桁架結(jié)構(gòu)分析.doc

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2013-2014年度學(xué)生研究計(jì)劃（SRP） “桁架結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化及試驗(yàn)” 結(jié)題論文 姓 名 駱輝軍 學(xué) 院 土木與交通學(xué)院 專 業(yè) 土木工程（卓越全英班） 學(xué) 號 201230221450 指導(dǎo)老師 范學(xué)明 時 間 2014年10月 一.實(shí)驗(yàn)背景 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的應(yīng)用，應(yīng)用相關(guān)的軟件來進(jìn)行桁架結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化已經(jīng)可以成為現(xiàn)實(shí)。桁架結(jié)構(gòu)中的桁架指的是桁架梁，是格構(gòu)化的一種梁式結(jié)構(gòu)。桁架結(jié)構(gòu)常用于大跨度的廠房、展覽館、體育館和橋梁等公共建筑中。由于大多用于建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)，桁架通常也被稱作屋架。在橋梁結(jié)構(gòu)中，桁架結(jié)構(gòu)也應(yīng)用廣泛。只受結(jié)點(diǎn)荷載作用的等直桿的理想鉸結(jié)體系稱桁架結(jié)構(gòu)。它是由一些桿軸交于一點(diǎn)的工程結(jié)構(gòu)抽象簡化而成的。 合理地設(shè)計(jì)桁架結(jié)構(gòu)，就能夠最大限度地利用材料的強(qiáng)度，起到減輕桁架重量，節(jié)省材料的目的，從而也能為工程實(shí)際應(yīng)用提供相關(guān)的依據(jù)和參考。 但桁架的結(jié)構(gòu)模型形式千變?nèi)f化，僅僅從理論上分析桁架的受力特征和破壞特征，而不進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)研究是無法取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展的。正是基于這樣一個原則，我們需要在理論研究的基礎(chǔ)上通過試驗(yàn)來優(yōu)化桁架的結(jié)構(gòu)模型，在各式各樣的桁架結(jié)構(gòu)中挑選出受力合理的結(jié)構(gòu)，最大限度地使材料的強(qiáng)度得以利用。 研究桁架結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化的意義 桁架結(jié)構(gòu)中，各桿件受力均以單向拉、壓為主，通過對上下弦桿和腹桿的合理布置，可適應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎矩和剪力分布。由于水平方向的拉、壓內(nèi)力實(shí)現(xiàn)了自身平衡，整個結(jié)構(gòu)不對支座產(chǎn)生水平推力。結(jié)構(gòu)布置靈活，應(yīng)用范圍非常廣。桁架梁和實(shí)腹梁（即我們一般所見的梁）相比，在抗彎方面，由于將受拉與受壓的截面集中布置在上下兩端，增大了內(nèi)力臂，使得以同樣的材料用量，實(shí)現(xiàn)了更大的抗彎強(qiáng)度。在抗剪方面，通過合理布置腹桿，能夠?qū)⒓袅χ鸩絺鬟f給支座。這樣無論是抗彎還是抗剪，桁架結(jié)構(gòu)都能夠使材料強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，從而適用于各種跨度的建筑屋蓋結(jié)構(gòu)。更重要的意義還在于，它將橫彎作用下的實(shí)腹梁內(nèi)部復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為桁架桿件內(nèi)簡單的拉壓應(yīng)力狀態(tài)，使我們能夠直觀地了解力的分布和傳遞，便于結(jié)構(gòu)的變化和組合。 由于桿件之間的互相支撐作用，且剛度大，整體性好，抗震能力強(qiáng)，所以能夠承受來自多個方向的荷載。