的抗拉性能，如此设计可以保证在较小质量的状态下保证结构的强度、刚度和稳定性。在概念设计后经多次有限元分析计算、实体模型的试验和构件的不断优化，确定了具有较佳荷重比的模型。本计算书主要从结构方案、结构建模及受荷分析、节点构造
3、、模型制作4个部分进行阐述。通过有限元分析程序Midas civil对模型进行了静力分析，结果表明所用结构体系具有较强的承载力和良好的稳定性能，在满足大跨度要求下成功抵御竞赛给定的静载作用。关键词：渡槽支承系统 静力分析 Midas civil分析目 录摘要1第一章 设计说明11.1 作品简介11.2 设计思路21.3 结构选型4第二章 节点构造72.1 杆件拼接连接72.2 背索与柱节点的连接72.3 桥面拉索与背索的连接82.4 柱脚节点以及固定82.5 背索固定92.6 材料截面选择9第三章 总结与感悟13第一章 设计说明1.1 作品简介此次结构设计大赛模型为渡槽支承系统结构模型，采用竹
4、质材料制作完成，整体为带有四个转角形式总长6.5m模型。模型可分段可整体，至少需要一个跨度为1050mm桥。加载时，模型包括承台板、各段模型以及输水管三部分。模型荷载由输水管注水实现，水流逐渐注满整个输水管，并持荷20s，最后排出所有水。模型柱子与承台板通过螺钉固定在承台板上。其中，输水管与输水装置、承台板、螺钉均由主办方提供。模型的制作、粘结用502胶水完成。本次竞赛的目的是在满足赛题要求的前提下，合理设计构件截面形式、截面尺寸、构件连接方式、结构布置形式以及制作工艺，使得最终的结构模型在具有较强的竖向承载能力的同时，有足够的强度与侧向稳定性，以及接近正常使用极限状态承受50kg荷载为前提，
5、以承受均布荷载作用下所产生的弯曲、剪切、扭转效应。同时根据赛题规则，要充分考虑结构自重以及刚度，在保证结构正常使用极限状态承受50kg荷载和达到更大的极限承载能力极限状态，以及保证模型稳定性的情况下，以最小的结构自重承受各层剪力、轴力、弯矩、扭矩，并且保证足够大的输水效率。在整个设计模型的过程中，我们充分的运用到了所学的材料力学、结构力学、流体力学、桥梁工程等相关知识，同时查阅了桥梁受均布竖向荷载作用和水流冲击荷载作用的相关原理，综合桥梁结构的传力、受力特点，考虑多方面因素，最终采用此方案。桥跨部分：整个桥为张弦式结构桥，整体跨度为1040mm。桥分4跨，上弦杆采用4mm*0.35mm拉条，起
6、构型作用，保证腹杆稳定性；以及在卸载后使模型能恢复原状以保证排水效率。下弦梁采用6mm*0.55mm中薄双层竹皮拉条，在满足强度要求的情况下，使用双层拉条防止构件因材料离散性在节点处破坏。桥两端搁置在柱上，柱采用鱼腹式格构柱，基本满足结构刚度及稳定性要求。背索采用5mm*0.55mm中薄双层竹皮拉条，两条背索向中靠拢端固定于一点，提供桥向外拉力，抵抗水流对桥不利荷载。普通跨度部分：普通跨度采用两段高度逐级降低的多跨支撑结构和一段连续格构柱支撑结构，多跨支撑结构桥墩为两个“V”型门架和一个格构柱，其连续高度为320mm、310mm、300mm及295mm、285mm、275mm，桥面为两条7mm
