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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 木結(jié)構(gòu)橋梁模型試驗(yàn)研究
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 隨著我國城市道路交通壓力越來越大，木結(jié)構(gòu)橋梁作為城市建設(shè)的一個(gè)重要結(jié)構(gòu)形式，它的實(shí)用性和美觀性都將成為今后土木工程發(fā)展的一個(gè)重要的組成部分。模型全長2500mm，中支墩高500mm，橋?qū)?85mm，所用材料為水曲柳，板厚為4mm。在靜載試驗(yàn)中，兩個(gè)模型都能承重150Kg跨中集中荷載，在500mm高8 Kg以上的自由落體水平?jīng)_擊試驗(yàn)中，兩個(gè)模型均顯示出較好的力學(xué)性能。
- 詳細(xì)介紹：
- 由于木材的力學(xué)性能特性是抗壓和抗剪切能力強(qiáng)，結(jié)合各類橋的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，我們分別對雙橋面的桁架木結(jié)構(gòu)橋梁模型和單索面的斜拉木結(jié)構(gòu)橋梁模型進(jìn)行了受力分析和試驗(yàn)研究，并對兩者的力學(xué)性能進(jìn)行了比較。模型全長2500mm，中支墩高500mm，橋?qū)?85mm，所用材料為水曲柳，板厚為4mm。在靜載試驗(yàn)中，兩個(gè)模型都能承重150Kg跨中集中荷載，獨(dú)塔單索斜拉橋最大撓度值為 3mm , 桁架橋?yàn)?.5mm。在500mm高8 Kg以上的自由落體水平?jīng)_擊試驗(yàn)中，兩個(gè)模型均顯示出較好的力學(xué)性能。本模型試驗(yàn)從結(jié)構(gòu)受力性能方面對桁架橋進(jìn)行了理論分析和試驗(yàn)研究，并對其連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探討，如果再結(jié)合國外先進(jìn)的木材加工技術(shù)、設(shè)計(jì)力量和我國豐富的木材資源，廣泛開展研究，必將帶動(dòng)我國工程木結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)，為木質(zhì)材料在建筑工程界的廣泛應(yīng)用拓展新的渠道, 實(shí)現(xiàn)速生人工林木材“劣材有用，小材大用”的目標(biāo)。因此，本課題的研究成果對木結(jié)構(gòu)橋梁在我國的推廣和應(yīng)用起到拋磚引玉的作用。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 我們設(shè)計(jì)了兩個(gè)不同類型的木結(jié)構(gòu)橋梁模型：雙橋面桁架橋和獨(dú)塔單索面斜拉橋。這兩個(gè)模型的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是：（1）桁架橋采用了雙橋面（即：上橋面可以通汽車和行人，下橋面可以通火車），這樣不僅可以緩解交通壓力，增加其整體的穩(wěn)定性，還能大大降低工程造價(jià)；（2）獨(dú)塔單索面斜拉橋，橋面梁采用了變截面形式，這樣能充分發(fā)揮材料的力學(xué)性能，避免了工程上的材料浪費(fèi)，同時(shí)因它具有獨(dú)特的美觀性和藝術(shù)感，可以廣泛應(yīng)用于旅游景點(diǎn)，增加經(jīng)濟(jì)效益；（3）采用了有限元分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法進(jìn)行分析。 由于木材的力學(xué)性能特性是抗壓強(qiáng)度高而抗剪強(qiáng)度低，結(jié)合斜拉橋和桁架橋的受力特點(diǎn)，在模型設(shè)計(jì)中對兩個(gè)模型分別進(jìn)行了處理。（1）斜拉橋模型中，根據(jù)構(gòu)件的受力狀況，采用變截面的形式對橋面主梁進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)調(diào)整斜拉索的預(yù)應(yīng)力大小和索的錨固位置；（2）桁架橋模型中，根據(jù)各桿件的內(nèi)力分布情況，將受拉桿件的連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了加固處理，同時(shí)，通過加大關(guān)鍵腹桿截面尺寸，使橋梁側(cè)面桁架形成了一個(gè)類似于拱橋的受力模式，來改善結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。 