桥的形形状与抗弯曲能力
当你们看着可爱的动画片，玩着迷人的电脑游戏，坐上快速的列车，接听着越洋电话的时候，……你可曾意识到科学的力量，科学不仅改变了这个世界，也改变了我们的生活，科学就在我们身边。
我们生活中的桥千奇百怪，有石桥.竹桥.水泥桥……那用纸可以造一座坚固的桥吗？学校前几天就开幕的科技节里，也有这个有趣的“实验”——用一张绍兴日报做一座宽10厘米跨度为30厘米的纸桥。看谁的承重能力好。 经过几天的研究，我发现有两个比较好的方案：第一个方案：1.先把报纸对折撕开，然后把其中一份再对折撕开。2.把最大的那张报纸长的那一面朝自己，再像扇子的方法折叠好。3.把剩下两张报纸当中其中的一张，像上一步这样折叠好。4.把前面两张折叠好的报纸粘在一起（注：要把小的那张报纸粘在最中间）。5.最后一张报纸粘在折叠好的报纸上。第二个方案：1.先把报纸平均分成八份，拿出其中一份放在旁边。2.把七张报纸用同样的方法卷成横截面为1.5厘米左右的长棍子。3.把七根长棍子排成宽为10厘米左右的“桥”。4.用剩下的一张报纸把桥的中间部分粘起来，起到加固的作用。 在众多结构当中，用瓦楞纸结构造的桥及圆形结构造的桥较坚固。
让我们都来做一个热爱科学的新一代，担起新世纪的重任，为我们祖国的明天，谱写出更加辉煌的诗篇！
我的最终设计原创经验： 桥梁结构研究 一．引言 桥梁作为一跨越结构，其造型千姿百态，这主要受其跨度、材料、荷载几大因素的影响，当然也包括人的意识形态或者说是审美趋向的影响。只是一些杰出的桥梁工程师，他们利用自己对工程结构的深刻理解，大胆、执着、创造性地设计出许多伟大的桥梁（式），如林同炎设计的反吊桥、曲线斜拉桥、展翅梁桥及预应力钢桥等。对桥式进行科学的分类、评价，并寻找新的桥式，是桥式最优设计理论在实践中的运用。 二．结构方案 良好的结构方案是良好结构设计的重要前提。因为在结构设计中，无论多么完美的结构计算都无法弥补经结构构思而形成的结构方案中的不足，相反，良好的结构方案却能够部分弥补结构计算中的不足。由此可见结构构思的重要性。为此我们小组作了桥梁结构的。 三．桥式评价 ①6类桥式均能满足桥梁功能的要求； ②所有桥式在主要受力面内能够满足几何不变性，但在横向，索桥表现为一软化结构，尤其是悬索桥； ③U型桥一般不存在失稳问题，而拱桥存在失稳问题，索桥存在动力失稳问题；O型的表面不易承受重物。 ④拱桥与索桥传力路径简捷，应力较均匀，适宜大跨桥梁，但U型桥传力不简捷，应力不均匀，不适宜较大的跨度； ⑦现在用得最多的斜拉桥，我们发现有一显著的缺点：水平加劲梁承受轴向压力，跨度越大，距塔根越近，压力就越大。这是斜拉桥跨度至今未超越千米大关的主要原因。 四．附言（引自组员毛尖） 附表 材料（A4 纸） 跨度（cm） 承重（g) 承重/跨度 平板桥梁 13 6 0.46 拱形桥梁 13 28 2.15 O形桥梁 13 98 7.54 U形桥梁 13 134 10.31 复合形桥梁 13 388.5 29.88 索桥形桥梁 13 591.5 45.50 20座桥，失效的情况大概有下面几种 1。刚上桥，短跨挠度急剧增大，或者桥端折断，或者桥端脱落 2。过了桥墩，桥承受负弯矩处，下弦受压失稳，截面破坏 3。到达对岸，桥端折断 4。长跨向右扭转失稳破坏 对于桥端的折断，我认为不是剪断，因为从 受力分析 看，剪力最大的地方在支座边 上，而实际情况是梁截面突变处承受比较大的弯矩，梁高不够引起桥端梁的折断。 