7、*0.35mm拉条，基本满足结构强度要求。垂直桥面方向采用3mm*0.35mm拉条连接，增强模型整体性。“V”型门架柱子采用0.35mm厚竹皮制作成的6mm*7mm日字杆，柱脚用螺钉卡住防止其滑动。格构柱垂直及水平方向杆件采用2mm*2mm竹条，其余部分均采用2mm*0.35mm拉条，增强格构柱稳定性及整体性。连续格构柱连续高度为270mm、260mm、250mm。1.2 设计思路1.2.1 设计思路此次结构设计竞赛要求设计的模型为渡槽支承结构，制作材料为本色复压竹皮及竹条。根据题目要求，在满足高差要求、输水效率、指定水流路径点，结构各构件形式可合理设计，布置、构件内部构造以及构件的平面内约束
8、在规定范围内即可，这就给我们的方案设计提供了空间，我们的设计思路如下：1）确保主体结构强度与稳定性，保证结构正常使用极限状态根据本次比赛的评分规则，结构首先应能承受50kg加载和不整体失稳，故在制作时注重结构的整体性和对称性的精确度与锚固可靠性。2）优化结构强度、刚度分布经过理论分析，模型在竖向荷载和水流冲击作用下，结构主要承受竖向弯矩作用和面外倾覆，需要足够的抗弯刚度和稳定性，因此采用张弦式桥和多跨支撑结构。同时由于水流的加载过程会逐渐产生不同程度的偏心，弯矩将达到增大，然后逐渐减小直至稳定，而剪力逐渐增大直至最大，期间桥梁结构将可能产生简谐振动，最终结构跨中弯矩最大，柱顶剪力最大。据此我们
9、的桥梁结构采用了张弦梁形式多跨支撑及连续格构柱支撑形式，有效利用竹皮良好的抗拉性能，具有较大的竖向承载力。在此条件下，利用软件计算分析模型顶部倾覆，尝试找到在满足强度要求的前提下又具有一定的抗侧刚度，同时又不至于竖向位移太大而降低输水效率。柱与卡扣榫卯构件相连接并用螺钉紧固，连接牢固，脱落概率极小。桥梁上弦杆拉拉条保证竖向构件稳定性及模型整体性，张弦式桥梁竖向承载力比较好，只是安装时给拉条施加的预应力效果会影响承载力。3）平面外设置拉条，提高结构抗侧刚度结构虽然具有足够刚度但结构整体性不足，在桥两端均设置了拉条，使当结构存在侧倾倾向时能够拉的住此模型，且在静载作用下，在结构发生扭转时，拉条的一
10、松一紧，有效抵抗扭矩防止节点脱开。1.2.2 方案演化在制作模型初期我们采用的总体方案为桥梁大跨度与普通跨度结合的设计，梁体设计在大跨处采用张弦式设计，普通跨度采用多跨支撑以及多个格构柱支撑形式。因为该结构形式比较成熟，基本工程中均直接考虑此种结构。通过高度逐渐降低的连续梁桥将输送水流。因此，接下来我们将着重考虑结构的刚度、构件强度、施工工艺的设计。通过理论分析、多次的模型试验同时考虑到多种因素，我们的结构模型设计方案经过了如下的演化过程，最终形成参赛方案。图 1 方案演化图（1）确保主体结构的强度和稳定性为了确保结构承受赛题要求的竖向荷载并且保证整体的稳定性，使用张弦式桥梁，并且采用较大的截
11、面和整体截面，下面采用中薄双层6mm0.55mm竹条作为提供支撑力的主要构件。普通跨度处为保证多跨支撑的强度，在跨中我们增设一个格构柱来降低跨中挠度，提高输水效率。（2）协调各截面刚度分布在前期试验基础上，主体结构有了较好的强度和稳定性。在保证结构整体稳定的基础上，结合对位移的分析，经过试验发现模型刚度较小，过分加强又过大，水流冲击时可能会造成损坏。此时并非结构的最优刚度。因此在主跨桥梁处桥柱我们选择使用鱼腹式格构柱来满足桥跨部分的强度和刚度要求，且格构柱稳定性好。多跨支撑部分为降低两端桥柱的弯矩，我们选择将柱顶端外倾，保证桥柱不会受弯破坏。（3）设计抗扭构造措施由于模型（特别是最大跨度的桥梁