木結(jié)構(gòu)橋梁在工程應(yīng)用中的主要技術(shù)指標(biāo)為跨中的撓度變形和抗水平?jīng)_擊的能力。通過試驗(yàn)測試，兩個(gè)模型在荷載作用下的最大撓度和水平位移均非常小，結(jié)構(gòu)受力性能良好。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 目前，我國在木結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)方面尚無專門的設(shè)計(jì)規(guī)范和技術(shù)規(guī)程，因此，在進(jìn)行模型設(shè)計(jì)和加載試驗(yàn)過程中，我們用MIDAS有限元程序?qū)Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力分析，然后根據(jù)不同桿件的受力情況采用了不同的截面尺寸，在受力比較大的位置進(jìn)行了加強(qiáng)措施，這樣就在充分利用材料的同時(shí)保證了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。我們從理論到實(shí)踐，先后做了10個(gè)模型，反復(fù)嘗試，不斷改進(jìn)，經(jīng)過多次的加載試驗(yàn)，最后我們的模型都能夠承重達(dá)150Kg以上，且結(jié)構(gòu)的最大撓度變形在允許的范圍之內(nèi)，從而驗(yàn)證了試驗(yàn)?zāi)Ｐ土W(xué)性能的可靠性。 本作品的主要技術(shù)特點(diǎn)和進(jìn)步主要體現(xiàn)在以下方面：（1）從橋梁的使用功能出發(fā)，分別采用了獨(dú)塔單索斜拉橋和雙橋面桁架橋的結(jié)構(gòu)形式；（2）對兩個(gè)不同結(jié)構(gòu)形式的橋梁模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了結(jié)構(gòu)的受力性能；（3）對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析和加載試驗(yàn)研究，對單個(gè)模型進(jìn)行理論和試驗(yàn)的對比分析，并對兩個(gè)模型進(jìn)行了橫向比較分析。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 此作品在2010年12月6號舉辦的湖南省第四屆結(jié)構(gòu)建模大賽中獲二等獎(jiǎng)和創(chuàng)意美觀獎(jiǎng)。在2011年5月6號，舉辦的第九屆湖南省“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技競賽中獲一等獎(jiǎng)。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室研究階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 可以轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 模型 圖紙
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測
- 木結(jié)構(gòu)橋梁的特點(diǎn)和優(yōu)勢在于：①選用木材為主要材料，易于取材且采伐加工方便；②木材質(zhì)輕且強(qiáng)，經(jīng)久耐用，結(jié)構(gòu)整體性好、抗震優(yōu)良；③施工技術(shù)簡單，施工質(zhì)量易于控制，穩(wěn)定性良好；④生態(tài)環(huán)保，可回收利用；⑤木結(jié)構(gòu)橋結(jié)合美觀性、功能性和高性價(jià)比于一體。 推廣前景: 中國推廣木結(jié)構(gòu)橋梁，不僅是看到了中國正在日益興起的對居住環(huán)境與景觀環(huán)境的追求，更看到了木結(jié)構(gòu)建筑與天地景色的和諧與融合。工程木材制品勢必將出現(xiàn)在更多的住宅項(xiàng)目開發(fā)中，也必將出現(xiàn)在更多的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)工程中，并為這些項(xiàng)目的開發(fā)建設(shè)，增添更多的與自然貼近的人文化色彩。 市場分析：木結(jié)構(gòu)建筑的推廣應(yīng)用可以帶動(dòng)和促進(jìn)一系列的產(chǎn)業(yè)發(fā)展，如林木加工處理、設(shè)備配件的生產(chǎn)等，目前木結(jié)構(gòu)房屋建造的材料、設(shè)備基本上依賴于進(jìn)口，國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展既有機(jī)遇更有挑戰(zhàn)。 經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測：1.木結(jié)構(gòu)橋造價(jià)低2.環(huán)保節(jié)能3.施工工期短4.易于維護(hù)與修理5.減小擁擠6.可促進(jìn)旅游業(yè)的發(fā)展。
