桥梁工程实训

  实训课题：桥梁模型设计

指导老师：黄丽娟

桥梁名称：江城大桥

班级：    道桥1202班

组员：    毛志恒

方野

桂宇

             

                          20##年6月19日

桥梁模型设计说明书

一、设计说明书 

1、方案构思与结构选型 

  根据竞赛规则要求，我们从模型设计的要求、模型制作材料的性能、加载形式和制作方便程度等方面出发，采用白卡纸、白乳胶和白棉线设计制作了桥梁模型。 

  为了达到轻简抗挠的效果，通过对稳定性的分析，我们采用了悬索与拱桥组合的结构。简支梁是我们结构的核心部分，为了增加其的刚度和稳定性，在接点出增加了承台，两条梁用棉线绑扎固定。

2．模型规格：

1、 模型总跨度1050mm，桥面宽220mm，桥面高差>150mm。 

2、 桥梁模型设计为双跨不对称结构，左跨300mm右跨                   650mm，每个车道宽100mm。 

3. 受力构件设计

a) 核心部分为支架简支梁。桥面板和简支梁的组合，作为压弯系统，承担结构的整体受压、受弯； 

b) 简支梁之间用棉线绑扎为了增加简支梁的稳定性；

  c) 多层梁组合作为抗拉系统，承担桥梁变形由简支梁传递过来的的拉力。 

4.设计过程：   

材料性能分析     

   白卡纸：A0图纸。此模型设计的重点是抵抗均布载荷和动载过程对桥梁产生的屈 曲、断裂、磨损以及弯曲等破坏。所以考虑到白卡纸具有两考的抗拉性能，而且通过简易的构建制作，能够大大提高白卡纸的强度。组合成一个具有良好结构体系的桥模型。发挥纸所体现出的钢的特性。      

  乳白胶：粘结力强，满足结构受力特点，使纸间紧密结合。缺点是湿度 大，不易干燥，干燥后硬度强，但容易产生脆性破坏。    

  棉线：韧性较好，材质较轻，易于绑扎节点与乳白胶配合使用可以使结构更加牢固，还可以承受一定的拉力。

结构选型

  此模型设计的重点是抵抗静载加载砝码对桥梁产生的弯矩总和，利用好卡纸自身抗拉的力学特性。再者组合梁结构综合应用了刚性构件抗弯刚度高的优点，结构可以做到结构自重相对较轻，体系的刚度和稳定性相对较大，因而可以承受较大的载荷。 

 

二、尺寸与效果图

1.模型尺寸 

       

             

2.模型效果图

                      

第二篇：桥梁模型文章

桥梁模型加载试验

韩乃刚 李洪东

（ 黑龙江科技学院建筑工程学院 哈尔滨，150027）

关键词 结构设计 竞赛 力学性能 整体加载

摘要 本文着眼于桥梁模型制作过程中所用的方法和制作工艺，模型做工质量的好坏直接影响其整体力学性能的发挥，制作的越精确理论分析的误差值就越小。经过不懈的努力找到几种制作模型方法在这里探讨，日后研究不确定或未知的结构，能将其结构先做成模型然后进行分析。制作工艺结构设计的宗旨是使各个结构构件充分发挥其力学性能，最终能达到整体破坏。

1前言

本文作者韩乃刚同学在20xx年黑龙江第三届大学生结构设计竞赛中名称为“隐形铁轨”纸制桥梁模型获得二等奖，现就模型的制作过程整理出来，供有关教师和同学参考。模型就是真实结构的缩小版，当建造一种新颖结构，理论分析不是十分完善时，制作一个缩小版的模型就十分必要了，例如北京的奥运体育场馆鸟巢就是先用模型法分析整个结构，给模型施加实际过程中可能遇到的各种外力，然后分析各构件所发挥的力学性能，经无数次模拟试验最后开始施工。模型制作的水平是模型分析法的精髓，整体性与合理性大部分取决于制作工艺，制作的越完善精准度越高模型加载之后的结果和理论分析计算的结果与实际越接近。 2桥梁模型简介

此模型是以A0纸为主要材料，纸张比较经济实惠并且质量很轻，同等质量下承载比较大（承载比即桥模承受的最大荷载与模型自身重量的比值），同时纸张也比较能发挥本身的各项力学指标，例如纸带的抗拉应力远大于抗压应力。

