桥梁模型木桁架设计说明书.docx
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桥梁模型木桁架设计说明书
桥梁模型设计说明书
1.方案的设计思路
由于结构要紧经受竖向力,因此结构选型要紧在于正面的形状。
平纵联和横联只用于提供侧向支撑,减小主桁长细比,而且形成空间效应,一起作用,提高抗扭刚度,具体计算需要空间有限元计算。
1.1利用木构件受拉仍是受压强度
方案一:
斜腹杆受拉:
方案二:
斜腹杆受压:
木材的顺纹抗拉强度,是指木材沿纹理方向经受拉力荷载的最大能力。
木材的顺纹抗拉强度较大,各类木材平均约为,为顺纹抗压强度的2-3倍。
这是木材受拉的优势——强度大。
可是,木材受拉有以下缺点:
(1)木材顺纹受拉的应力—应变曲线接近于直线,因此木材受拉破坏前并无明显的塑性变形时期,表现为脆性破坏。
木材顺纹受压破坏时,纤维失稳而屈曲。
木材顺纹受压和受拉相较,受压时木材具有较好的塑性。
(2)由于木材顺纹受压时的纤维失稳屈曲性质,能使局部的应力集中慢慢趋于缓和,因此在受压构件中通常能够不考虑应力集中的不利阻碍。
(3)木节(如右图)对受拉构件承载能力的阻碍专门大,木节与周围木质之间的联系很差,减弱了截面,并使截面偏心受力。
而木节对受压强度的阻碍也远小于对受拉强度的阻碍。
综上所述,木构件的受压要比受拉工作靠得住的多。
方案三:
考虑弧形桁架
决定利用木构件抗压后,咱们看到,能够进一步改良为弧形桁架,其有以下优缺点:
优势:
(1)受力更接近弯矩图的形状,受力更为合理,可充分利用材料。
(2)针对本模型来讲,若是上弦杆用一整根桐木条制造,那么木条上侧受拉,下侧受压,在加荷时,构件上侧受压,下侧受拉相反。
也确实是说,弧形桐木条能提供一小部份预应力。
缺点:
但其计算复杂,而且拼装工艺也较复杂。
方案四:
交叉式腹杆桁架:
两套腹杆能够经受更大的剪力,可是自重更大。
需要计算确信荷重比(F=Q/W)进行取舍,其中Q代表模型所经受的静荷载或冲击荷载(N),W代表模型自重(N)。
缺点:
斜腹杆端部伸入点构造复杂,胶水不行粘。
而且存在应力集中现象。
另,在后文的验算中,发觉结构的操纵杆件为中部的下弦杆。
增强腹杆能够提高结构刚度,但对承载力提高不大。
而本模型的评分标准是载重/自重,不需要考虑变形。
因此,我组直接没有采纳这种交叉式腹杆结构,以减轻自重。
1.2比较卯榫连接与胶连接
卯榫连接,关于本模型来讲:
木构件很小,进行卯榫连接的工艺过于复杂。
工具、材料和时刻有限。
在关键部位采纳卯榫连接提高结构的延性。
胶连接的优缺点:
优势:
高度的刚性;在通常的情形下,当连接的面积相等时具有较高的承载能力
缺点:
对不熟练的制造高度灵敏;缺乏明显的生产操纵;在现场制造受到严格限制;复杂的力学机理;往往是超级脆性的。
综上所述,我组要紧采纳胶连接,局部利用卯榫连接。
2.结构尺寸选择
2
2.1拟定梁高、节间长度、斜腹杆倾角
题目要求桥梁总长在900~100mm,梁高为100~200mm。
第一,让咱们来试探梁高越大越好,仍是越小越好。
关于平行弦桁梁。
主桁高度应先知足利用要求,对本模型,即:
题目要求的100mm~200mm。
下面考虑刚度、材料用量与梁高的关系。
在刚度方面,当跨度一按时,桁高越大,挠度就越小,梁端转角也越小,有利于小车的平顺和平安行驶;反之,桁高越小不仅会对行车有阻碍,节点刚性次应力和活载动力作用也越大。
在材料用量方面,当跨度一按时(900mm),桁高越大,弦杆受力越小,弦杆用材量就少,但腹杆较长,腹杆用材量较大;反之,当桁高减小时,弦杆用木量增加但腹杆用木量增大。
查阅资料说明,用量最少的梁高约为其跨度的1/6~2/13。
那个地址我组自己建模,进行了最优化设计。
梁高、节间长度、斜腹杆倾角都会阻碍斜腹杆长度,因此我组综合考虑进行了建模。