对于鱼腹梁可以认为在各跨度内简支，但同时，桥墩底部也应该看成简支，这样的 话，桥墩本身就不稳定，所以桥墩支承的一小段梁应该看成是刚性的，现场的情况是桥 墩支承处的梁承受不住负弯矩。 至于扭转失稳和侧向弯曲变形，有小车本身的原因，但是桥梁本身设计上的毛病也 是显而易见的，据我的分析，扭转变形最大的地方在跨中，而侧向失稳变形最大的地方 在端部附近，而很多设计方案上，恰恰这两个地方比较薄弱，很明显有一座桥发生侧向 弯曲失稳的时候，只有右边的梁单独失稳，左边的梁并没有协同工作，10多厘米的长度 内，两根梁之间没有任何连梁。 除了受力上的，大部分选手没有考虑以下两个因素 1。纸张的受压和受弯疲劳现象很明显，第一次通过以后，不可避免的有很多内在伤痕， 如果不重新做一座的话，必然要在设计时候考虑损伤的因素 2。空气的湿度对纸张性能的影响，20座桥失效的时候都给人软绵绵的感觉，跟泡水似的 ，按这种变形，10kg的小车也应该不能通过 就我本人的桥来说，受压腹杆和梁都是做过实验的：12cm简支梁加跨中1cm均布荷载 两块砖头(5kg)加载一根梁，梁的受弯能力>1250Nmm，腹杆受压强度>100N，模型计算最大 弯矩650Nmm，但是最后还是梁受弯破坏，我觉得是纸湿度加大以后受压失稳变得更容易的 缘故。也有可能是压弯同时作用的时候相互影响比我们计算的大多了，由于没有找到压弯 实验的方法，所以没办法验证。 对于架在两个桥墩上的纸桥，当中间放一个砝码，它受到砝码向下的压力以外，还受到两桥墩向上的支持力。综合作用下桥面会发生弯曲形变，并产生相应的应力。在弯曲的过程中，纸桥的上表面处于弯曲的内层，受到向内的挤压力；纸桥的下表面处于弯曲的外层，受到向外的拉力(如图3)；纸桥的两个侧面由于上下受力方向不同，必然会弯曲。纸本身具有较强的抗拉能力，但抵抗压力能力很弱。也就是说，在纸桥承受砝码重力的时候，首先被破坏而出现折痕的是受到挤压力的上表面，这是我们最不愿意看到的。因此，要想纸桥能够承受一定的重量，就必须提高上表面的抗压能力，如何做到这一点呢? 在日常生活中，我发现一张纸立在桌子上是很困难的，但是把它折一下，或者卷成圆形，不但能立起来，而且还能在上面压一小块重物，也就是说，通过折边或卷成圆弧形可以提高纸张的抗压能力，由此，我觉得选择一个合理的截面形状对于整个纸桥结构有着举足轻重的作用。我在制作之前先做了个小实验，选择了几种不同的截面形状，看看哪一种形状的纸桥段承受能力最强。 实验：用同样长度、宽度的纸条分别做成圆形、三角形、正方形、梯形的纸桥段，将它们承受不同重量砝码时的最大跨度填入表格。 材料：16k素描纸1张(一分为四)，103标签纸4张。 结论：＿＿＿＿形状的纸桥段承受能力最强。 接下来我们来考虑整个桥梁的制作。由于纸张只有16k大小，要想提高桥的跨度，就不得不用标签纸把纸桥段连接起来，由于纸桥在承载砝码的时候，其不同横向位置上受到的弯矩不同(如图4)，纸桥的中间部分受弯矩最大，向两边依次递减，因此，我们在做纸桥的时候也要考虑到这一点，纸桥中部两段纸桥之间的接合部分要重叠得多一些，而在两侧可以适当节省材料。 最后，对于不便于安放砝码的结构，如三角形、圆形等，可以作一个纸环套在桥面上，将砝码吊起。 通过以上的分析，我将每张素描纸一分为二，选取一种截面形状做成纸桥段，然后把它们接起来，做成完整的纸桥，放置100克的砝码进行实验，结果如下： 从以上的数据可以着出，随着纸桥跨度的增加，桥面受到的弯曲力矩不断增大，为适应这一变化，必须牺牲纸桥的部分长度，以增加每一桥段的用纸量，提高其承载能力。