基本信息
- 项目名称：
- 木结构桥梁模型试验研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 随着我国城市道路交通压力越来越大，木结构桥梁作为城市建设的一个重要结构形式，它的实用性和美观性都将成为今后土木工程发展的一个重要的组成部分。模型全长2500mm，中支墩高500mm，桥宽185mm，所用材料为水曲柳，板厚为4mm。在静载试验中，两个模型都能承重150Kg跨中集中荷载，在500mm高8 Kg以上的自由落体水平冲击试验中，两个模型均显示出较好的力学性能。
- 详细介绍：
- 由于木材的力学性能特性是抗压和抗剪切能力强，结合各类桥的结构受力特点，我们分别对双桥面的桁架木结构桥梁模型和单索面的斜拉木结构桥梁模型进行了受力分析和试验研究，并对两者的力学性能进行了比较。模型全长2500mm，中支墩高500mm，桥宽185mm，所用材料为水曲柳，板厚为4mm。在静载试验中，两个模型都能承重150Kg跨中集中荷载，独塔单索斜拉桥最大挠度值为 3mm , 桁架桥为1.5mm。在500mm高8 Kg以上的自由落体水平冲击试验中，两个模型均显示出较好的力学性能。本模型试验从结构受力性能方面对桁架桥进行了理论分析和试验研究，并对其连接节点设计进行了初步探讨，如果再结合国外先进的木材加工技术、设计力量和我国丰富的木材资源，广泛开展研究，必将带动我国工程木结构材料的开发，为木质材料在建筑工程界的广泛应用拓展新的渠道, 实现速生人工林木材“劣材有用，小材大用”的目标。因此，本课题的研究成果对木结构桥梁在我国的推广和应用起到抛砖引玉的作用。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 我们设计了两个不同类型的木结构桥梁模型：双桥面桁架桥和独塔单索面斜拉桥。这两个模型的主要创新点是：（1）桁架桥采用了双桥面（即：上桥面可以通汽车和行人，下桥面可以通火车），这样不仅可以缓解交通压力，增加其整体的稳定性，还能大大降低工程造价；（2）独塔单索面斜拉桥，桥面梁采用了变截面形式，这样能充分发挥材料的力学性能，避免了工程上的材料浪费，同时因它具有独特的美观性和艺术感，可以广泛应用于旅游景点，增加经济效益；（3）采用了有限元分析与试验研究相结合的方法进行分析。 由于木材的力学性能特性是抗压强度高而抗剪强度低，结合斜拉桥和桁架桥的受力特点，在模型设计中对两个模型分别进行了处理。（1）斜拉桥模型中，根据构件的受力状况，采用变截面的形式对桥面主梁进行了设计，同时调整斜拉索的预应力大小和索的锚固位置；（2）桁架桥模型中，根据各杆件的内力分布情况，将受拉杆件的连接节点进行了加固处理，同时，通过加大关键腹杆截面尺寸，使桥梁侧面桁架形成了一个类似于拱桥的受力模式，来改善结构的力学性能。 木结构桥梁在工程应用中的主要技术指标为跨中的挠度变形和抗水平冲击的能力。通过试验测试，两个模型在荷载作用下的最大挠度和水平位移均非常小，结构受力性能良好。
科学性、先进性
- 目前，我国在木结构桥梁设计方面尚无专门的设计规范和技术规程，因此，在进行模型设计和加载试验过程中，我们用MIDAS有限元程序对结构进行了受力分析，然后根据不同杆件的受力情况采用了不同的截面尺寸，在受力比较大的位置进行了加强措施，这样就在充分利用材料的同时保证了结构的整体稳定性。我们从理论到实践，先后做了10个模型，反复尝试，不断改进，经过多次的加载试验，最后我们的模型都能够承重达150Kg以上，且结构的最大挠度变形在允许的范围之内，从而验证了试验模型力学性能的可靠性。 本作品的主要技术特点和进步主要体现在以下方面：（1）从桥梁的使用功能出发，分别采用了独塔单索斜拉桥和双桥面桁架桥的结构形式；（2）对两个不同结构形式的桥梁模型进行了优化设计，改善了结构的受力性能；（3）对模型结构进行了有限元分析和加载试验研究，对单个模型进行理论和试验的对比分析，并对两个模型进行了横向比较分析。