同類課題研究水平概述
- 木結(jié)構(gòu)橋梁的發(fā)展已有了幾十年的歷史，1988年和1991年，美國國會相繼通過了木結(jié)構(gòu)橋梁振興（Timber bridge initiative）和綜合運(yùn)輸能力(Intermodal surface transportation)兩部法案，從國家層面開始了木結(jié)構(gòu)橋梁建造技術(shù)的系統(tǒng)研究和大力推廣應(yīng)用。到1996年為止，僅采用應(yīng)力層壓木修建的新木結(jié)構(gòu)橋梁就超過400座，有的木結(jié)構(gòu)橋單孔跨度超過80m。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前全美跨度超過20英尺（即6米）的橋梁中，有12%左右的橋梁為木結(jié)構(gòu)橋梁，其總數(shù)超過71200座，僅美國林務(wù)局管轄的木結(jié)構(gòu)橋梁就達(dá)7500座，且每年還有大批的木結(jié)構(gòu)橋梁仍在建設(shè)中。除此之外，在鐵路中，還有里程超過1500英里（即2400千米）的木結(jié)構(gòu)橋梁在使用。在美國中、小跨度的公路橋梁中，特別是在低運(yùn)輸量的鄉(xiāng)村公路中，木結(jié)構(gòu)橋梁已經(jīng)被廣泛采用。正是由于現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)橋梁在建造和使用過程中表現(xiàn)出了使用壽命長（設(shè)計(jì)使用壽命都在50年以上）、安全可靠性高、建造迅速和容易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)引起了眾多國際組織以及加拿大、英國、日本、澳大利亞等國的廣泛關(guān)注。 美國、加拿大等國的研究和實(shí)踐表明，推廣使用木結(jié)構(gòu)橋梁不僅能極大改善鄉(xiāng)村地區(qū)交通條件，促進(jìn)鄉(xiāng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展，更能借助木結(jié)構(gòu)橋梁的研究與應(yīng)用，直接推動(dòng)工程木結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)，使木材能作為一種結(jié)構(gòu)材料被廣泛應(yīng)用于建筑工程界，在拓展木材應(yīng)用領(lǐng)域的同時(shí)，極大提高木材產(chǎn)品附加值。 進(jìn)入中國內(nèi)地幾年來，美國林業(yè)及紙業(yè)協(xié)會一直致力于推廣其木結(jié)構(gòu)建筑產(chǎn)品。他們先后與建設(shè)部、中國建筑標(biāo)準(zhǔn)研究所等單位合作，編制了木結(jié)構(gòu)住宅的相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，并在項(xiàng)目開發(fā)應(yīng)用上取得了長足進(jìn)展。美國林業(yè)及紙業(yè)協(xié)會中國技術(shù)總監(jiān)許方先生表示，“這種工程木材制品，采用次生林或人工林采伐的木材生產(chǎn)，通過不同的木材等級組合，生產(chǎn)出強(qiáng)度等級高于普通木材的林產(chǎn)品，從而做到‘劣材有用，小材大用’。工程木產(chǎn)品可以起到許多中國人認(rèn)為只有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)才能起到的作用，并且同時(shí)表現(xiàn)出一種和諧的自然美。事實(shí)上，如果有人親眼見證了從伐木，到加工成型，再到現(xiàn)場安裝的整個(gè)過程，就會知道這種木材制品的整個(gè)建造過程十分節(jié)約能源，在很多工程實(shí)際應(yīng)用中，完全可以代替其他它材料。工程木材制品將會在中國未來的現(xiàn)代化建設(shè)過程中，發(fā)揮相當(dāng)大的作用?！?/dd>