而且，在桥段接缝的地方，应掌握好桥段间重叠的长度，在保证不断裂的前提下，尽量提高纸桥的长度。 我的最终设计原创经验： 桥梁结构研究 一．引言 桥梁作为一跨越结构，其造型千姿百态，这主要受其跨度、材料、荷载几大因素的影响，当然也包括人的意识形态或者说是审美趋向的影响。只是一些杰出的桥梁工程师，他们利用自己对工程结构的深刻理解，大胆、执着、创造性地设计出许多伟大的桥梁（式），如林同炎设计的反吊桥、曲线斜拉桥、展翅梁桥及预应力钢桥等。对桥式进行科学的分类、评价，并寻找新的桥式，是桥式最优设计理论在实践中的运用。 二．结构方案 良好的结构方案是良好结构设计的重要前提。因为在结构设计中，无论多么完美的结构计算都无法弥补经结构构思而形成的结构方案中的不足，相反，良好的结构方案却能够部分弥补结构计算中的不足。由此可见结构构思的重要性。为此我们小组作了桥梁结构的。 三．桥式评价 ①6类桥式均能满足桥梁功能的要求； ②所有桥式在主要受力面内能够满足几何不变性，但在横向，索桥表现为一软化结构，尤其是悬索桥； ③U型桥一般不存在失稳问题，而拱桥存在失稳问题，索桥存在动力失稳问题；O型的表面不易承受重物。 ④拱桥与索桥传力路径简捷，应力较均匀，适宜大跨桥梁，但U型桥传力不简捷，应力不均匀，不适宜较大的跨度； ⑦现在用得最多的斜拉桥，我们发现有一显著的缺点：水平加劲梁承受轴向压力，跨度越大，距塔根越近，压力就越大。这是斜拉桥跨度至今未超越千米大关的主要原因。 四．附言（引自组员毛尖） 附表 材料（A4 纸） 跨度（cm） 承重（g) 承重/跨度 平板桥梁 13 6 0.46 拱形桥梁 13 28 2.15 O形桥梁 13 98 7.54 U形桥梁 13 134 10.31 复合形桥梁 13 388.5 29.88 索桥形桥梁 13 591.5 45.50 20座桥，失效的情况大概有下面几种 1。刚上桥，短跨挠度急剧增大，或者桥端折断，或者桥端脱落 2。过了桥墩，桥承受负弯矩处，下弦受压失稳，截面破坏 3。到达对岸，桥端折断 4。长跨向右扭转失稳破坏 对于桥端的折断，我认为不是剪断，因为从 受力分析 看，剪力最大的地方在支座边 上，而实际情况是梁截面突变处承受比较大的弯矩，梁高不够引起桥端梁的折断。 对于鱼腹梁可以认为在各跨度内简支，但同时，桥墩底部也应该看成简支，这样的 话，桥墩本身就不稳定，所以桥墩支承的一小段梁应该看成是刚性的，现场的情况是桥 墩支承处的梁承受不住负弯矩。 至于扭转失稳和侧向弯曲变形，有小车本身的原因，但是桥梁本身设计上的毛病也 是显而易见的，据我的分析，扭转变形最大的地方在跨中，而侧向失稳变形最大的地方 在端部附近，而很多设计方案上，恰恰这两个地方比较薄弱，很明显有一座桥发生侧向 弯曲失稳的时候，只有右边的梁单独失稳，左边的梁并没有协同工作，10多厘米的长度 内，两根梁之间没有任何连梁。 除了受力上的，大部分选手没有考虑以下两个因素 1。纸张的受压和受弯疲劳现象很明显，第一次通过以后，不可避免的有很多内在伤痕， 如果不重新做一座的话，必然要在设计时候考虑损伤的因素 2。空气的湿度对纸张性能的影响，20座桥失效的时候都给人软绵绵的感觉，跟泡水似的 ，按这种变形，10kg的小车也应该不能通过 就我本人的桥来说，受压腹杆和梁都是做过实验的：12cm简支梁加跨中1cm均布荷载 两块砖头(5kg)加载一根梁，梁的受弯能力>1250Nmm，腹杆受压强度>100N，模型计算最大 弯矩650Nmm，但是最后还是梁受弯破坏，我觉得是纸湿度加大以后受压失稳变得更容易的 缘故。