一、设计背景：

我们的家乡---威海，是一座美丽的海滨旅游城市，在众多的旅游景点中，位于城市东侧威海湾内的刘公岛，远近闻名，是国家级AAAAA景区，不仅有优越的自然环境条件，而且还具有丰富的历史文化印迹，给后人留下了不可多得的历史积淀，有十分重要的教育意义。刘公岛一年四季都适宜游玩，但由于气候条件与地理位置相对孤立的限时，每年11月份到来年的4月份，风暴潮肆虐，想要通过坐船来登岛观光几乎是不可能的，作为威海市的小主人，威海市长征路小学科创组的小学生们希望为威海实现精致旅游城市做出贡献，他们通过指导老师的帮助，开动脑筋，集思广益，发挥聪明才智，决心给刘公岛设计一座结实、美观又与陆地景点相连接的环岛跨海大桥。

二、搜集资料，熟悉各种桥的特点：

设计伊始，我们首先上网，上城市书房查阅桥梁的相关资料，作为我们设计的理论基础。现将相关桥的种类与各自特征整理如下：（1）拱桥：是在竖直平面内以拱作为上部结构主要承重构件的桥梁。在容器内的粉料层中如果形成能承受上方粉料的压力而不将此压力传递给下方的面，此面即称为拱桥。拱桥是向上凸起的曲面，其最大主应力沿拱桥曲面作用，沿拱桥垂直方向的最小主应力为零。

（2）吊桥又称悬索桥，由悬索、桥塔、吊杆、锚锭、加劲梁及桥面系所组成。吊桥的跨越能力是各种桥梁体系中最大的。按加劲梁的刚度，吊桥又可分为柔性与刚性两种。（3）斜拉桥：又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。斜拉桥由索塔、主梁、斜拉索组成。

三、联系实际，确定适合的桥梁

1.桥梁的结构1：悬索桥

任何一座桥的设计首先要承重力强，其次本次设计还要考虑过水量大，考虑海底下面水深不同，所以要在桥墩的数量少，桥墩之间的跨度要大的前提下加强桥的承重力；更要考虑威海本土的洋流和气候，桥的自身能够克服强风台风风暴潮引起的风荷载。我们发现增加桥墩，会使桥梁更加稳定，但施工更加困难，造价更高，对海上交通运输和生态环境的影响更大。结合上述各种桥的特征，最终敲定桥梁的基本结构设计成斜拉索桥。

2.桥梁的结构2：遮风挡雨人车分流双层桥

考虑旅游旺季的每个旅游景点，都是游客爆满，寸步难行。一是造成道路拥堵，二是带来安全隐患。所以预想设计成人车完全分流的双层桥设计，也就是下层行车，上层走人。不仅对缓解城市交通压力起到了重要作用，同时也真正做到了从以“人”为本到人车兼顾。同时满足游客不受天气的限制，全年观光的需求，预想给桥梁设计上抗风透明天窗和测窗。

3.桥梁的建筑材料：抗腐蚀

因为跨海大桥建筑体量比较大，自重也大，桥墩在海水中易受腐蚀，所以纯木质、石质、钢制的桥墩很少使用。

建筑桥墩的材料可用木料、石料、混凝土、钢筋混凝土、钢材等。，但是石材和钢材是钢筋混凝土的一部分，而现在绝大多数的跨海大桥的桥身和桥墩都是钢筋混凝土材料的。在河里建桥主要考虑经济因素，木料、石料、钢材、混凝土、钢筋混凝土的材料都有，而且很多单跨桥都是没有桥墩的，而像跨江的大桥都是钢筋混凝土材料来做桥墩。采用钢筋混凝土主要是因为钢筋混凝土性质稳定，单位承重量大，耐磨损，经济又实惠。

4.桥梁经过路径与行车制度的设计

允许岛上通车后，势必对岛上的交通造成影响，为缓解岛上的交通压力，要控制岛上车辆的数量，实行限行制度，当岛上车辆数量达到饱和时，下岛一辆车，才允许上岛一辆车。而跨海大桥的起始点分别定在幸福门与刘公岛的登岛码头，跨海大桥的行驶路向定位双向道，真正实现了刘公岛的环岛旅行的预想。

四、通过实验优化桥梁结构

（一）、设计过程与思路：

1.在草稿纸上画出桥梁结构的草图。

2.用提供的材料制作桥梁模型

为更精准地测定不同结构的纸桥模型的承重力，须要对影响结果的其他变量做统一规定。（1）只能用提供的A4进行制作，不可以加纸，不可以填加其他物质，否则视为犯规。（2）粘连纸时，只能用所提供的固体胶，不可以用其他物质来代替，否则视为犯规。（3）制作的桥梁模型的外形必须满足桥面跨度不小于28cm（A4纸长度），宽度不小于10cm，桥面中间必须有至少10cm*10cm的平面用于承重，桥面最低处应距地面不低于8cm。桥洞下能通过长16cm、宽8cm的木块。剩余的纸张制作各种结构的填充物放置其中，做成简单的桥梁模型。

3.承重实验：

试验时，通过往桥面上放一元硬币的方法来试验各个纸桥的最大承受力，每次加一个，停留1秒钟后加第二枚硬币，依次加重，直到纸桥模型倒塌，记录倒塌前一次桥梁模型的承重数据。

（二）实验过程与发现

第一轮实验：桥面形状对承重力的影响

实验1：分别将两张A4纸横向卷成两个圆柱状，用固体胶固定住，用作桥墩；用1张A4纸横向对折作桥面，搭在桥墩上，此时承重实验结果是8枚硬币。

实验2：同样是实验1中的两个圆柱做桥墩，改变桥面，用A4纸折成瓦楞纸的形状，此时承重实验结果是76枚硬币。

第二轮实验：桥墩形状对承重力的影响

实验3：应用第一轮实验得到的成果，桥面采用瓦楞纸的形状，桥墩根据三角形具有稳定性这一特性设计成三棱柱（或者是六棱柱，为后面的蜂窝桥梁作铺垫），耗材是用两张A4纸设计出4根三棱柱（或者六棱柱），此时承重实验结果是220枚硬币。

实验4：同样延用第一轮的实验成果，桥面采用瓦楞纸的形状，桥墩换做耗材两张A4纸的4根圆柱桥墩，，此时承重实验结果也是220枚硬币。

第三轮实验：考虑要过水量大，抗强风，承重力强

结合第一轮和第二轮的基础实验与之前的调查资料，我们需要做到扬长避短，寻求科学、数学、美术老师等指导老师的帮助。设计出悬索桥综合考虑安全、造价和美观等因素，大跨度的跨海大桥，需要更少的桥墩，必不可少的桥墩是固定起始点的两个，一个设在刘公岛，另一个设在幸福门，如此长的桥为了增加安全性，需要在桥的上方用钢索拉紧桥面，既能降低桥梁自重，又能增强桥梁的是承重和稳定，还能降低桥梁的建设成本。

五、总结：

通过为刘公岛设计一座环岛悬索桥，同学们融会贯通了力学思维、成本观念和对建筑的美学思考，这样的一群科创组成员是能更好适应未来社会的宽基础复合型的一群小学生。希望我们的设计能为威海的建设贡献微薄之力。