大学生结构设计竞赛之竹材桥梁结构分析

李隽逸　刘志威

摘要：以2017年湖北省大学生结构设计竞赛为背景，以纸质结构模型中的桥梁为例，运用ABAQUS软件对纸质桥梁结构进行建模，通过分析桥梁在荷载作用下的极限荷载和跨中最大挠度进行桥型比选以及结构优化。之后，我们通过具体的加载实验验证了纸质梁一桁架组合桥在荷载作用下能很好地满足竞赛的要求。在此过程中充分锻炼了学生在模型设计，模型建立与优化，受力分析与结果分析的能力。

关键词：结构设计竞赛；桥梁；梁一桁架组合桥

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.07.093

结构设计大赛是一项激励在校大学生积极参与学科竞赛活动，提高专业知识能力，拓宽专业知识面，增加学生见识，培养了学生团结协作的能力，更能激发学生的创新热情、增强专业兴趣、加深专业理解，同时也锻炼了学生的动手能力。我校以培养学生全方面能力为出发点，让学生自由发挥，互相讨论，充分发挥学生的创新意识。此次竞赛所设计的模型虽然是纸质的，而且体型较小，但是与工程结构一样五脏俱全。在桥梁比选、模型优化、结果分析等方面具有一定的现实意义。本文以结构设计竞赛中的纸质桥梁为例，通过对竹材的受力性能和各种桥型的受力特点进行分析，经过比选，初步选定了三种桥型结构（桁架桥、简支梁桥和梁一桁架组合桥）。之后，根据本次竞赛的要求和桥梁结构的受力特点，确定了三种桥型结构的尺寸。紧接着，我们使用有限元软件ABAQUS对三种结构进行了建模，通过分析比较三种桥梁结构的最大承载力和跨中最大挠度，选定梁一桁架组合桥作为本次竞赛的桥型结构。之后，通过ABAQUS分析得到的应力云图对结构进行了优化，使得结构能够满足竞赛要求。之后，为了验证建模分析的准确性，我们进行了现场加载实验，测得了桥梁跨中的挠度和桥梁结构破坏情况，以保证此模型能很好地满足竞赛的需要。

1结构设计竞赛的规则

本次竞赛题目已经确定了桥梁为单跨，跨径为1m，高度为450mm。加载装置为输水管，输水管为加筋软管（内径为100mm，壁厚0.7mm，质量约为0.58kg/m）。模型结构形式不限，支承个数不限，所有杆件、节点及连接部件均采用给定材料与胶水手工制作完成。

评分规则为：加载持续20秒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），则加载阶段加载成功；否则加载失败，模型加载、卸载、输水效率得分均为0分。具体的评分项及分值如下：（1）计算书及设计说明10分；（2）结构选型及制作质量10分；（3）现场表现5分；（4）模型加载35分；（5）模型卸载15分；（6）输水效率25分。

从上面的规则可以看出，首先我们必须确保模型在加载过程中不发生整体垮塌，之后我们要减小模型在加载过程中的变形，另外，在满足前面两个条件的前提下，我们要尽量减小模型的质量。

2桥型的比选

在工程实际中，桥梁结构的种类较多，例如：简支梁桥，桁架桥，斜拉桥，悬索桥，拱桥和梁一桁架组合桥等。这几种桥型结构在实际应用中较多，而且优缺点明显。本次桥型比选是以结构的质量轻，变形小，稳定性强为原则，结合竹材的力学性能和桥型结构的受力特点，选出三个最合适的桥型形式。根据本次竞赛提供的竹材的力学指标，我们发现竹材杆件的抗拉抗压强度较高，但是抗弯和抗剪能力较差。通过对上述几种桥型结构的分析，总结如下：

（1）简支梁桥的横向刚度较大，稳定性较好。桥墩为受压构件，梁为受弯构件。

（2）桁架桥的横向刚度较大，稳定性较好。构件基本都是受拉或受压。

（3）斜拉桥桥的跨度较大，结构的质量较轻，稳定性较好，但跨中的挠度较大。另外由于本次竞赛场地提供的底板尺寸较小，缆索与底板固定的位置离塔柱的距离较短，而塔柱较高，塔柱两边的缆索的角度不一致，很容易导致塔柱变形过大而破坏。再者，在荷载作用下缆索所受拉力较大，与底板不易固定，容易出现脱落。

