一种四主梁UHPC预制盖梁及其拓扑优化方法技术

本发明专利技术公开了一种四主梁UHPC预制盖梁及其拓扑优化方法，所述预制盖梁采用拓扑优化方法设计，配置有异形钢筋，采用超高性能混凝土进行浇筑，基于给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的优化区域内对材料分布进行拓扑优化设计，且利用超高性能混凝土（UHPC）超高抗压强度和超强韧性与延性特点，实现预制盖梁轻量化与高性能，满足预制装配式领域中的一个重要需求。重要需求。重要需求。

【技术实现步骤摘要】
一种四主梁UHPC预制盖梁及其拓扑优化方法


[0001]本专利技术属预制装配式桥梁结构
，具体涉及一种四主梁UHPC预制盖梁及其拓扑优化方法。

技术介绍

[0002]“工厂预制、现场装配”的装配式建造技术具有著缩短建设周期、降低污染排放、减少人力需求、提升工程质量的特点，是实现建造产业工业化化转型升级、达成建筑行业“双碳”目标的合理路径。
[0003]目前预制盖梁的设计方法是采用正截面受弯、斜截面受剪设计，预制混凝土构件普遍存在重量过大的问题，直接影响建筑成本和质量，严重制约了装配式建造技术的进一步发展。
[0004]现有的城市桥梁盖梁采用材料抗压强度低、无抗拉强度的普通混凝土浇筑，材料利用率低，抗裂性能弱，自重可达200～400吨，不利于工业化建造。而且盖梁受力情况复杂，采用传统平截面受弯、斜截面受剪的设计方法未能充分发挥材料性能，导致构件重量偏大，直接影响建筑成本和质量，严重制约了装配式建造技术的进一步发展。
[0005]因此，发展轻量化、高性能预制构件，提升现有预制装配式结构体系，是装配式建造技术的重要发展趋势。为达成上述目标，需从材料性能提升与结构设计优化两方面进行创新。
[0006]现有的优化方法无法对配筋进行设计，只能对单一材料进行优化，存在受力不合理，用钢量较多的问题。
[0007]盖梁受力情况复杂，采用传统平截面受弯、斜截面受剪的设计方法未能充分发挥材料性能，导致构件重量偏大，直接影响建筑成本和质量，严重制约了装配式建造技术的进一步发展。
专利技术内容
[0008]针对上述技术问题，本专利技术提出一种四主梁UHPC预制盖梁及其拓扑优化方法，创新性地融合了UHPC新材料和结构拓扑优化方法，实现了预制桥梁盖梁轻量化，有利于降低结构自重，促进装配式结构的轻量化、高性能发展。
[0009]为了实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术手段：
[0010]一种四主梁UHPC预制盖梁，所述预制盖梁采用超高性能混凝土进行浇筑，采用拓扑优化方法设计，配置有异形钢筋，所述盖梁的高度为h，盖梁顶部设有四个主梁支座，分别是从左往右依次布置的第一主梁支座、第二主梁支座、第三主梁支座以及第四主梁支座，上述四个主梁支座的中心间距均为D，间距D是高度h的2.66倍；
[0011]位于盖梁顶部最左侧的第一主梁支座与盖梁顶部左侧端面的距离是0.09D；位于盖梁顶部最右侧的第四主梁支座与盖梁顶部右侧端面的距离是0.09D；
[0012]盖梁底部设有一水平段，所述水平段上左、右对称布置有两个支承桥墩，分别是位
于盖梁底部左侧的第一支承桥墩和位于盖梁底部右侧的第二支承桥墩，两个支承桥墩的中心距离为2.17D，第一支承桥墩的中心距所述水平段的左端0.14D，第二支承桥墩的中心距所述水平段的右端0.14D；
[0013]盖梁顶部长度为3.18D；
[0014]盖梁的宽度为0.25D；
[0015]所述盖梁左、右两侧为以盖梁中心对称布置的三折线形，分别是自梁顶部往下直至0.23h高度位置向梁的中心偏折13
°
的第一折线段，在0.23h～0.56h高度位置向梁的中心偏折40
°
的第二折线段以及在0.56h～0.84h高度位置向梁的中心偏折76
°
的第三折线段。
[0016]所述盖梁中心部位设置有开孔，开孔的孔洞上部长度为0.76D，孔洞下部长度为0.77D，孔洞高度为0.47h，孔洞四周分别倒圆角，孔洞上部距离盖梁上表面0.32h，孔洞下部距离盖梁下表面0.21h。
[0017]所述异形钢筋，其体积配筋率为0.48％，异形钢筋由两部分组成，
[0018]第一部分是长度为D的两段水平钢筋，在距盖梁上表面0.02h处关于盖梁竖直中轴线对称布置；
[0019]第二部分异形钢筋位于第一部分的下方，且关于盖梁竖直中轴线对称，包括：
[0020]第一水平段，位于第二部分异性钢筋中间，第一水平段长度为1.2D，距盖梁下表面0.02h，所述第一水平段分别向盖梁的左、右两侧延伸，延伸段均由三段组成，依次为：
