AISC学生钢桥比赛桥梁结构分析设计能力介绍
几乎全年, 美国各地的大学都是他们各自的 AISC 学生钢桥队和俱乐部的所在地，他们参加了 AISC学生钢桥比赛. 这需要一个学年的漫长旅程，设计和建造一座模型规模的桥梁，并在各种负载条件和其他评判标准下进行测试. 对于学生, 这个过程包括从筹款到初步桥梁设计的一切, 到订购, 桥梁的制造和组装. 由 AISC 赞助和推动, 学生钢桥比赛让学生感受真实世界的工程采购, 设计和审查过程.
过程的一个非常重要的方面 – 你可以说与研究生工作最相关 – 是桥梁结构的分析和建模. 结构工程软件通过为学生提供在整个设计过程中快速分析桥梁设计并做出决策的能力，发挥着重要作用.
SkyCiv Structural 3D 为学生提供了分析能力和适应性的完美结合. SkyCiv 以缩短学习软件和有效操作软件所需的时间而自豪, 导致更多时间 增值 到他们的项目, 而且很快.
考虑到这一点, 让我们来看看 AISC 学生钢桥比赛桥梁结构的初步设计.
桁架结构建模
在 AISC 学生钢桥中使用 AISC 提供的桥梁围护结构约束文件 – 2019 规则, 我们观察到以下:
数字 1: AISC学生钢桥信封图
(资源: AISC学生钢桥比赛 2019 规则)
我们将使用 Pratt 桁架作为示例. 单击链接以获取有关的更多信息 桁架类型 和 建模桁架. 我们将把纵梁作为一个单独的成员来分析，以在这个阶段简化我们的模型. 随着学生在设计过程中前进，更复杂的纵梁可以轻松建模.
看桥段, 我们将假设地平面是 Y 高度 0, 我们的纵梁的质心通过 Y 高度 1 脚. 看侧面立面图, 假设我们的支持集中在每个 1′-0″ 广泛的立足点. 这将给我们一个底部纵梁长度 22 脚. 对于我们的桥桁架的顶部纵梁, 假设它的质心通过 Y 高度 4.75 英尺. 最后, 我们将假设底部纵梁的末端之间有六个相等的空间, 所以我们的桁架连接位置间距是 22 英尺/6 = 3.67 英尺.
现在我们有了我们的桥梁外壳的一般尺寸, 让我们创建节点. 这是我们的节点表, X 方向为桁架的长尺寸，Y 方向为标高.
后来, 让我们用 Pratt truss 模式在这些节点之间绘制成员. 确保选择 “桁架” 创建成员时左侧窗口上的按钮，以便立即释放成员的末端. 这是我们的普拉特桁架:
现在让我们添加一些支持. 再看一下 AISC 桥接包络图, 右基脚位于桥端向内, 创建悬臂梁. 为了适应这个, 让我们移动节点 6 和节点 8 与此支架的位置对齐; 地脚中心为 3′-0″ 从正确的骑行向内, 所以我们的 X 维度将是 19 脚. 最后, 让我们在 N0de 添加引脚支持 1 和节点 8. 看看我们更新的桁架:
下一个, 让我们在桥的宽度上重复我们的桁架结构. 这可以通过选择整个结构来完成, 包括节点和支撑, 并去 编辑 – 复制. 再看图 1, 我们将假设桁架将在桥梁围护结构的每一侧居中. 因此, 它们的间距为 4′- 3 1/2″, 要么 4.22 英尺, 这是我们的重复维度. 我们还需要调整支撑，如图所示 1, 左桁架在桥的尽头有支撑. 在横轴上复制我们的桁架结构后 (Z轴), 我们的 3D 结构现在看起来像这样:
现在, 我们需要使用横向支撑连接我们的结构，以完成桥梁结构的初步建模. 这部分设计对学生来说是一个迭代过程; 他们将尝试找出将每个桁架连接在一起的正确点，以最大程度地减少横向摇摆, 在横向荷载工况期间判断的主要指标. 让我们在桁架的顶部和底部纵梁之间放置一些对角线加固. 例如, 如俯视图所示:
SkyCiv 的 Structural 3D 模块中的建模非常直观，可实现更快的分析和更简单的结果. 让您的学生尝试使用我们的 2D 桁架建模 免费桁架计算器工具.
向我们的桥梁施加载荷
建模后, 现在我们可以开始应用 AISC 设置的负载了. 有两种负载类型的负载, 或荷载工况, 这座桥将被测试: 横向和纵向. 每个载荷工况的大小由 AISC 给出, 但它们沿桥梁长度的确切位置不是. 因此, 学生将需要为每个负载情况分析多个不同的位置，以找出每个负载情况的最坏情况. 应该注意的是，每个荷载工况都是独立应用的; 结构不会同时看到两种加载情况.
因为由 AISC 提供的负载是 实际的 将在比赛中使用的负载, 我们可以假设它们是服务负载. 我们正在尝试将这座桥设计得尽可能轻，同时仍能满足挠度标准. 因此, 我们的负载组合不包括任何放大负载系数.