2.2最优化设计
1
1.1
1.2
1
2
2.1
2.2
2.2.1模型假设与约定
(1)在设计时,应考虑受压杆件的长度,因为压杆由稳固操纵。
可是,考虑稳固进行最优化设计过于麻烦,另外该模型木构件的长细比不是太大。
因此,本模型假设不存在稳固问题。
(2)小车的力为两个F/2的轴重,为简化计算,设为一个集中力F。
(3)桁架受轴力,忽略刚性次内力。
(4)按简支梁计算。
(5)不考虑动力效应,即取冲击系数为。
(6)只计算最不利位置。
2.2.2符号说明列表
符号
说明
L
模型长度
n
节间长度
α
斜腹杆倾角
A下标
下标杆件的截面积
f
木材强度
V
木材体积
h
桁架高度
F
小车重量
2.2.3模型图例
图例为8个节间的示用意,节间为6或10与其类似。
2.2.4最优计算
按静定结构简支钢横梁进行受力分析,计算简图如下:
计算结果如下:
考虑到上弦杆要经受同时弯矩、剪力,因此适当提高上弦杆的截面积,使其与下弦杆截面积相同,如此也便于计算。
木构件的截面积和长度列表:
项目
截面积A
长度
体积
上、下弦杆
2L
竖腹杆
(n+1)Ltanα
斜腹杆
整体积:
由此,取得斜腹杆角度为45°。
同时,取得n越小,材料用量越小。
因此,取n=6。
(当n=4时,梁精湛过200mm)
综上,可取桥全长L=960mm,梁高h=160mm。
3.制造工艺
3
3.1胶水的薄厚与连接强度的关系
第一,咱们来看胶水的强度:
UHU胶水的强度:
120千克/平方厘米
1kg/cm2=10N/100mm2=MPa,而木材强度平均约为胶水强度过小了,因此应幸免单纯利用胶水抗拉。
尽可能利用胶水的抗剪强度。
因为通常胶缝厚度超级薄,胶与木材之间的界面存在复杂的过渡,而且胶和木材剪切模量为可相较较的数值。
通过改善连接处的粘接面形状等,提高连接强度。
通过查阅文献,咱们发觉clad(1965)取得关于经常使用的胶黏剂,当胶缝厚度为、和时,剪变模量大致相应于以下范围:
1300~1800N/mm2、700~850N/mm2、和600N/mm2。
综上,粘接时应注意以下两点:
(1)尽可能利用胶水抗剪,而不是抗拉;
(2)压紧压薄,胶水越薄越结实。
3.2木构件表面的粗糙度与连接强度的关系
指形连接如下:
这种连接能够提高抗拉强度。
受力如下。
原理在于:
(1)
(2)受剪面积增大。
其他方向的强度也增大了。
综上,增大粗糙度有利于提高抗剪强度,可是需注意保证连结构件的完全契合,不然,连接内部的缺点会致使应力集中,降低承载力。
4.其他有特色方面的说明
4
4.1纵向预应力
棉线提供预拉应力:
类似以下图这种,第一拉紧棉线,然后在两组棉线之间插入小木棒。
接着,通过小木棒的旋转让两组棉线绞在一路,拉紧下弦杆。
4.2竖向预应力
与上述工艺类似,由于支座外侧的结构受拉,提早施加预应力,对结构受力有利。
如以下图:
4.3含水率的阻碍
水分会降低木材的强度和刚度,因此应注意防潮。
别让木材受潮。
另,平纵联、横向联系要紧起到形成整体空间结构骨架的作用。
只要实验时,小车荷载不偏离中线过量,没有抗扭问题。
那么连接系不要太强,以减轻自重。
5.参考文献
[1]樊承谋等.木结构设计指南[M].北京:
中国建筑工业出版社,2020.
[2]何敏娟等.木结构设计[M].北京:
中国建筑工业出版社,2020.
[3]樊承谋等.木结构大体原理[M].北京:
中国建筑工业出版社,2020.
[4]东南大学等.混凝土结构[M].北京:
中国建筑工业出版社,2020.
[5]夏禾.桥梁工程[M].北京:
高等教育出版社,2020.
[6]国家标准.木结构设计标准(GB50005-2003)[S].北京:
中国建筑工业出版社,2003.
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