而且具有結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)輸方便等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用于各個工程領(lǐng)域。古代木構(gòu)建筑，而今的2008北京奧運(yùn)會的主體育館鳥巢；太空中的大型可展天線，地面上的跨海大橋，隨處都可見到桁架的身影。由于桁架的結(jié)構(gòu)模型千變?nèi)f化，不同的桁架結(jié)構(gòu)形式對橋梁或者屋架的受力特征有很大的影響，因而，研究桁架結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)化具有重大的意義。 2． 實(shí)驗(yàn)的相關(guān)資料 1.桁架結(jié)構(gòu)的常見構(gòu)造方式 桁架指的是桁架梁，是格構(gòu)化的一種梁式結(jié)構(gòu)，即一種由桿件彼此在兩端用鉸鏈連接而成的結(jié)構(gòu)。桁架由直桿組成的一般具有三角形單元的平面或空間結(jié)構(gòu)，桁架桿件主要承受軸向拉力或壓力，從而能充分利用材料的強(qiáng)度，在跨度較大時可比實(shí)腹梁節(jié)省材料，減輕自重和增大剛度。由于大多用于建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)，桁架通常也被稱作屋架。 桁架結(jié)構(gòu)常用于大跨度的廠房、展覽館、體育館和橋梁等公共建筑中。其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于，各桿件受力均以單向拉、壓為主，通過對上下弦桿和腹桿的合理布置，可適應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎矩和剪力分布。由于水平方向的拉、壓內(nèi)力實(shí)現(xiàn)了自身平衡，整個結(jié)構(gòu)不對支座產(chǎn)生水平推力。結(jié)構(gòu)布置靈活，應(yīng)用范圍非常廣。桁架梁和實(shí)腹梁（即我們一般所見的梁）相比，在抗彎方面，由于將受拉與受壓的截面集中布置在上下兩端，增大了內(nèi)力臂，使得以同樣的材料用量，實(shí)現(xiàn)了更大的抗彎強(qiáng)度。在抗剪方面，通過合理布置腹桿，能夠?qū)⒓袅χ鸩絺鬟f給支座。這樣無論是抗彎還是抗剪，桁架結(jié)構(gòu)都能夠使材料強(qiáng)度得到充分發(fā)揮，從而適用于各種跨度的建筑屋蓋結(jié)構(gòu)。 從力學(xué)方面分析，桁架外形與簡支梁的彎矩圖相似時，上下弦桿的軸力分布均勻，腹桿軸力小，用料最?。粡牟牧吓c制造方面分析，木桁架做成三角形，鋼桁架采用梯形或平行弦形，鋼筋混凝土與預(yù)應(yīng)力混凝土桁架為多邊形或梯形為宜。 桁架的高度與跨度之比，通常，立體桁架為1/12~1/16，立體拱架為1/20~1/30，張拉立體拱架為1/30~1/50，在設(shè)計(jì)手冊和規(guī)范中均有具體規(guī)定。桁架的使用范圍很廣，在選擇桁架形式時應(yīng)綜合考慮桁架的用途、材料和支承方式、施工條件，其最佳形式的選擇原則是在滿足使用要求前提下，力求制造和安裝所用的材料和勞動量為最小。 三角形桁架在沿跨度均勻分布的節(jié)點(diǎn)荷載下，上下弦桿的軸力在端點(diǎn)處最大，向跨中逐漸減少；腹桿的軸力則相反。三角形桁架由于弦桿內(nèi)力差別較大，材料消耗不夠合理，多用于瓦屋面的屋架中。 梯形桁架和三角形桁架相比，桿件受力情況有所改善，而且用于屋架中可以更容易滿足某些工業(yè)廠房的工藝要求。如果梯形桁架的上、下弦平行就是平行弦桁架，桿件受力情況較梯形略差，但腹桿類型大為減少，多用于橋梁和棧橋中。 多邊形桁架也稱折線形桁架。上弦節(jié)點(diǎn)位于二次拋物線上，如上弦呈拱形可減少節(jié)間荷載產(chǎn)生的彎矩，但制造較為復(fù)雜。在均布荷載作用下，桁架外形和簡支梁的彎矩圖形相似，因而上下弦軸力分布均勻，腹桿軸力較小，用料最省，是工程中常用的一種桁架形式。 空腹桁架基本取用多邊形桁架的外形，無斜腹桿，僅以豎腹桿和上下弦相連接。桿件的軸力分布和多邊形桁架相似，但在不對稱荷載作用下桿端彎矩值變化較大。優(yōu)點(diǎn)是在節(jié)點(diǎn)相交會的桿件較少，施工制造方便。 