探究不同桥梁跨度及桥型对桥梁承载能力的影响
探究不同桥梁跨度及桥型
对桥梁承载能力的影响
李海洋 范思彤 王翌硕 窦轩宇
指导教师 潘天文
【摘要】本实验旨在探究桥梁跨度和桥型对桥梁承载能力的影响。实验利用轻木板、编织绳等材料制作桥梁模型,采用控制变量法得到梁式桥桥梁跨度与桥梁承载能力之间的关系和相同跨度下梁式桥、拱桥、悬索桥的承载能力。结果表明:1)在桥型相同时,桥梁承载能力会随着其跨度的增大而减小;2)在桥梁跨度相同且跨度较小时,三种桥型的承载能力为拱桥强于梁桥、梁桥强于索桥。结果提示,鉴于当前交通行业的高速发展和桥梁作为公共建筑重要性的日益增强,在建造桥梁时应综合考虑桥梁的跨度和选型,建造合适的桥梁。
【关键词】桥梁;承载能力;跨度;桥型
一、研究背景
2019年10月10日,江苏无锡高架桥倾覆成为社会热点。近年来桥梁施工期和运行期事故的频繁发生,给社会的和谐发展带来严重的影响。有些是在建造过程中由于施工方偷工减料、监理方监理不到位,造成质量问题而引发的事故;有些是后期维护和使用不当造成的;还有些是桥梁本身设计的缺陷造成的。随着经济社会高速发展,用于保障人们通过顺利障碍物桥梁具有越来越重要的地位,因而研究影响桥梁承载能力的因素具有重要意义。
查阅相关资料得知,在桥梁设计中,为满足对桥梁承载能力的需求,会综合考虑桥梁跨度和桥型两个因素。本实验采取轻木板构建桥梁模型,采用控制变量法,旨在探究桥梁跨度与桥型对桥梁承载能力的影响,学会根据桥梁不同特点选择桥型及跨度,并在实验过程中提高科学素养,树立科学志向。
二、实验材料
1. 实验仪器:电子手提秤,20cm刻度尺,手机
2. 实验材料:轻木条,松木块,编织绳,棉绳,金属链,纸胶带,双面胶,图钉,回形针,剪刀,铅笔
三、研究过程
1. 探究桥梁不同跨度对其承载能力的影响
1.1. 梁桥的制作
1)用刻度尺和铅笔在厚度为1mm的轻木条上划出宽均为3cm,长分别为17cm、22cm、27cm(实验跨度为15cm、20cm、25cm,左右各留出1cm用于固定)的三个长方形,标记中线位置;
2)用剪刀依次裁剪下三个长方形轻木条;
3)剪出一段约13cm的编织绳,打结待用;
4)将打好结的编织绳套在轻木条上,用双面胶和纸胶带将轻木条两端1cm处固定在松木块上,梁桥制作完成。
1.2. 实验方法
1)将编织绳调节至中线位置,打开电子手提秤,将单位调至公斤(kg),并将其挂钩悬挂于编织绳上,手拿电子手提秤圆环匀速竖直向下拉动,采取手机录制其示数的变化,直到轻木板被压断;
2)记录轻木板被压断时的示数。
2. 探究不同桥型对桥梁承载能力的影响
2.1. 拱桥的制作
1)用刻度尺和铅笔在厚度为1mm的轻木条上划出宽均为3cm,长分别为22cm、23.5cm(实验跨度为20cm左右各留出1cm用于固定)的三个长方形,标记中线位置;
2)用剪刀依次裁剪下两个长方形轻木条;
3)剪出一段约13cm的编织绳,打结待用;
4)将打好结的编织绳套在轻木条上,用双面胶和纸胶带将轻木条两端1cm处固定在松木块上;
5)将23.5cm轻木条弯成弧形后,放于22cm轻木条之下,形成拱桥造型,拱桥制作完成。
2.2. 索桥的制作
1)用刻度尺和铅笔在厚度为1mm的轻木条上划出宽均为3cm,长为20cm的长方形,标记中线位置;
2)用图钉在轻木板两侧每隔1cm扎出小孔,将其一端固定,用棉绳将小孔依次穿过,预留出20cm棉线后剪断打结,以同样方式完成另一侧穿线;
