摘 要

木材比强度高，具有较高的环境适宜性，重木结构在建筑和桥梁开始推广应用。木桁架桥梁是木桥的重要形式之一，有着广泛的应用。但是桁架设计，即包括整体设计、构件和节点局部设计等，设计过程复杂。在木结构桥梁方面，尚未有合适的专业分析软件，小型桥梁设计依靠手算完成，大型设计运用专业桥梁软件设计，尚未有一款为木桥量身打造的专业桥梁软件。开发实用性强的专业木桥软件具有重要的现实意义。

本文综述了木桥梁有利于环保、节能、可持续发展的特点，阐述了发展木结构桥梁的重要意义，综述木结构桥梁的优缺点。介绍了木结构桥梁的发展历史，探讨木结构桥梁的连接形式和结构形式。初步总结了有限元方法和MATLAB软件的特点。在有限元理论的基础上，推导了杆单元的单元刚度矩阵和总体刚度矩阵，确定了有限元分析程序开发流程，用MATLAB语言编制了木结构桥梁平面桁架结构的有限元分析程序模块。多个算例表明，用该程序模块进行桁架的受力、变形分析，结果是正确的，充分体现了MATLAB编程语言的优越性能。

关键词: MATLAB； 平面桁架； 有限元； 木桥梁；绿色桥梁

Development of Design Software for Truss Bridge of Wood Structure

ABSTRACT

High strength of wood,with high environmental suitability,heavy wood structure in the construction and the bridge began to promote the application. Wood truss bridge is one of the important forms of wood bridge,has a wide range of applications. But the truss design,that is,including the overall design,component and node design,the design process is complex. In the wood structure of the bridge, there is no suitable professional analysis software,small bridge design rely on hand to complete, large-scale design using professional bridge software design,not yet a tailored for the wooden bridge professional bridge software. The development of practical professional wood bridge software has important practical significance.

This paper summarizes the characteristics of wood bridge in favor of environmental protection,energy saving and sustainable development,expounds the importance of developing wooden bridge,and summarizes the advantages and disadvantages of wood structure bridge. The history of the development of the bridge is introduced,and the connection form and structure of the bridge are discussed. The finite element method and the characteristics of MATLAB software are summarized. Based on the finite element theory, the element stiffness matrix and the overall stiffness matrix of the rod element are deduced, the finite element analysis program is established,and the finite element analysis program module of the plane truss structure of the wooden structure bridge is compiled with MATLAB language. A number of examples show that the use of the program module for the truss of the force,deformation analysis,the result is correct,fully embodies the MATLAB programming language superior performance.