12、），跨度大，高度高，在水流冲击作用下容易产生扭转。在桥梁两侧外部设置向内侧扩张的拉条，以控制其稳定性，防止输水管转角冲击对两侧模型产生不利影响。同时用竹皮包住节点，防止节点脱开。（4）最大限度减小模型自重在保证结构竖向承载力、整体刚度、抗扭能力的情况下，本模型尽可能减小自重。经过理论计算和实践测试我们桥跨部分的下部拉索采用6*0.55的中薄双层拉条，上部构型拉条采用4*0.35，背索采用5*0.55的中薄双层拉条。多跨支撑段桥面拉索在1200跨度段我采用7*0.35，在1300跨度段采用8*0.35，背索采用7*0.35。因格构柱承压能力强，受压杆采用最细的2*2竹条制作。该模型制作难度低，模
13、型质量轻，该结构抗剪强度也满足要求，输水效率高，较为稳妥。结构竖向承载力、整体稳定性、抗扭能力也都得到保证。1.3 结构选型1.3.1 模型结构选择本次竞赛的渡槽支撑系统满足具体的灌溉点、高度、持荷加载、卸载以及输水效率的要求，但是对于结构的形式不做要求，因此在模型的结构选择中我们有较大的选择空间。通过解读与分析赛题，我们认为所制作的模型要满足以下的基本要求：（1）模型长度应符合自然管长6.5m，且需经过AB两灌溉点；（2）模型不发生整体垮塌（允许局部损坏，但输水管不得触碰承台板并且不能损坏），且输水效率应达到赛题要求的90%；（3）满足现场制作和装载时，使用规定工具能达到的拼装精度，且制作工
14、序不过于复杂，尤其是要便于安装防止安装超时。在对多种结构形式的模型测试和分析中，得出以下结论：（1） 多跨桁架桥：优点：强度大，稳定性高，模型形变小，输水效率高。缺点：自重大，制作工艺复杂，模型节点过多不利于处理，。（2） 多跨张弦桥：优点：制作工艺简单，输水效率高，强度满足荷载要求。缺点：自重较大，稳定性较差，拉条因材料离散性易发生断裂。（3） 单跨张弦桥+多个四角支撑结构：优点：制作工艺简单，安装效率高，输水效率高，强度满足荷载要求。缺点：自重较大，与承台板连接节点未直接连接易发生滑动。（4） 单跨张弦桥+多塔张拉式结构+多个单立柱优点：制作工艺简单，输水效率高，自重小，强度大，稳定性较好
15、。缺点：安装较复杂，桥柱受弯矩较大，易发生破坏。经过多次实验，理论分析，软件模拟，我们最终选择了第四种结构形式并进行优化我们得到模型形式如下图：图 2 模型整体实物图1.3.2 模型结构图图 3 桥梁尺寸图图 4 多跨支撑结构尺寸图 图 5 格构柱尺寸图 第二章 节点构造2.1 杆件拼接连接杆件在打印出来的图纸上进行组装拼接，以达到足够的精确度，降低模型受到的手工因素影响，在这个制作过程中，精确度要求最高的是柱子的底端倾角，另外一个就是格构柱的拼接精确度问题，我们通过拉条对有些存在手工误差的杆件进行调整精确度，达到横平竖直的模型效果。 图 6 格构柱节点 图 7 柱底端倾角 2.2 背索与柱节
16、点的连接为保证加载过程中柱的稳定性，在柱上节点处各连接一根拉条作为背索固定柱面。柱顶拉条取计算长度延升3-5mm粘贴到与拉力方向相反的杆面保证拉条在加载过程中不会被拉脱。图 8 背索与柱节点2.3 桥面拉索与背索的连接桥面拉索与背索的连接参考钢结构中钢板的焊接方式，在背索与柱节点处首先用502粘接一片竹皮，再将桥面与背索粘接，为防止桥面拉索与背索拉脱，再用一片竹皮粘接桥面拉索与背索。 图 9 桥面拉索与背索连接处理2.4 柱脚节点以及固定柱脚与承台板的连接，我们采用螺栓连接方式，首先将竹皮加工成一个小片，将柱脚卡进入小片，最后用螺钉固定在承台板上。图 10 柱脚处理以及固定2.5 背索固定背索