获奖情况及鉴定结果
- 此作品在2010年12月6号举办的湖南省第四届结构建模大赛中获二等奖和创意美观奖。在2011年5月6号，举办的第九届湖南省“挑战杯”大学生课外学术科技竞赛中获一等奖。
作品所处阶段
- 实验室研究阶段
技术转让方式
- 可以转让
作品可展示的形式
- 模型 图纸
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 木结构桥梁的特点和优势在于：①选用木材为主要材料，易于取材且采伐加工方便；②木材质轻且强，经久耐用，结构整体性好、抗震优良；③施工技术简单，施工质量易于控制，稳定性良好；④生态环保，可回收利用；⑤木结构桥结合美观性、功能性和高性价比于一体。 推广前景: 中国推广木结构桥梁，不仅是看到了中国正在日益兴起的对居住环境与景观环境的追求，更看到了木结构建筑与天地景色的和谐与融合。工程木材制品势必将出现在更多的住宅项目开发中，也必将出现在更多的基础设施建设工程中，并为这些项目的开发建设，增添更多的与自然贴近的人文化色彩。 市场分析：木结构建筑的推广应用可以带动和促进一系列的产业发展，如林木加工处理、设备配件的生产等，目前木结构房屋建造的材料、设备基本上依赖于进口，国内相关产业的发展既有机遇更有挑战。 经济效益预测：1.木结构桥造价低2.环保节能3.施工工期短4.易于维护与修理5.减小拥挤6.可促进旅游业的发展。
同类课题研究水平概述
- 木结构桥梁的发展已有了几十年的历史，1988年和1991年，美国国会相继通过了木结构桥梁振兴（Timber bridge initiative）和综合运输能力(Intermodal surface transportation)两部法案，从国家层面开始了木结构桥梁建造技术的系统研究和大力推广应用。到1996年为止，仅采用应力层压木修建的新木结构桥梁就超过400座，有的木结构桥单孔跨度超过80m。据不完全统计，目前全美跨度超过20英尺（即6米）的桥梁中，有12%左右的桥梁为木结构桥梁，其总数超过71200座，仅美国林务局管辖的木结构桥梁就达7500座，且每年还有大批的木结构桥梁仍在建设中。除此之外，在铁路中，还有里程超过1500英里（即2400千米）的木结构桥梁在使用。在美国中、小跨度的公路桥梁中，特别是在低运输量的乡村公路中，木结构桥梁已经被广泛采用。正是由于现代木结构桥梁在建造和使用过程中表现出了使用寿命长（设计使用寿命都在50年以上）、安全可靠性高、建造迅速和容易维护等优点，已经引起了众多国际组织以及加拿大、英国、日本、澳大利亚等国的广泛关注。 美国、加拿大等国的研究和实践表明，推广使用木结构桥梁不仅能极大改善乡村地区交通条件，促进乡村经济发展，更能借助木结构桥梁的研究与应用，直接推动工程木结构材料的开发，使木材能作为一种结构材料被广泛应用于建筑工程界，在拓展木材应用领域的同时，极大提高木材产品附加值。 进入中国内地几年来，美国林业及纸业协会一直致力于推广其木结构建筑产品。他们先后与建设部、中国建筑标准研究所等单位合作，编制了木结构住宅的相关规范与标准，并在项目开发应用上取得了长足进展。美国林业及纸业协会中国技术总监许方先生表示，“这种工程木材制品，采用次生林或人工林采伐的木材生产，通过不同的木材等级组合，生产出强度等级高于普通木材的林产品，从而做到‘劣材有用，小材大用’。工程木产品可以起到许多中国人认为只有钢筋混凝土结构或钢结构才能起到的作用，并且同时表现出一种和谐的自然美。事实上，如果有人亲眼见证了从伐木，到加工成型，再到现场安装的整个过程，就会知道这种木材制品的整个建造过程十分节约能源，在很多工程实际应用中，完全可以代替其他它材料。工程木材制品将会在中国未来的现代化建设过程中，发挥相当大的作用。”