也有可能是压弯同时作用的时候相互影响比我们计算的大多了，由于没有找到压弯 实验的方法，所以没办法验证。 对于架在两个桥墩上的纸桥，当中间放一个砝码，它受到砝码向下的压力以外，还受到两桥墩向上的支持力。综合作用下桥面会发生弯曲形变，并产生相应的应力。在弯曲的过程中，纸桥的上表面处于弯曲的内层，受到向内的挤压力；纸桥的下表面处于弯曲的外层，受到向外的拉力(如图3)；纸桥的两个侧面由于上下受力方向不同，必然会弯曲。纸本身具有较强的抗拉能力，但抵抗压力能力很弱。也就是说，在纸桥承受砝码重力的时候，首先被破坏而出现折痕的是受到挤压力的上表面，这是我们最不愿意看到的。因此，要想纸桥能够承受一定的重量，就必须提高上表面的抗压能力，如何做到这一点呢? 在日常生活中，我发现一张纸立在桌子上是很困难的，但是把它折一下，或者卷成圆形，不但能立起来，而且还能在上面压一小块重物，也就是说，通过折边或卷成圆弧形可以提高纸张的抗压能力，由此，我觉得选择一个合理的截面形状对于整个纸桥结构有着举足轻重的作用。我在制作之前先做了个小实验，选择了几种不同的截面形状，看看哪一种形状的纸桥段承受能力最强。 实验：用同样长度、宽度的纸条分别做成圆形、三角形、正方形、梯形的纸桥段，将它们承受不同重量砝码时的最大跨度填入表格。 材料：16k素描纸1张(一分为四)，103标签纸4张。 结论：＿＿＿＿形状的纸桥段承受能力最强。 接下来我们来考虑整个桥梁的制作。由于纸张只有16k大小，要想提高桥的跨度，就不得不用标签纸把纸桥段连接起来，由于纸桥在承载砝码的时候，其不同横向位置上受到的弯矩不同(如图4)，纸桥的中间部分受弯矩最大，向两边依次递减，因此，我们在做纸桥的时候也要考虑到这一点，纸桥中部两段纸桥之间的接合部分要重叠得多一些，而在两侧可以适当节省材料。 最后，对于不便于安放砝码的结构，如三角形、圆形等，可以作一个纸环套在桥面上，将砝码吊起。 通过以上的分析，我将每张素描纸一分为二，选取一种截面形状做成纸桥段，然后把它们接起来，做成完整的纸桥，放置100克的砝码进行实验，结果如下： 从以上的数据可以着出，随着纸桥跨度的增加，桥面受到的弯曲力矩不断增大，为适应这一变化，必须牺牲纸桥的部分长度，以增加每一桥段的用纸量，提高其承载能力。而且，在桥段接缝的地方，应掌握好桥段间重叠的长度，在保证不断裂的前提下，尽量提高纸桥的长度。
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制作桥主要的目的在于自己设计，要涉及到很多建筑及物理方面的知识，如承重、受力点分布。你们老师是个大傻B，根本不了解做桥真正的意义桥梁是供铁路、道路、梁道、管线等跨越河流、山谷、道路或其他交通设施时使用的建筑物。由桥身（即“桥孔结构”）及支撑桥身的桥墩和桥台所组成。按用途可分为铁路桥、公路桥、铁公路两用桥、城市道路桥，农村道路桥、人行过街桥、立交桥、管线和渡槽等；按桥身的材料可分为木桥、砖石桥、混凝土桥和钢桥等；按桥身的结构可分为梁桥、拱桥、钢架桥、悬索桥和斜拉桥等。此外还有开和桥、浮桥和漫水桥等特殊梁桥。研究目的与假设--
目的：知道桥梁的作用，通过实验指导学生认识纸桥的形状不同，承受力的大小也不同。
假设：纸桥可以由拉线，拱形，或者引桥形等多种结构组成。内部也可以有一些固定桥梁的构造。