桁式組合拱橋是由兩個懸臂桁架支承一個橋梁拱組成，它除保持桁式拱結(jié)構(gòu)的用料省、跨越能力大、豎向剛度大等特點(diǎn)外，更具有桁梁的特性和可以采用無支架懸臂安裝的方法施工，使桁式組合拱橋具有一定的競爭能力。我國貴州省建造桁式組合拱橋數(shù)量最多，國內(nèi)較知名的有以下幾座：(1)貴州省劍河大橋，橋梁跨徑為150m，橋面寬為11m，建于1985年；(2)四川省牛佛大橋，橋梁跨徑為160m，橋面寬為11m，建于1990年；(3)貴州省江界河大橋，橋梁跨徑為330m，橋面寬為12m，建于1995年。 貴州省劍河大橋 2.桁架結(jié)構(gòu)常見材料的截面形式、強(qiáng)度等材料性能參數(shù) 桁架的幾種常用材料： 1. 鋼材：而通常用于桁架中的鋼材主要有兩種： ① 碳素結(jié)構(gòu)鋼：強(qiáng)度：含碳量約0.05%～0.70%，個別可高達(dá)0.90%?？煞譃槠胀ㄌ妓亟Y(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼兩類。而用于結(jié)構(gòu)工程中常用的是普通碳素鋼。一般Q195、Q215、Q235鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，因?yàn)楹附有阅芎?，塑性、韌性好，有一定強(qiáng)度，常軋制成薄板、鋼筋、焊接鋼管等，用于橋梁、建筑等結(jié)構(gòu)。而“Q”表示鋼材的屈服點(diǎn)。 ② 低合金鋼：強(qiáng)度：典型碳素結(jié)構(gòu)鋼的最小屈服點(diǎn)為235MPa。而典型低合金高強(qiáng)度鋼的最小屈服點(diǎn)為345MPa。因此，根據(jù)其屈服點(diǎn)的比例關(guān)系，低合金高強(qiáng)度鋼的使用允許應(yīng)力比碳素結(jié)構(gòu)鋼高1.4倍。與碳素結(jié)構(gòu)鋼相比，使用低合金高強(qiáng)度鋼可以減小結(jié)構(gòu)件的尺寸，使重量減輕。必須注意，對于可能出現(xiàn)彎曲的構(gòu)件，其許用應(yīng)力必須修正，以達(dá)到保證結(jié)構(gòu)的堅(jiān)固性。有時用低合金高強(qiáng)度鋼取代碳素結(jié)構(gòu)鋼但不改變斷面尺寸，其唯一的目的是在不增加重量的情況下而得到強(qiáng)度更高更耐久的結(jié)構(gòu)；成形性能：具有適當(dāng)?shù)某尚涡阅?，容易地和?jīng)濟(jì)地進(jìn)行熱或冷加工以制成工程結(jié)構(gòu)的各種部件； 2. 鋼筋混凝土：由于混凝土的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度，因而素混凝土結(jié)構(gòu)不能用于 受有拉應(yīng)力的梁和板。如果在混凝土梁、板的受拉區(qū)內(nèi)配置鋼筋，則混凝土開裂后的拉力即可由鋼筋承擔(dān)，這樣就可充分發(fā)揮混凝土抗壓強(qiáng)度較高和鋼筋抗拉強(qiáng)度較高的優(yōu)勢，共同抵抗外力的作用，提高混凝土梁、板的承載能力。 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 鋼筋與混凝土兩種不同性質(zhì)的材料能有效地共同工作，是由于混凝土硬化后混凝土與鋼筋之間產(chǎn)生了粘結(jié)力。它由分子力（膠合力）、摩阻力和機(jī)械咬合力三部分組成。其中起決定性作用的是機(jī)械咬合力，約占總粘結(jié)力的一半以上。將光面鋼筋的端部作成彎鉤，及將鋼筋焊接成鋼筋骨架和網(wǎng)片，均可增強(qiáng)鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力。為保證鋼筋與混凝土之間的可靠粘結(jié)和防止鋼筋被銹蝕，鋼筋周圍須具有15～30毫米厚的混凝土保護(hù)層。若結(jié)構(gòu)處于有侵蝕性介質(zhì)的環(huán)境，保護(hù)層厚度還要加大。 3. 梁和板等受彎構(gòu)件中受拉力的鋼筋，根據(jù)彎矩圖的變化沿縱向配置在結(jié)構(gòu)構(gòu)件受拉的一側(cè)。在柱和拱等結(jié)構(gòu)中，鋼筋也被用來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗壓能力。