Key words: MATLAB； plane truss；finite element；wood bridge；green bridge

目录

1 绪论 - 1 -

1.1应用木结构桥梁的重要性 - 1 -

1.2使用木结构的可行性 - 2 -

1.3研究的目的和意义 - 3 -

1.4研究内容 - 4 -

2木桥梁的概况 - 6 -

2.1.木材的物理性质 - 6 -

2.1.1木材的物理性能 - 6 -

2.1.2木材的力学性能 - 9 -

2.2木结构桥梁的特点 - 11 -

2.2.2木结构桥梁的优点 - 11 -

2.2.3木结构桥梁的缺点 - 12 -

2.2.4现代木结构桥梁的特点 - 12 -

2.3木结构桥梁的发展 - 13 -

2.4木结构的连接 - 15 -

2.4.1传统木结构的连接 - 15 -

2.4.2现代木结构的连接 - 17 -

2.5木结构桥梁齿板节点连接的应用 - 20 -

2.5.1齿板连接节点 - 20 -

2.5.2齿板连接节点的材料、规格 - 20 -

2.5.3钢齿板 - 23 -

2.6 现代木结构桥梁结构形式 - 25 -

2.6.1桥梁的分类 - 25 -

2.6.1梁桥 - 26 -

2.6.2拱桥 - 27 -

2.6.3桁架桥 - 28 -

2.6.4索桥 - 31 -

2.7齿板连接木桁架的计算方法 - 31 -

2.7.1齿板连接木节点的规范设计方法 - 31 -

2.7.2齿板连接的承载力与抗滑移计算 - 32 -

3 桁架结构的有限元分析 - 33 -

3.1桁架结构的优良特性 - 33 -

3.2有限元法分析桁架结构的优势 - 33 -

3.3桁架结构有限元分析过程概述 - 33 -

3.4局部坐标系下的单元刚度矩阵 - 36 -

3.5坐标转换矩阵 - 37 -

3.5.1杆端力的变换 - 37 -

3.5.2杆端位移的坐标变换 - 38 -

3.5.3单元刚度矩阵之间的坐标变换 - 38 -

3.6总体刚度矩阵的集成 - 39 -

3.7支座约束条件的处理 - 39 -

4 平面桁架的程序设计与算例 - 41 -

4.1 MATLAB与有限元的良好结合 - 41 -

4.2平面桁架的程序结构 - 41 -

4.3平面桁架的主控变量和数据描述 - 42 -

4.3.1平面桁架的主控变量 - 42 -

4.3.2平面桁架的数据描述 - 43 -

4.4平面桁架的功能函数 - 44 -

4.4.1单元刚度矩阵函数 - 44 -

4.4.2总体刚度矩阵函数 - 45 -

4.4.3载荷列阵函数 - 46 -

4.4.4约束处理函数 - 47 -

4.4.5结点位移函数 - 47 -

4.4.6单元内力函数 - 48 -

4.5平面桁架计算程序 - 50 -

4.5.1主程序 - 50 -

4.5.2前处理程序 - 50 -

4.5.3后处理程序 - 50 -

4.6 木结构桥梁平面桁架的计算实例 - 51 -

4.6.1平行弦桁架 - 51 -

4.6.2三角型桁架 - 55 -

4.6.3抛物线桁架 - 59 -

4.7程序界面的设计 - 63 -

4.8木桥连接的齿板设计 - 65 -

4.9木桥施工及造价 - 67 -

4.9.1木桥施工 - 68 -

4.9.2木桥预算表 - 69 -

总 结 - 70 -

致 谢 - 71 -

参考文献 - 72 -

1 绪论

1.1应用木结构桥梁的重要性

二十一世纪，石油、煤炭等化石能源在全球经济的发展下渐渐耗竭，环境污染及全球变暖带来的温室效应不断加剧。中国同时是能源生产和消费大国，因此面临着严峻的能源供应短缺问题和环境保护压力^[1]。在2006年11月发布的《OECD中国环境绩效评估报告》中可以看到，在过去的15年中，中国经济年均增长率达到10.1%，成为世界上第四大经济体。但是中国的单位GDP耗能高出OECD（经济合作与发展组织）中其他国家的20%。另外还有数据显示，我国每创造1美元GDP的耗能，是美国的4倍多，是日本的10倍多。我国单位产值的能耗量是世界平均水平的3倍，而单位产值的废弃物排放量为世界平均水平的数倍。根据国际能源署的统计，2016年全球二氧化碳排放总量为363亿吨，而中国排放总量为95亿吨，超过全球总量的1/4。节能减排问题己经成为我国国民经济与社会可持续发展中需要迫切解决的问题。

绿色建筑、节能降耗和开发利用农林生物质资源在《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中均被列为重点领域。通过竹材或木材来替代传统建筑材料符合国家战略需求。党的“十七大”报告中提出，要“建设生态文明、消费模式”。倡导生态文明建设不仅对中国自身发展有深远影响，也是中华民族面对全球日益严峻生态环境问题做出的庄严承诺。节能、环保、低碳的理念正逐步深入人心，坚持科学发展观，走可持续发展的道路，是时代的主流，也是人类历史发展的必然趋势。建筑节能减排，是落实我国资源节约和环境保护基本国策的重要途径。现代木结构桥梁采用现代木结构设计和建筑技术建造，以现代工程木结构材料为主要建筑材料，是具有美感、功能与高性价比的桥梁。在通过高新技术加工处理后，它不仅具有环保、美观、自然、易维护、建筑材料可循环再生利用等优点，而且还正在向着高负载、大跨度进军，堪与现代混凝土、钢结构桥梁媲美。

1.2使用木结构的可行性

虽然世界平均水平低于人均森林资源中国，但中国木材加工业发展良好，进口木材和木材价格比国内价格低，通过进口，不仅可以节省成本，而且可以保护森林资源中国。