此次纸桥无工程背景，具体材料如下：

（1）A0绘图纸、及乳白胶；

（2）桥梁模型有效总长度1000mm，制作误差不超过50mm；

（3）纸桥重量200g；

（4）桥梁最大承重30kg（移动荷载）；

（5）模型须保证在桥面上可以放置给定的宽21mm的桥面板，并留有让小车顺利通过的空间。

主梁采用工字型截面；由于主梁主要承受局部弯矩，剪力，纸带的拉伸对主梁的局部压力可能造成局部屈曲现象综合考虑各种作用，而工字型截面的优势为截面惯性距大并能有效减少结构自重，因此我们采用工字型截面为主截面。同样在连接两片主梁的设计上我们也采用了工字型截面的横梁。

纸带，经过多次试验和计算，同样重量的纸袋承受的拉力要比杆件多许多，所以我们采用纸带受拉应力的形式来分担主梁危险截面的弯曲应力，在纸带和主梁的连接上采用受压能力更好的圆形截面设计在支点处，跨中以不等高的纸圆柱连接纸带和主梁，不但外形美观，而且受力合理。在支点附近为加强模型的抗剪力能力，我们在其位置进行加固

在多次加载试验中，主梁一直有明显的变形失稳，为此我们分别在工字型主梁的支点处，四分点，跨中以及与横梁的连接处添加空心圆柱，在后续的加载试验中，桥梁呈现出了整体的破坏，各个结构构件发挥了有效地作用。

此模型不仅是桥梁的模型，同时也是一种结构模型，它可以模拟出许多结构的受力状况。

3制作工艺与过程

模型的制作是整个试验的核心，经过多次的制作总结出很多经验和心得，纸桥是以纸为主要材料做出来的结构，构件与构件之间的组合是用乳白胶粘合的，乳白胶的水分很大而纸张一浸到水就会变软变形失去原来的性能，待乳白胶干了之后一个构件就会严重走形，不但尺寸比原来减少而且很难再和其他构件拼接。但再粘合的过程中避免不了上述问题，如何有效的解决纸张在粘合时变形的问题成了关键，找到一种方法使其不走形成了难题！经过多次的制作与练习，找到这样一种解决问题的方法——使用玻璃模板制作法。玻璃膜板就好比施工现场里的混凝土膜板给混凝土人为的做成指定形状。玻璃模板顾名思义就是长条形的玻璃板，在制作梁的过程中用到防止主梁弯曲和变形，由于主梁的长度最大（1000mm）上面涂抹的乳白胶很多当胶风干以后梁就会随之变形这样拼接其他构件就出现困难，即使拼接在一起了整个模型尺寸也不标准受力也不均匀，整体性会很差。使用玻璃膜板能大大减轻上述问题，其方法就是将刚刷完胶的主梁或横梁夹住直到构件和胶中的水分完全蒸发为止，这就相当于人为的在构件变形的方向上加了一个约束力来避免构件的变形，注意刷完胶到水分完全蒸发是一个很慢的过程，为使整个结构牢固必须再每个构件多刷胶水并且涂抹均匀否则在加载的过程中就会先出现局部开裂，而不是结构整体的破坏了。为使模型迅速的制作，我们开发了一种使每个构件速干的方法，再下面还要介绍。

1主梁的制作

主梁是整个结构的核心构件，同时又是制作过程中的关键环节。主梁承担主要外力，做工质量的好坏直接影响整体受力的大小，主梁制做的尺寸越精确受力就越均匀，越不会出现局部受力过大使之先破坏的现象，能够让整个结构各构件均发挥力学性能形成整体受力整体工作状态而不是局部受力。

主梁选用的是工字形截面，工字形截面相比于长方形和正方形截面是很抗弯的。当荷载在主梁上移动时主梁主要受弯矩和剪力作用，荷载移动到中间时跨中的弯矩达到最大值，大家都知道纸张的抗折性是很差的，中空的矩形截面中间无支撑与外部荷载接触的那层纸很容易塌陷，一塌陷主梁就会被先折断，下部结构还没发挥各自的性质结构就已经破坏了，这就需要主梁的截面能够抵抗足够的弯矩，工字形截面恰恰能满足需求能达到整体破坏的水平，但是工字形截面在制作工艺上是十分复杂的。