它有兩種配置方式：一是順壓力方向配置縱向鋼筋，與混凝土共同承受壓力；另一是垂直于壓力方向配置橫向的鋼筋網(wǎng)和螺旋箍筋，以阻止混凝土在壓力作用下的側(cè)向膨脹,使混凝土處于三向受壓的應(yīng)力狀態(tài)，從而增強(qiáng)混凝土的抗壓強(qiáng)度和變形能力由于按這種方式配置的鋼筋并不直接承受壓力，所以也稱間接配筋。在受彎構(gòu)件中與縱向受力鋼筋垂直的方向，還須配置分布筋和箍筋，以便更好地保持結(jié)構(gòu)的整體性，承擔(dān)因混凝土收縮和溫度變化而引起的應(yīng)力，及承受橫向剪力。木材：木材有很好的力學(xué)性質(zhì)，但木材是有機(jī)各向異性材料，順紋方向與橫紋方向的力學(xué)性質(zhì)有很大差別。木材的順紋抗拉和抗壓強(qiáng)度均較高，但橫紋抗拉和抗壓強(qiáng)度較低。木材強(qiáng)度還因樹種而異，并受木材缺陷、荷載作用時間、含水率及溫度等因素的影響，其中以木材缺陷及荷載作用時間兩者的影響最大。建筑用木材，通常以原木、板材、枋材三種型材供應(yīng)。原木系指去枝、去皮后按規(guī)格加工成一定長度的木料;板材是指寬度為厚度的三倍或三倍以上的型材;而枋材則為寬度不足三倍厚度的型材。 按照國家標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)木材的缺陷情況對各種商品木材進(jìn)行了等級劃分，通常分為一、二、三、四等。結(jié)構(gòu)和裝飾用木材一般選用等級較高的木材。對于承重結(jié)構(gòu)用的木材，又根據(jù)《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ5—88)的規(guī)定，按照承重結(jié)構(gòu)的受力要求對木材進(jìn)行分級，即分為I、II、III三級，設(shè)計(jì)時應(yīng)根據(jù)構(gòu)件的受力種類選用適當(dāng)?shù)燃壍哪静?。例如承重木結(jié)構(gòu)板材的選用，根據(jù)其承載特點(diǎn)，一般I級材用于受拉或受彎構(gòu)件;II級材用于受彎或受壓彎的構(gòu)件;III級材用于受壓構(gòu)件及次要受彎構(gòu)件。 三．實(shí)驗(yàn)的過程 1.設(shè)計(jì)過程 以下是我們設(shè)計(jì)的12個方案。 方案1 方案2 方案3 方案4 方案5 方案6 方案7 方案8 方案9 方案10 方案11 接下來以其中一個設(shè)計(jì)方案為例，對設(shè)計(jì)過程進(jìn)行詳細(xì)闡述。 I. 結(jié)構(gòu)的構(gòu)件. 圖1 圖2 圖3 圖4 圖5 圖6 提示： 圖1是該結(jié)構(gòu)的前視圖，每個部件的中間表示它的軸。此外，我們對不同元素的標(biāo)記是從1號到11號（部件12是兩個結(jié)構(gòu)之間的連接件）。 圖2表示頂部梁1，主梁2 和底部支撐梁3的構(gòu)造，梁1,2,3，用表面上的豎直線分割，由于定位所有其他構(gòu)件。 圖3和圖4表示各構(gòu)件具體的尺寸，作為我們做出精確模型的基礎(chǔ)依據(jù)。 圖5和6解決我們切材料的方式。Ax指6 * 6的輕木條和Bx指63輕木條。 Table 1 Summary of Elements Number Amount Length(cm) Sectional Dimensions (mm*mm) Total Length (cm) Tips 1 2 30.97 6*6 61.94 A2:2 2 2 41.45 6*6 & 6*3 82.9 Strengthen both sides 41.45*2=82.9 A1:2 B3:2 3 4 11.4 6*3 45.6 B1:4 4 4 10.81 6*6 43.24 A2:2 A5:2 5 4 9.4 6*6 37.6 A4:4 6 4 10.81 6*6 43.24 A4:4 7 8 10.81 6*6 & 6*3 86.48 A3:8 Strengthen 4 elements in both sides 10.81*2*4=86.48 B4:8 8 4 6.82 6*6 27.28 A1:1 A2:1 A4:1 B5: making 1 element with 6*3 9 4 4.4 6*6 17.6 A3:1 A5:2 B5: making 1 element with 6*3 10 4 11.4 6*6 45.6 A5:4 11 4 6.82 6*6 27.28 A5:2 B5:making 1 element with 6*3 12 15 8 6*3 120 B1:5 B2:10 Sum 　 　 　 638.76 　 Tips show the way to embody the arrangement of members, which is also included in figure 5&6. II. 