横向荷载工况
对于横向荷载工况, 让我们看看 AISC 在 2019 规则 (数字 2):
数字 2: AISC学生钢桥比赛横向荷载试验方案
(资源: AISC学生钢桥比赛 2019 规则)
第一, 你注意到不仅有 50 磅骑行侧的侧向力, 但是有一个 75 沿桥梁长度的相同相对位置在左侧施加磅垂直载荷. 第二, 注意 2 指出该位置 “小号” 是随机确定的. 在测试期间, AISC 使用金属格栅/甲板来支撑重量以及横向力的锚点:
资源: AISC 参赛者竞赛指南
对于这个例子, 我们将应用 50 lb 侧向载荷 “节点 21″ 我们的模型. 的 75 另一侧的 lb 垂直载荷将作为均匀分布载荷施加在 3′-0” 铺板宽度.
\(侧:负载 = 50\:磅 = 0.05\:基普)
\(Vertical\:Load=75\:lb/3\:英尺= 25\:磅/英尺 = 0.025\:kip/ft\)
如前面提到的, 这些是服务负载, 所以这两个负载都将发生在我们创建的负载情况下，称为 “横向荷载工况” 并将被考虑 活载. 随后的荷载组合将是 LC #1 如下:
\(LC\:1=1.0*Self\:Weight\:of\:结构体 + 1.0*侧:Load\:Case\)
再次, 学生将需要在沿桥梁长度的多个位置施加横向和垂直载荷，以确定给出控制分析结果的位置. 以下是我们的模型在应用这些负载时的外观:
垂直荷载工况
对于垂直荷载工况, 让我们看看 AISC 在 2019 规则 (数字 2):
数字 3: AISC学生钢桥比赛垂直荷载试验方案
(资源: AISC学生钢桥比赛 2019 规则)
类似于横向荷载工况, 未直接标明垂直荷载作用的位置. 这次, 我们需要评估两个单独的负载情况. 第一, 有 100 磅预载条件. 然后, 额外的 1400 和 900 lbs 相加等于 a 1500 和 1000 分别为磅负载, 如图 3. 我们将假设荷载在桁架之间均匀承载, 并且它们在甲板的长度上充当均匀分布的载荷. 也, 我们将所有的垂直载荷识别为 活载.
预加载将是它自己的载荷工况，将被调用 “垂直荷载工况 – 预载”. 让我们应用以节点为中心的分布式负载 21/9 和节点 24/12. 节点 24 和 12 在桥的中心镜像.
\(预载 = (100\:磅/2)/3\:英尺= 16.7\:磅/英尺 = 0.0167\:磅/英尺)
后来, 荷载组合为:
\(LC\:2=1.0*Self\:Weight\:of\:结构体 + 1.0*Vertical\:Load\:Case-Preload\)
这是我们的模型在预加载情况下的样子:
现在, 让我们添加剩余的负载. 在左侧，总负载现在是 1500 磅, 现在在右侧 1000 磅. 我们将把它保存为另一个称为 “垂直荷载工况 – 全部的”.
\(Total\:Load\:on\:Left\:Side\: = (1500\:磅/2)/3\:英尺= 250\:磅/英尺 = 0.25\:kip/ft\)
\(Total\:Load\:on\:Right\:Side\: = (1000\:磅/2)/3\:英尺= 167\:磅/英尺 = 0.167\:kip/ft\)
因此，我们的最后一个荷载组合被确定为:
\(LC\:3=1.0*Self\:Weight\:of\:结构体 + 1.0*Vertical\:Load\:Total\)
这是我们的模型在垂直载荷情况下施加的总载荷的样子:
请参阅下面的最近比赛的图片和垂直荷载工况的加载机制:
资源: AISC 参赛者竞赛指南
荷载工况/组合分析
本练习的最后一部分是对我们的桥梁结构进行分析并解释结果. 在我们这样做之前, 让我们看看负载组合及其负载系数:
这些负载是服务负载, 所以我们将使用负载因子 1.0 在所有人身上. 这三种荷载组合封装了横向荷载工况和垂直荷载工况之间的荷载条件, 由 AISC 提供. 现在, 让我们运行我们的分析. 出于实际目的, 我们将查看 LC 的带有悬臂端的右桁架的轴向结果 3.
SkyCiv 赋予用户隐藏的权力, 以他们认为合适的任何方式隔离和查看他们的结构结果. 查看整个结构以获得更全球化的想法, 或隔离组合或单个成员以进行更细粒度的评估. 从这里, 学生将需要与他们的团队一起完成迭代设计和协作过程. 学生现在可以专注于成为更好和准备充分的工程师，不仅是 AISC 学生钢桥竞赛, 但作为在训工程师和专业工程师.
这个例子展示了 SkyCiv 3D 是多么强大而简单, 其直观的模块面向从一年级工程专业学生到处于职业生涯巅峰时期的首席工程师的用户. SkyCiv 希望它可以成为在课堂上使用的重要工具, 让学生专注于学习工程而不是学习软件.
参考资料:
- “大学课程。” 学会, 2019, www.aisc.org/education/university-programs/student-steel-bridge-competition/.
