徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题实施方案申报表

徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表

注：1、由课题组长指派专人负责填写，备追踪课题研究过程时使用。

2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。

徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表

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    2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。

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    2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。

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2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。

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注：1、由课题组长指派专人负责填写，备追踪课题研究过程时使用。

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徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题研究成果报告

徐州一中研究性学习结题评价表

探究不同跨度及桥型对桥梁承载能力的影响

探究不同跨度及桥型对桥梁承载能力的影响

徐州市第一中学   王艺泽

指导教师 潘天文 冯林

【摘要】探讨了不同跨度及桥型对桥梁承载能力的影响，通过对三座不同跨度的梁式桥进行实验，结果表明跨度越大，桥梁承载能力越小。其次制作了相同跨度的拱桥、梁桥、索桥，分别量测各个桥梁的承载能力，实验结果发现，拱桥的承载能力最大，梁桥次之，索桥承载力最小。这些对桥梁设计者来说至关重要，能让设计者设计出既能满足实用功能又能给人以美感的桥梁。

【关键词】桥梁；跨度；桥型；承载力

一、研究背景

世界桥梁看中国，中国桥梁看贵州，世界十大高桥有八座在中国，其中五座在贵州，因此贵州被称为“世界桥梁博物馆”，而其中最令人瞩目的是世界第一高桥北盘江大桥，近200层楼高，开车就像开飞机，刷新了吉尼斯世界纪录，闻名中外。

中国是桥梁的故乡，也是誉满世界的桥梁大国。比如赵州桥又名安济桥，坐落于河北省赵县县城南部的洨河之上，它是世界上现存最早、保存最好的巨大敞肩石拱桥。入选世界纪录协会世界最早的敞肩石拱桥，创造了世界之最。被誉为“华北四宝之一”。

现代桥梁是本世纪50年代左右发展起来的，主要为公路和城市道路服务的。现代桥梁按照受力特点的不同，可分为：梁式桥、拱式桥、悬索桥、斜拉桥与刚构桥。其中梁式桥、拱式桥、悬索桥是三种古老的桥梁结构形式。当代桥梁在建设中各有所长，并驾齐驱，各领风骚，给予桥梁设计者多种选择的可能。遍布在神州大地的桥，编织成四通八达的交通网络，连接着祖国的四面八方。桥梁作为公共建筑承载着越来越丰富的文化心理需求，做好桥梁造型和景观的设计显得尤为重要和紧迫。桥梁造型和选型受技术、经济和美学影响，是创新性的集中体现。为了满足人民的需求，本文就同一桥型不同跨度对桥梁承载能力的影响和同一跨度不同桥型对桥梁承载能力的影响进行了探究，以便于选出造型美观、安全耐用、经济合理、施工方便、技术先进的桥梁结构形式。

二、实验材料

1.实验材料名称：轻木条（厚度1mm,宽度3cm）、松木块、双面胶、纸胶带、编织绳、棉线、漆包线、剪刀、笔、回形针、图钉、金属链。

2.实验仪器：直尺、智能便携式电子手提秤。

3.实验材料来源：由徐州市第一中学惠赠。

三、研究过程

1. 探究桥梁不同跨度对其承载力的影响 

1.1 实验步骤：

1) 取三个轻木分别画出长为17cm、22cm、27cm(实验跨度为15cm、20cm、25cm，左右各预留出1cm用于固定) 的长方形，标记中线位置；

2) 利用直尺和剪刀依次裁剪出来（用于制作桥面）；

3) 剪出一段长约13cm的编织绳，打结待用（用于悬挂手提秤）；

4) 将打好结的编织绳套到长17cm的轻木上，用双面胶和纸胶带将轻木条两头1cm的部分固定在松木块上（双面胶用于底面固定，纸胶带用于上面固定）；

5) 将编织绳调整到中线位置后，打开电子手提秤，将单位调至公斤（即kg），将电子手提秤挂钩悬挂于编织绳上手拿电子手提秤圆环慢慢匀速向下拉，直到轻木板断裂，记录轻木板断裂时电子手提秤上的示数；