設(shè)計(jì) 在解釋我的設(shè)計(jì)過程中，我們真的要說感謝我們的老師，因?yàn)檫@次比賽給了我們一個學(xué)習(xí)SAP2000的機(jī)會。 在設(shè)計(jì)之初，我們做的第一件事就是要弄清楚輕木的力學(xué)性能。然而，我們發(fā)現(xiàn)，材料中介紹附錄資料是從互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)完全不同。雖然相同的屬性有不同的數(shù)值，但是我發(fā)現(xiàn)極限拉伸強(qiáng)度總是比壓縮強(qiáng)度大，這意味著輕木能承受較大的拉力。在最后，我們設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度7MPa和拉伸強(qiáng)度14MPa的結(jié)構(gòu)。另外，木材可以被歸類為脆性材料，這意味著，在該設(shè)計(jì)中，我們不必考慮它的屈服。這是我設(shè)計(jì)的前提。 For 66 balsa wood, ultimate force and moment: For 63 balsa wood, ultimate force 在設(shè)計(jì)之前，我也在互聯(lián)網(wǎng)上看到了很多關(guān)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的材料。然后，我總結(jié)的一條基本原則，基于二剛體原則，在一個基礎(chǔ)三角形上增加二剛體以形成靜定體系，然后，通過對結(jié)構(gòu)施加力的作用找到結(jié)構(gòu)最薄弱的位置并通過改變構(gòu)件之間的角度和構(gòu)件的長度以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。最后，雖然你滿足尺寸要求，有些元素還是要承受很大的力，你可以添加一個或兩個要素去分擔(dān)這個力，這將使系統(tǒng)變成超靜定體系。基于這個原則，我開始了我的設(shè)計(jì)。 1、所有的元素都鉸鏈連接，因?yàn)樵摬牧喜荒艹惺芤粋€較大的彎矩。 , 2、只考慮了兩個框架中的一個。 3、在頂梁中點(diǎn)處施加1N負(fù)載，方便分析。 4、用連續(xù)輥支撐模擬真實(shí)的支持條件。 5、所有構(gòu)件橫斷面尺寸都為6 * 6。 1st edition 從圖中，我們可以發(fā)現(xiàn)，中間的三角形的兩條邊要承受0.7的壓縮力，第3條邊要承擔(dān)0.62的拉力，這意味著這些元素都為0.7和0.62的系數(shù)。然后我改變了一些構(gòu)件的位置和長度，以降低系數(shù)。 2nd edition 這是第二個方案，雖然該結(jié)構(gòu)的系數(shù)足夠小，但該結(jié)構(gòu)的尺寸不符合要求。同時，左邊和右邊的元素太長以至于不能承受較大的力，因?yàn)樗鼈兛梢员粡澢? 3rd edition 此方案是完美的，系數(shù)小并且有兩個較長的元素分擔(dān)力。我們只需要增加中間的三角形的橫截面面積。不過，關(guān)于跨度的定義，我的理解和比賽的規(guī)定有不同之處，因此我必須再次進(jìn)行更改。 4th edition (Final edition) 在最終方案中，所有的尺寸要求得到滿足。所有的單元尺寸也被確定。雖然最大的系數(shù)增加了一點(diǎn)。 Analysis of the Final Edition. (Apply 100N force at the middle point of one frame) 1 Axial force 2 Deformation with factor 1 3 Deformation with factor 300000 從上面的圖可以看出100N的力不會對結(jié)構(gòu)有很大的影響。