首先，下料尺寸的把握 裁剪一条1.03米长的A0纸裁剪的过程中要保证纸张的宽度一致，不能中间宽两端窄制作时可采用定点划线的方式，每隔20或30厘米定一个点然后将各点连接成一条线这样画出的线条会很直宽度很均匀，然后沿所画直线将纸张对折对折的过程至少需两人完成，两人从两端往中间折才能保证所折痕迹在一条线上，注意划线时必须用细中性笔或细圆珠笔，才能保证所画直线的可折性用铅笔所折的边不均匀，下料的尺寸控制的精确才能使所做的构件尺寸精确，用刻刀将纸张割开

其次，纸张之间的粘和 纸张之间和构件之间都使用乳白胶粘和，粘和的过程是很讲究技巧的。使用刷子蘸乳白胶在纸上涂抹，刷子头不能太宽毛要软否则涂抹会不均匀，乳白胶在纸张上一定要铺均匀还不能太多也不能太少，A0纸很薄而且吸水很慢胶涂多了会使纸被胶浸透导致纸张变软强度降低，涂少了会使两片纸之间粘的不均匀不牢固使构件强度降低。涂胶时的速度要快，主梁的长度为1米涂的速度慢了先涂的地方就先被浸湿，再与另外一张纸片粘和时会不牢固。两纸片粘和时不必把粘和的两面全铺上胶，不然会干的很慢。

最后，主梁定型 当一片梁刚做好以后形状是很标准的，由于胶里的水分还未蒸发这时的梁强度很小施加一个力就会变形，调整好形状之后马上用玻璃模版加紧保持形状，用玻璃板夹住之后乳白胶中水分蒸发的会很慢，这时我们用电吹风进行烘干，沿桥长度的方向吹切不能拿电吹风从上往下吹，那样吹出的风力会使主梁的翼缘变形不平，待一片梁风干以后拆下玻璃模具这时90%以上的水分都以蒸发，由于水分蒸发的原因这时梁的长度一定小于下

料时的1.03米，经过反复的试验和练习1.03米缩水之后几乎等于1米，这就是下料时比原尺寸1米长3厘米的原因了。这样一片主梁就算完成了。

2横梁的制作

横梁既起连接作用同时也参与受力，横梁和主梁一样都是工字形截面，唯一不同的就是长度比主梁短很多。

横梁一共3片每片长度为18厘米，考虑到缩水问题下料时用18.5厘米长的纸张。制作过程和方法和主梁一样都是把握三条原则：1.下料准确 2.涂胶均匀迅速3. 定型形状控制好。横梁所用的玻璃版模具长度是25厘米。

3.纸柱的制作

纸柱和纸带同属于下部结构，纸柱顾名思义其截面形状一定是圆形的，它主要受纸带传来的压力作用。同样面积的一张纸卷成纸柱和折成矩形受压性能是大不一样的，试验证明纸柱的抗压性能远大于矩形等形状，受这种启发采用圆柱型截面比较合适，制作工艺不是很复杂同时纸柱也能减轻下部结构的重量

下部结构一共有6根纸柱尺寸18厘米两根15厘米两根， 在制作的过程中同样使用模具，用一根直径8毫米外表面光滑的圆形木棍当作模具。下料过程中同样采用上述方法，先定点再画线然后用刻刀裁下，裁下两张面积为21cm×8cm的矩形纸和四张面积为15cm×8cm的矩形纸。下完料之后下一步就是把矩形的纸张卷成圆筒形，先把纸张的一端粘贴在圆型的木棍上大约粘1厘米长，另一端涂上大约4厘米长的胶，涂胶尽量少涂涂匀然后开始用力往另一端卷纸卷到端点处肯定会挤出一部分胶水，用纸将其擦掉这时两手按住纸柱不能松开，保持一会待每层纸之间粘牢然后松开，一只手握住纸柱另一只手旋转木棍将其抽出，最后再使用电吹风吹干，再制作的过程中关键在于每层纸之间是否完全粘合，如果每层之间留有空隙或没粘牢固在受到外界压力作用时就会有局部先破坏的现象发生，致使整个柱体弯曲变形最后折断。

4.纸带的制作

纸带属于下部结构主要承担拉应力，由于纸张的纵向抗拉应力较大，纸带质量较轻制作起来也比较简单所以选用纸带来抵抗下部结构所受的拉应力。

纸带制作起来比较简单，采用长为1.5米宽为2厘米的纸带，纸带在下料时采用尺寸为

1.5米×4厘米，然后对折形成宽度为2厘米的纸带，双层纸带抗拉应力更大，往往纸带是最先被破坏的构件然后是主梁扭曲变形最后整个结构破坏。

5.各个构件之间的组合拼接

首先，先在一片主梁上安装下部结构 将一片主梁像铁轨一样平放在桌子上另外一片主梁放在旁边两端对齐，用尺量出下部纸柱所在梁翼缘的位置用铅笔作一个小标记，然后对称的画在另一片主梁上。