6) 将打好结的编织绳套在长22cm和27cm的轻木条上重复步骤 4）和 5），记录轻木板断裂时电子手提秤上的示数，填写表格。

1.2 注意事项：

a) 开始测试前，需要使松木块和轻木条在整个过程中位置保持不动。

b) 用电子手提秤向下拉时要保持电子手提秤垂直于木板向下匀速拉动，不能停留，直至木板断裂，因为过程中如果停留2秒左右，电子手提秤示数容易锁住，导致示数不准。

c) 木板断裂瞬间示数不易用肉眼观察，需要用有录制功能的仪器录制。

d) 最好小组合作，一人按住松木块，一人拉电子手提秤，一人录制。

2. 探究不同桥型对桥梁承载力的影响  

2.1 梁桥桥型承载能力实验测试

直接使用1.2中跨度为20cm的梁桥实验数据。

2.2 拱桥桥型承载能力实验测试

a) 取一个轻木板画出长为22cm (实验跨度为20cm) 的长方形，标记中线位置；利用直尺和剪刀将其裁剪下待用；

b) 取一个轻木板画出长为23.5cm的长方形，将其裁剪下待用；

c) 用双面胶和纸胶带将长为22cm的轻木条两头1cm的部分固定在松木块上；

d) 将长为23.5cm的轻木条慢慢轻微弯曲成拱形后，放于22cm的轻木条之下，两松木块之间，形成拱桥造型。

e) 剪出一段长约13cm的编织绳，绕过拱桥跨中后打结；

f) 将编织绳调整到中线位置用纸胶带固定后，打开电子手提秤，将单位调至公斤（即kg），将电子手提秤挂钩悬挂于编织绳上手拿电子手提秤圆环慢慢向下拉，直到桥梁被压断，记录桥梁断裂时电子手提秤上的示数；

2.3 索桥桥型承载能力实验测试

a) 制作桥梁：裁剪出长20cm的长方形轻木板，在木板两头1cm处用笔标记，然后向中间依次在2cm处标记，并标记中心位置；

b) 制作吊索：先用图钉将轻木板上各点扎小孔，将棉线一端固定于漆包线上，依次通过轻木板上一侧各小孔，预留出约20cm长棉线后，将线剪断打结；同样的方式完成另一侧的穿线，使两侧线长相同。将相邻两孔的棉线拉出，保证每段线长相同，将回形针挂于棉线上；

c) 制作悬索：另剪四段长约1m的棉线，用四根棉线把金属链绑于松木块上，使中间部分的金属链长约25cm，且同一个木块上，两个金属链固定点间距为3cm（于轻木条一样宽），保证两金属链条互相平行且等长，用纸胶带固定；

d) 索桥组装：将已制作好的桥梁用回形针挂于悬索上，一手向下轻拉桥梁，一手调整吊索长度，使各吊索（棉线）等长；

e) 剪出一段长约13cm的编织绳，绕过桥梁中线位置，打结；

f) 将编织绳调整到中线位置，把电子手提秤挂钩悬挂于编织绳上进行实验，记录索桥断裂时电子手提秤上的示数；

四、结果与分析

1. 探究桥梁不同跨度对其承载力的影响

通过图1可以看出同一桥型三种不同跨度的桥梁，随着桥梁跨度的增大，桥梁承载力呈递减趋势。从而表明桥梁跨度越大，承载能力越小。

表1.桥梁不同跨度对其承载力影响的实验记录表

注：桥梁承载力G=mg，g=9.81N/kg

图1.桥梁不同跨度对其承载力影响的变化情况

2.不同桥型对其承载力的影响

通过图2可以看出同一跨度三种不同桥型的桥梁，拱桥承载力最大，梁桥次之，索桥承载力最小。从而表明桥梁承载力拱桥大于梁桥，梁桥大于索桥。

表2. 不同桥型对桥梁承载力影响的实验记录表

注：桥梁承载力G=mg，g=9.81N/kg

图2. 不同桥型对桥梁承载力影响的变化情况

五、结论

通过实验一探究不同跨度对桥梁承载能力影响的实验结果和数据分析初步推断原因为：桥梁在跨中受集中荷载作用时，桥梁中弯矩越大，越容易达到极限弯曲强度，从而造成断裂。

通过实验二探究不同桥型对桥梁承载能力的影响的实验结果和数据分析初步推断原因为：

1. 拱桥受压会产生向外推的力，桥墩能抵挡住这个力，桥面受力减小，因此就能承载很大的压力；

2. 梁桥受压不会产生向外推的力，桥墩主要提供了向上的支持力，桥面受压较大,因此承载能力小于拱桥；

3. 索桥既不产生向外的推力，桥墩也对桥面没有支持力，桥面承重时受到的压力最大，所以承载能力最弱；

决定桥梁类型的主要因素是跨度、材料和结构三要素，但在现实中还需考虑到造型美观、安全耐用、经济合理、施工方便等。桥梁的选型和造型，是结构设计中最富有创造性的阶段，是桥梁力学和美学得以体现的重要环节。设计者想要设计出一座既能满足实用功能又能给人以美感的桥梁就必须认真对待桥梁选型和造型。爱因斯坦曾说过，“探索真理比占有真理更可贵。”希望本次实验能给桥梁设计工作提供理论参考,不断提高设计水平和质量保证。

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]宋满珍.浅谈园林中的桥[J].安徽建筑，2007（3）：24-25.

[3]车宇琳，车英俊.桥梁选型雏论[A]；全国公路科技创新高层论坛[C].

[4]赵学勐.古为今用：赵州桥启示录[A]；第二十一届桥梁学术论坛会文集（上册）[C].2014.

[5]万明坤.桥梁漫笔[专著][M].中国铁道出版社，2015.

附录