結(jié)構(gòu)甚至不變形。力加到300000，我們可以說，它變形了一點(diǎn)。因?yàn)檫@些數(shù)字顯示的所有信息清楚，我認(rèn)為這是足夠的。 最大壓應(yīng)力和最大拉應(yīng)力的估計(jì)： 現(xiàn)在，我想解釋一下，為什么我用“系數(shù)法”來分析的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)之前我有很多的假定，因?yàn)槲覀儾豢紤]材料的屈服，可以應(yīng)用胡克定律，當(dāng)500N力作用時，結(jié)果將是1N結(jié)果的500倍。因此，用最終的壓縮力和拉伸力，就可以直接找到的估計(jì)。 計(jì)算處理將被跳過。預(yù)估值如下。 F_C=504N F_T=756N 同時，我們認(rèn)為構(gòu)件的彎曲破壞是不必要考慮的，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的尺寸不夠大。如果該結(jié)構(gòu)被制成完全，它可以承受120kg的重量。 2.制造過程 模型的制作時間限定為四個小時，四人一組完成一個模型，每組配有工具：鋼尺一把，美工刀3把，502強(qiáng)力膠2瓶，圖釘若干，66 mm巴莎木5根，63 mm巴莎木5根，節(jié)點(diǎn)用竹片1張。 在設(shè)計(jì)的部分中，我們以實(shí)驗(yàn)結(jié)果最好的第七組的橋模型進(jìn)行說明，而11個模型的制作都是按照相同的方法，所以在制作部分以第七組的模型作為范本說明。 首先，我們根據(jù)設(shè)計(jì)中的桿件分配圖，將需要的桿件裁剪好，并留多0.5至1厘米，再將其根據(jù)構(gòu)件拼接關(guān)系圖中的角度剪裁邊角。在設(shè)計(jì)的過程中我們發(fā)現(xiàn)66 mm截面的木材不能滿足設(shè)計(jì)需求，于是我們就將部分66 mm截面桿件設(shè)計(jì)使用兩根63 mm的桿件粘結(jié)使用，將其作為理論分析并上不受力的中間連桿。經(jīng)過剪裁，修飾，編號，整理之后，就開始拼接過程。 桿件分配圖 構(gòu)件拼接關(guān)系圖 因?yàn)檎鶚蛴蓛刹糠滞耆嗤慕Y(jié)構(gòu)組成，所以我們選擇將兩部分分開制作，最后再將兩部分用連桿連在一起。完成了整合之后，將節(jié)點(diǎn)用節(jié)點(diǎn)板進(jìn)行加固。 在制作的過程中，我們發(fā)現(xiàn)即使在制作之前用電腦繪圖后確定的角度裁剪真正實(shí)施起來仍然很難以完成完美拼接，需要我們用小木屑來填充桿件拼接處的空隙。而且由于手工的不精確，兩邊結(jié)構(gòu)不完全一樣，這樣處于中間的連桿不能與兩邊的結(jié)構(gòu)垂直，而在制作完成之后，橋不能平穩(wěn)地被放在鉸支撐上。這些都為加載時橋發(fā)生橫向扭曲導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞埋下隱患。 3.加載過程 上圖為本次模型加載試驗(yàn)的原理圖。在進(jìn)行加載之前，橋的質(zhì)量需要被測量并做記錄。并提出一個對橋梁所能承受最大荷載的預(yù)估值。橋梁在加載時，兩段由支座簡支。并在橋梁中部放置一鋼梁并系一桶在下面作為施加砝碼的容器。在橋梁放置完畢后，由一名同學(xué)緩慢施放砝碼。每次增加砝碼后應(yīng)等待10秒，若橋梁未倒塌則視為有效荷載。若加載后10秒內(nèi)橋梁倒塌，則本次的加載砝碼前的總重為最終荷載。 上圖為橋梁中部連接砝碼桶與橋梁主體的鋼梁 在實(shí)際現(xiàn)場加載時由于器材規(guī)格和材料的有限，現(xiàn)場的橋梁支座采取了鉸支座代替了圓桶支 座。加載所用的砝碼另外加了沙子作為備用。 上圖為試驗(yàn)所用支座 加載中遇到的問題 由于橋梁的跨度設(shè)計(jì)不合適，有些組無法完美的與支座結(jié)合，導(dǎo)致橋面不水平，增加的加載的難度。橋高設(shè)置過高導(dǎo)致鋼梁無法擱置在橋上。砝碼準(zhǔn)備不充分，但最后利用沙子繼續(xù)加載基本解決問題。大多數(shù)組都是由于節(jié)點(diǎn)處理不充分手工較差，導(dǎo)致沒有達(dá)到理想的結(jié)果。 四．