（4）悬索桥的跨度较大，结构的质量较轻，稳定性较差，跨中的挠度较大。另外缆索与底板固定的位置离塔柱的距离较短，而塔柱较高，塔柱两边的缆索的角度不一致，很容易导致塔柱变形过大而破坏。再者，在荷载作用下缆索所受拉力较大，与底板不易固定，容易出现脱落。

（5）拱桥的刚度和稳定性较好，但是跨度较小，结构的质量较大。

（6）梁—桁架组合桥的刚度和稳定性较好，跨度较大，跨中挠度较小。

根据上述分析，相比而言，悬索桥、拱桥和斜拉桥与本次竞赛的要求不符，因此我们初步选定了桁架桥、简支梁桥和梁—桁架组合桥作为本次竞赛的桥型结构。为了减小竹材杆件的质量，增大杆件的惯性矩，桥梁结构中的所有杆件都制作成空心杆。

之后，根据本次竞赛的要求和结构的受力特点，初步确定了三种桥型结构的尺寸。三种桥型的质量分别为：桁架桥234g、简支梁桥201g和梁一桁架组合桥219g。

3有限元分析

本文使用了有限元软件ABAQUS对这三种结构进行了建模，通过比较三组桥梁结构的跨中最大挠度和最大承载力，选出一种最适合本次竞赛的结构形式。

3.1模型的建立

3.1.1模型的简化

（1）此次竞赛中结构的节点连接都用的胶水，本文将其简化为刚接。

（2）此次竞赛中的荷载是注水管，在加水和排水的过程中，为动荷载，本文将其简化为静定均布荷载。

3.1.2创建材料

模型材料为复压竹材，竹材的力学指标为：密度0.8g/cm³，顺纹抗拉强度60Mpa，抗压强度30Mpa，弹性模量6Gpa。

3.1.3边界条件

根据节点的实际受力情况，对节点的边界条件进行定义。竞赛中桥梁结构与底板的连接为螺栓连接，本文近似地用刚接代替。

3.1.4荷载定义

每延米水和管的重量：G=mg=pvg+mg=1×π0.25×9.8+0.58×9.8=82N。

3.1.5网格的划分

本文对混凝土单元划分的网格的近似全局尺寸为0.02。模型建立如图1-图3所示。

3.2模拟结果的处理

由表1可以看出：与另外两种桥型结构相比，梁一桁架组合桥的极限承载力较大，跨中挠度较小，更能满足竞赛要求，因此本文选定梁一桁架组合桥作为本次竞赛的桥型结构。

4模型優化

为了进一步对梁一桁架组合桥模型进行优化，我们通过ABAQUS软件分析得到了各杆件的应力云图，如图4所示。根据应力云图，增大应力较大杆件的尺寸，减小应力较小杆件的尺寸。通过分析，发现梁和边柱的应力较大，其他杆件的应力较小。

5加载实验

为了验证建模分析的准确性，我们进行了现场加载实验，模型实物如图5所示，模型质量为207g。我们采用与竞赛相同的加载装置（输水管加载），加载持续20秒模型没有发生垮塌，加载成功。之后我们测得跨中的挠度为5.3mm，与模拟结果相近。根据本次竞赛的评分规则，此模型具有一定的竞争力。

6总结

本文以结构设计竞赛为背景，根据结构设计大赛的要求，设计一种能较好满足竞赛要求的桥梁结构。本文结合竹材的受力性能和各种桥型的受力特点，使用有限元软件ABAQUS对三种结构进行了分析，通过比较了三种桥梁结构的跨中最大挠度和最大承载力，选定了梁一桁架组合桥作为此次竞赛的桥型结构。紧接着通过有限元软件对结构模型进行了优化，使得结构的受力更加合理。之后，为了验证建模分析的准确性，我们进行了现场实物加载实验，加载持续20秒模型没有发生垮塌，跨中的挠度较小。实验结构很好地满足竞赛要求，具有一定的竞争力。