活动情境
某小区内有一条河流,为方便居民出行,计划在河流上方设计建造一座跨度40 m、宽度5 m的桥梁。
桥梁搭建前通常需要先建立模型,以便优化结构、指导施工及评估风险等。桥梁框架是桥梁的主体,能有效承担荷载。假设我们是桥梁工程师团队,如何利用现有材料来设计高承重、有创意的桥梁框架模型呢？让我们一起来探索吧！
活动目的
1. 知道桥梁结构决定其功能的建筑原理。
2. 绘制桥梁框架模型图纸,借助图纸概述设计思想。
3. 使用工具制作桥梁框架模型,体验工程实践过程。
4. 优化桁架结构,感知桁架结构的精妙。
活动准备
1. 材料与工具准备：热熔胶枪,美工刀,数字测力计,水桶,细沙,绳子,5 cm短木条若干根,30 cm长木条2根,40 cm长木条2根,50 cm长木条20根(可自行裁剪)等。
2. 知识储备：桥梁的结构,建筑结构的受力与形变,建筑结构的功能。
3. 技能准备：熟练使用热熔胶枪及美工刀,避免出现安全事故。
活动过程
1. 明确任务。
以木条为材料,按模型与实物1:100的比例设定跨度与宽度的基本参数,确定桥梁框架模型的跨度为40 cm,宽度为5 cm,高度不限,承重在5 kg以上。模型搭建完成后进行承重测试。
2. 设计方案。
(1)如图所示是一座桥梁,请分析其基本的受力结构是什么？该结构有什么作用？______

(2)以上述桥梁为例,画出其桥梁模型框架设计图(主视图),并标注结构以及尺寸。
设计图
3. 实施计划。
(1)搭建桥面框架：将长度为5 cm的多根短木条按照相同的间隔,依次放置在2根40 cm的长木条上,搭建成如图5-2所示的框架A并固定(各连接处用热熔胶粘连,下同)。
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40 cm 30 cm
框架A 框架B

注意
使用热熔胶枪时需戴手套,避免枪口接触皮肤；加热时远离易燃物,用完后及时断电。
(2)搭建顶部框架：将2根30 cm长木条与多根5 cm短木条,按上述方式搭成框架B并固定。
(3)安装竖杆：在桥面框架的连接点处,竖直方向上加装一定高度的连接杆并固定,尽量使竖杆顶部处于同一平面,如图5-3。

(4)组装桁架结构：将框架B固定到竖杆上,如图5-4。

(5)安装斜杆：将合适长度的木条两端对准方形对角顶点,并固定,得到桥梁框架模型,如图5-5。

(6)检查与加固：搭建完成后,对结构进行全面检查。若连接处有缝隙或松动,用热熔胶进一步加固,使桥梁框架模型能更好地承受荷载。
4. 承重测试。
将搭建好的桥梁框架模型放在相距30 cm的两张桌子之间,利用数字测力计、水桶和细沙进行承重测试。具体步骤如下：
(1)将一根长木条(横跨一定数量的横杆)放置在桥面框架模型中心处,下端系一细绳,水桶通过数字测力计悬挂在细绳下方(如图5-6)。

(2)将细沙逐渐添加至水桶内部,在添加过程中及时观察桥梁框架模型的状态。当模型出现明显变形或者结构损坏时,立刻停止添加细沙。
(3)读出此时数字测力计的示数,即为桥梁框架模型的最大承重。
5. 交流评价。
各小组根据验收标准评价量表进行评价与交流。
表5-1 桥梁模型验收标准评价量表
|评价指标|评价内容|自评|互评|小结|
|设计|图纸各部分尺寸、结构标注清晰(1分)符合力学原理,能有效分散和承载荷载(1分)|□|□|□□□□|
|制作|在规定时间内完成桥梁框架模型的制作(1分)实物结构与设计图对应(1分)连接部位在一定外力下不松动(1分)造型美观,整体对称,比例协调(1分)|□□□□|□□□□|□□□□|
|测试|承重能力大于8 kg(4分)承重能力为5～8 kg(3分)承重能力为3～5 kg(含)(2分)承重能力小于3 kg(1分)|□□□□|□□□□|□□□□|
思考与讨论
1. 在本次桥梁框架模型搭建的过程中,哪些因素会影响其承重能力？______
2. 用热熔胶固定桥梁的框架模型,这样的固定方式有哪些缺点？在实际建造中,工程师是如何固定桥梁框架的？______
3. 在上述桥梁框架的基础上,能否通过增设其他结构提升其承重能力？请在下面的方框中画出设计图(主视图)。
拓展研究
钱塘江大桥采用双层设计,上层为公路,下层为铁路(如图5-7)。请收集有关信息,从空间利用、结构设计、经济成本等方面分析该桥设计的精妙之处。______

设计方案(1)：桁架结构；利用三角形稳定性分散荷载，增强桥梁承重能力和结构稳定性。
思考与讨论1：桁架结构完整性、连接点牢固程度、材料强度、结构对称性等。
思考与讨论2：缺点：粘结强度低、受温度影响大、易松动；实际：螺栓连接、焊接、铆钉等机械连接。
（设计图及拓展研究按上述解析要点作答）

设计方案(1)
基本受力结构是桁架结构。该结构通过由杆件组成的三角形框架，利用三角形的稳定性，将荷载分散到各个杆件，使杆件主要承受拉力或压力，从而有效增强桥梁的承重能力和结构稳定性。
设计方案(2)
（设计图要点：主视图中，底部为桥面框架（框架A，长40cm），顶部为顶部框架（框架B，长30cm，居中放置），两者通过竖直杆件（高度可设为10cm）连接；竖杆与上下框架的连接点处，用斜杆连接对角顶点，形成多个三角形桁架结构。标注：跨度40cm（桥面框架长度）、顶部框架长度30cm、竖杆高度10cm，结构名称标注“桥面框架”“顶部框架”“竖杆”“斜杆”。）
思考与讨论1
影响因素包括：桁架结构的完整性（三角形结构数量及分布）、连接点的牢固程度（热熔胶粘结是否紧密）、材料强度（木条是否平直、无裂纹）、结构对称性（各部分受力是否均匀）、竖杆和斜杆的数量及位置。
思考与讨论2
缺点：热熔胶粘结强度较低，长期承重易松动；受温度影响大（高温易软化），不适合承受大荷载。实际建造中，工程师常用螺栓连接、焊接或铆钉等机械连接方式固定桥梁框架，确保连接牢固可靠。
思考与讨论3
能。可通过增设斜杆，在原有矩形框架中增加更多对角线斜杆，形成更多小三角形结构（利用三角形稳定性进一步分散荷载）。（设计图要点：在原桁架结构的每个矩形格子内添加斜杆，使所有四边形均被分割为三角形，标注“新增斜杆”。）
拓展研究
空间利用：双层设计充分利用竖向空间，上层公路、下层铁路，实现“一桥两用”，减少对河道及周边土地的占用；结构设计：共用桥墩和主体桁架框架，通过桁架结构的稳定性分散双层荷载，使整体结构更紧凑、受力更均匀；经济成本：避免单独建设公路桥和铁路桥，节省桥墩、基础等重复建设成本，降低材料消耗和维护费用。