3)将相邻两孔棉线拉出,保证每段长度大致相同,将回形针挂于棉线上‘
4)另剪四段长约1m的棉线,绑于松木块上,是中间部分金属链长约25cm,且在同一个木块上,两个金属链固定点间距3cm,用纸胶带固定;
5)将回形针挂于吊索上,调整棉线长度,使各段吊索(棉线)等长,索桥制作完成。
2.3. 梁桥的制作
1)用刻度尺和铅笔在厚度为1mm的轻木条上划出宽均为3cm,长分别为17cm、22cm、27cm(实验跨度为15cm、20cm、25cm,左右各留出1cm用于固定)的三个长方形,标记中线位置;
2)用剪刀依次裁剪下三个长方形轻木条;
3)剪出一段约13cm的编织绳,打结待用;
4)将打好结的编织绳套在轻木条上,用双面胶和纸胶带将轻木条两端1cm处固定在松木块上,梁桥制作完成。
2.4. 实验方法
1)将编织绳调节至中线位置,打开电子手提秤,将单位调至公斤(kg),并将其挂钩悬挂于编织绳上,手拿电子手提秤圆环匀速竖直向下拉动,采取手机录制其示数的变化,直到轻木板被压断;
2)记录轻木板被压断时的示数
四、结果与分析
桥梁不同跨度对其承载力的影响 |
||
- |
可承载质量(kg) |
桥梁承载力(N) |
跨度(mm):150 |
0.84 |
8.4 |
跨度(mm):200 |
1.08 |
10.8 |
跨度(mm):250 |
0.69 |
6.9 |
不同桥型对其承载力的影响 |
||
- |
可承载质量(kg) |
桥梁承载力(N) |
梁桥 |
1.08 |
10.8 |
拱桥 |
2.31 |
23.1 |
索桥 |
0.73 |
7.3 |
从结果可以看出:
1)在桥型相同时,桥梁承载能力会随着其跨度的增大而减小;
2)在桥梁跨度相同且跨度较小时,三种桥型的承载能力为拱桥强于梁桥、梁桥强于索桥。
五、讨论
1. 不足
1.1. 在探究桥梁不同跨度对桥梁承载力的影响及拱桥的承载力时,由于准备不充分,且纸胶带与双面胶粘性过小、实验之间木块与纸箱粘合处的双面胶未清理干净,导致随着桥梁承载能力增加,实验中多次出现木板滑动甚至滑脱的情况,且作为桥墩的松木块大幅度倾斜。在后来的实验中为解决这一问题采用宽胶带对松木块进行施加反向拉力进行固定。这种情况不仅严重降低实验效率,还大大增加误差,也导致了在进行跨度为200mm桥梁承载能力实验中得到其承载力强于150mm的数据;考虑到木材紧缺,小组并未重复实验,使实验数据存在偶然性。
1.2. 本实验使用电子手提秤作为测量仪器。由于电子手提秤具有自锁功能,实验中必须保持匀速拉动,实验中多次出现因示数自锁而不得不重复试验的状况,严重影响了实验效率,反复拉伸造成的机械疲劳也使得实验数据有一定的误差。
2. 展望
2.1. 在今后研究中,收集更多符合要求的实验材料(软木板)进行重复试验实验,避免因操作不当等因素带来偶然性,并减少误差。
2.2. 今后研究过程中探索更好的固定方式,减少实验误差。
2.3. 根据实验结果,在建造桥梁时应综合考虑桥梁的跨度和选型,建造合适的桥梁。
六、参考文献
[1] 张斌. 桥梁选型与桥梁选型探究[J]. 城市建设理论研究:电子版, 2011(15).
[2] 高磊. 桥梁选型评价研究[J]. 2021(2017-4):26-31.
[3]车宇琳, 车英俊. 桥梁选型雏论[C]// 全国公路科技创新高层论坛. 2002.
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