下一步就是开始拼粘一侧主梁的下部结构，为了把握整个尺寸的精确度，及制作起来方便快捷故先不将两片主梁通过横梁连接粘固，而是先把一片的下部结构做好最后再通过横梁把两侧连接。一侧主梁的下部构件有3根纸柱一条纸带，工作包括将3根纸柱粘在梁翼缘对应的位置上，待纸柱与梁粘牢并风干后张拉纸带粘到主梁上。粘纸柱时一定要保持与主梁垂直，一人按住梁另外一人粘贴此过程一定将纸柱粘牢。现将纸带一端粘在梁的一端并用小纸带缠绕几圈，一定保证纸带牢牢的固定在梁的一端，然后依次的把纸柱粘在纸带上最后将纸带另一端固定在梁的另一端，这样一片梁包括其下部结构就算完成，另外一侧采用同样方法，因为模型的两侧是对称结构。

4．特色说明

1模具的选择

为了模型制作的更加精确我们采用玻璃砖作为定型时模板，这是经过多次练习摸索，参

考工地现场施工还有生产车间在生产零件的时候都有模具，可以说制造业离不开始用模具，从这些方面找到灵感和启发，从而决定为我们的桥梁模型制造一套模具，模具的先进与否是做作模型的关键。考虑到玻璃的取材方便且形状标准，能够割成各种尺寸的几何形状，木材与玻璃相比也具有这两方面性质但是木材重量较轻不适合作为模板，模板要有较大的重量才能有效的压住构件不让构件走形，而玻璃具有较大的重量恰能压住模型构件使其不变形，木材重量轻需人为的加力才行用起来很不方便。

玻璃模具的尺寸

主梁的制作采用1100mm×15mm的条形玻璃砖，在制作的程中为保证主梁不变形采用两片玻璃板夹住主梁直至其彻底定型，再将玻璃板卸下。

横梁的制作采用200mm×13mm 的条形玻璃砖。

纸柱用直径为8mm的外表光滑的圆形木棍作为模具用纸张卷4层直到拉杆不变形后将木棍抽出

2拼接工艺

横梁与主梁的接合均采用一体式接合，即打开杆件一端，缠在梁身后胶接，这种构造既美观又牢固，如外加纸片进行胶接，则加载时不可避免的会对纸片产生剪应力，从而导致交合处崩断。

纸带与主梁间的连接需要加固，因为主梁在承受一定弯曲应力后纸带绷紧，大部分的力都转化为纸带的拉应力，如胶接不牢固直接会导致崩断。

主梁是工字形截面，在外部荷载作用下容易失稳。为减少主梁晃动而产生扭转应力，桥梁中央需固定，考虑到纸带只能承受拉应力而不能承受压应力，最后我们选择在桥梁中央加一矩形支架，层数为2层即可。最终的桥梁模型见图一。

图一桥梁模型

5.设计总结

本次设计是理论知识与实践的一次完美结合,把所学的知识应用于实践，在实践中发现问题解决问题才是学知识的关键。这次模型桥的制作使我们受益匪浅，在生产实际中事情往

往不是看上去那么简单，简单的背后一定蕴含很深的道理，往往在实际施工时也一样要勇于面对困难挑战困难，最终找到解决问题的方法。制作模型的过程中大大提高了我们的动手能力，与所学力学知识的紧密结合发现理论知识的重要性，没有扎实的理论知识作基础不可能完成的这么出色，知识来源于实践更应该能运用于实践，解决实践中遇到的种种问题

参考文献：曾 哲 《觉建筑》 （同心出版社）

胡开膛 《纸页的结构与性能》 （中国轻工业出版社）

叶见曙 《结构设计原理》 （人民交通出版社）

龙驭球 《结构力学》 （高等教育出版社）

孙训方 《材料力学》 （高等教育出版社）

徐 伟 《桥梁施工》 （人民交通出版社）

第一作者简介

姓名：韩乃刚 性别：男 出生年月：1987.10.16 学位：学士 籍贯：黑龙江省明水县 工作单位： 联系地址：哈尔滨市松北区糖厂街1号e-mail:wshihan@126.com 电话：151xxxxxxxx