17、的固定我们采用螺栓连接，通过螺钉将背索与承台板进行固定。在连接处为防止孔壁破坏，我们将连接处用502粘接两层顺纹竹皮和一层逆纹竹皮，以保证孔壁在各方向上的承压能力。图 11 背索固定2.6 材料截面选择本次比赛提供了丰富的竹材原料竹皮与竹条，可组合成较多的截面尺寸，因此对于不同位置的杆件可合理选择其截面，充分发挥材料的作用。所提供材料及其尺寸如下表：表 1 材料规格表竹材规格竹皮1250mm430mm0.50mm1250mm430mm0.35mm1250mm430mm0.20mm竹条900mm6mm1mm900mm2mm2mm900mm3mm3mm经过实际实验，理论计算，模型的构建截面形式与模
18、型材料表如下：表 2 构件截面形式截面规格截面尺寸截面实体效果图SB33H66.70.350.35T66.350.35TP66.70.350.353.180.35L30.2L60.2表 3 下料长度序号构件材料截面规格下料长度数量1竹条SB2*2310422854327044260452504676477048694960401035411326122941327614224151961617417101018SB3*3350420330421SB6*160122竹皮TP6*7*0.35362223345224340225313226L7*0.3512502274304284102293702
19、30L8*0.35700431L6*0.351200232L6*0.21200233L5*0.35550434L5*0.2550435L4*0.351200236L3*0.351250137L2*0.35800253842013第三章 总结与感悟随着人类的各种活动,水资源环境明显恶化，全球目前有14%以上的水体约受到污染。水资源短缺已成为全球性的问题，在亚洲有60%的地区缺水；在非洲连年干旱有85%的地区缺水，缺水已直接威胁到了生存；美洲、欧洲出现用水紧张的现象，现今全球有80多个国家正面临着水资源不足，俄罗斯、加拿大也受到威胁，16%的城市人口缺水，约12亿人严重缺少饮用水，在发展中国家约有
20、10亿多人达不到安全用水，所以合理利用水资源是当代的热门话题。本次竞赛的模型是渡槽支承系统结构，而在众多渡槽支承系统结构中，连续梁形式已经成为了主要形式。在将赛题进行分析之后我们做出了方案的主要构想以及主要方向。摒弃常见的直接的连续梁形式，从常见结构中获得灵感，做出了一种最直接简单的“张弦式桥梁+连续多跨支承”结构，通过螺钉卡扣柱脚。经过了几十次的尝试，我们终于得到了满意的结构形式，也最终确定了方案。备赛期间，我们秉承着大赛创新、合作以及实践宗旨，不断地完善模型，提出创新点大胆的尝试。在专业知识得到充分的实践检验外，我们还学会了如何分工合作。正如一个施工项目，合理分配人员工作，精确控制施工时间，在十二小时时间里将渡槽制作完成。备赛的过程也并非一帆风顺，有成功也就有失败。依然清晰记得在模型基本定型的一次实验，模型的加载效果不尽理想，很大的打击了队员们的自信。如何让队员学会克服失利的心理关也是一门学问，在指导老师的专业和耐心的指导以及历届参赛队员的鼓励下，队员们努力走出心理关，发现问题解决问题，锻炼出了一种敢于挑战困难和不服输的精神。结构设计大赛作为一个检验综合和能力的平台，给我们这些众多来自普通大学的平凡学子一个展示自我的平台，和来自全省各地的师生学习交流，思维的发散与创新在相互碰撞，难能可贵。因此队员们也异常珍惜这次参赛机会，力争在大赛上展现自己的风采。