實(shí)驗(yàn)總結(jié) 1.實(shí)驗(yàn)總結(jié) 總體來看，這是11個方案所設(shè)計(jì)出的橋梁模型的破壞形式分為三種：結(jié)構(gòu)傾倒 ( 方案一、三、五、七 )，節(jié)點(diǎn)破壞（方案一、二、四、八、十一）以及桿件破壞 (方案六、七、九 )。 而其實(shí)際承載能力均小于設(shè)計(jì)值，其中有主觀原因也有客觀原因?？陀^原因在于我們制作模型的材料的實(shí)際抗拉壓強(qiáng)度與理論值有較大偏差?？陀^原因主要分為以下幾類： 1. 節(jié)點(diǎn)處粘接不牢固。 2. 節(jié)點(diǎn)連接錯位，導(dǎo)致其梁結(jié)構(gòu)桿件受到較大剪力而破壞。如圖： 下部斜撐與上部柱結(jié)構(gòu)連接錯位，一方面導(dǎo)致柱所受荷載無法直接傳遞給斜撐，另一方面導(dǎo)致橫梁在連接處所受的剪力過大。 3. 在設(shè)計(jì)過程中沒有考慮到桿件厚度，導(dǎo)致實(shí)際制作過程中部分桿件長度過長或過短，都或多或少降低了結(jié)構(gòu)的承載能力。 4. 手工制作能力有所欠缺，導(dǎo)致最后做出來的模型前后或者左右存在不對稱的問題，這直接影響模型加載時的穩(wěn)定性，使其容易傾倒。 5. 橋梁跨度大于要求跨度，導(dǎo)致實(shí)際受力情況與設(shè)計(jì)有出入，非危險桿件受力過大而受壓破壞。 此外，除了以上共性原因，個別模型也有其個性因素： 模型一是我們設(shè)計(jì)的第一個橋梁結(jié)構(gòu)，由于我們對設(shè)計(jì)題目沒有認(rèn)真研讀，導(dǎo)致我們做出來的模型截面寬度大于設(shè)計(jì)要求，使得加載工具無法安裝。 模型五是十一個模型中高度最高、寬度最窄的模型，其設(shè)計(jì)目的在于減小主梁的拉應(yīng)力以及斜撐的壓應(yīng)力，從而增強(qiáng)整個結(jié)構(gòu)的承載能力。但是由于模型前后高低不等，其加載時前后受力不平衡，最終導(dǎo)致傾倒；同時由于結(jié)構(gòu)寬度較窄，進(jìn)一步加速其傾倒。 模型七是承載能力最強(qiáng)的模型，雖然實(shí)際值仍小于理論值，但是其設(shè)計(jì)過程是最為細(xì)致的。該結(jié)構(gòu)經(jīng)過三次設(shè)計(jì)改進(jìn)，通過SAP2000受力分析，不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)，根據(jù)各桿件受力情況設(shè)計(jì)桿件截面尺寸。 2.實(shí)驗(yàn)體會 有一句諺語是這樣說的：“我聽到的會忘掉，我看到的能記住，我做過的才真正明白?！痹诖舜蜸RP項(xiàng)目的時間里，有了理論聯(lián)系實(shí)際、親力親為的過程，感覺自己收獲了很多。 首先，態(tài)度決定一切。愛因斯坦語說過，“熱愛是最好的老師。”如果我們對某個領(lǐng)域充滿激情，就算為它廢寢忘食也不覺得辛苦。這時候，就已經(jīng)不是為了成功而學(xué)習(xí)，而是為了“享受”而學(xué)習(xí)了。此時，困難也就不知不覺的被克服了?；叵肽切┤兆樱覀兪斋@了諸多的幸福和樂趣，一起討論桁架的設(shè)計(jì)方案，一起做桁架結(jié)構(gòu)模型，我堅(jiān)信我們將繼續(xù)勤奮不輟。 其次，不能眼高手低，必須要把理論聯(lián)系實(shí)際才能解決實(shí)際問題。在我的印象中，結(jié)構(gòu)分析是一件相當(dāng)復(fù)雜的東西，同時自己的理論學(xué)習(xí)的東西似乎難以與實(shí)際的工程案例相結(jié)合，但當(dāng)自己親身投身于這個項(xiàng)目時，就必須全身心地投身于項(xiàng)目的試驗(yàn)研究當(dāng)中，無論是在體力還是智力上都是一個挑戰(zhàn)，因?yàn)槲覀兪枪こ處?，而非科學(xué)家，最終的目的是解決問題，所以不能僅限于理論研究，必須要通過試驗(yàn)來驗(yàn)證某些原理。 最后，讓我對科研有了進(jìn)一步的認(rèn)識，當(dāng)在試驗(yàn)過程中遇到問題是要主動地思考，把自己的思路放寬，而不是只盯著問題的很小的一個方面，一葉障目，全面地考慮問題對于科研來說是十分重要的。 非常感謝范學(xué)明老師的指導(dǎo)！