[0021]水平投影长度0.27D、竖直投影高度0.86h的斜向上折线段，
[0022]长度为0.28D、距盖梁上表面0.02h的第二水平段；
[0023]水平投影长度0.35D、竖直投影高度0.43h的斜向下折线段。
[0024]所述UHPC材料，抗压强度在120MPa以上，抗拉强度8MPa以上。
[0025]本专利技术进一步公开了所述四主梁UHPC预制盖梁的拓扑优化方法，包括以下步骤：
[0026]步骤1：建立UHPC材料本构关系及指标体系，面向拓扑优化密度法所要求的连续体材料特征，提出UHPC材料本构模型，提出相适应的UHPC材料指标体系；
[0027]步骤2：建立有限元模型：将UHPC材料本构模型导入有限元分析软件，根据步骤1的UHPC材料本构关系及指标体系进行材料属性赋值，进行网格划分、设置边界条件并施加荷载，完成有限元模型前处理的设置；
[0028]步骤3：UHPC预制构件拓扑优化设计：以盖梁初始模型为优化区域，优化过程中考虑四主梁在多种荷载工况下的共同作用，并考虑预制装配工艺要求，在沿盖梁长边方向和垂直于盖梁长边方向施加对称约束，基于45
°
应力扩散角，确定在主梁支座下方0.5B的区域和两个桥墩正上方0.5W的区域使用冻结方法，B为支座宽度，W为桥墩直径，控制拓扑优化算法，以优化区域应变能最小化为优化目标，优化目标函数如下：
[0029][0030]式中，为各种荷载工况下优化区域的应变能；
[0031]w
i
为各种荷载工况的权重系数，
[0032]经过多次迭代尝试，以计算稳定性高、避免应力突增为目标，取优化区域中应变能最小的百分之五的单元，优化过程中每次通过迭代计算逐步去除优化区域中应变能最小的
百分之五的单元，以盖梁最大应力值为约束条件，受传统钢筋混凝土盖梁重量、公路运输条件、吊装设备起吊重量限制，确定降低体积30％重量为合理优化目标，即当盖梁最大应力值达到初裂应力或模型体积低于初始模型的70％时计算终止，输出盖梁拓扑优化模型；将拓扑优化模型导入三维机械设计软件中，根据拓扑优化模型上的开孔位置、形态与尺寸，对拓扑优化模型进行重构，将其设计为开孔的拓扑结构模型；
[0033]步骤4：盖梁异形钢筋设计：对拓扑优化结果进行后处理，重构数值分析几何体，导出主拉应力迹线，依据主拉应力迹线分布，确定异形钢筋形状；对各主梁处盖梁截面主拉应力进行求和，计算得出截面拉力，除以钢筋屈服强度得到所述异形钢筋的面积；
[0034]步骤5：拓扑优化盖梁强度校核；
[0035]步骤6：输出满足强度要求的拓扑优化UHPC盖梁模型。
[0036]步骤1中，所述UHPC材料本构模型为拉压线弹性模型；
[0037]所述UHPC材料指标体系包括：弹本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种四主梁UHPC预制盖梁，所述预制盖梁采用超高性能混凝土进行浇筑，采用拓扑优化方法设计，配置有异形钢筋，其特征在于，所述盖梁的高度为h，盖梁顶部设有四个主梁支座，分别是从左往右依次布置的第一主梁支座、第二主梁支座、第三主梁支座以及第四主梁支座，上述四个主梁支座的中心间距均为D，间距D是高度h的2.66倍；位于盖梁顶部最左侧的第一主梁支座与盖梁顶部左侧端面的距离是0.09D；位于盖梁顶部最右侧的第四主梁支座与盖梁顶部右侧端面的距离是0.09D；盖梁底部设有一水平段，所述水平段上左、右对称布置有两个支承桥墩，分别是位于盖梁底部左侧的第一支承桥墩和位于盖梁底部右侧的第二支承桥墩，两个支承桥墩的中心距离为2.17D，第一支承桥墩的中心距所述水平段的左端0.14D，第二支承桥墩的中心距所述水平段的右端0.14D；盖梁顶部长度为3.18D；盖梁的宽度为0.25D。2.根据权利要求1所述的四主梁UHPC预制盖梁，其特征在于，所述盖梁左、右两侧为以盖梁中心对称布置的三折线形，分别是自梁顶部往下直至0.23h高度位置向梁的中心偏折13
°
的第一折线段，在0.23h～0.56h高度位置向梁的中心偏折40
°
的第二折线段以及在0.56h～0.84h高度位置向梁的中心偏折76
°
的第三折线段。3.根据权利要求1所述的四主梁UHPC预制盖梁，其特征在于，所述盖梁中心部位设置有开孔，开孔的孔洞上部长度为0.76D，孔洞下部长度为0.77D，孔洞高度为0.47h，孔洞四周分别倒圆角，孔洞上部距离盖梁上表面0.32h，孔洞下部距离盖梁下表面0.21h。4.根据权利要求1所述的四主梁UHPC预制盖梁，其特征在于，所述异形钢筋，其体积配筋率为0.48％，异形钢筋由两部分组成，第一部分是长度为D的两段水平钢筋，在距盖梁上表面0.02h处关于盖梁竖直中轴线对称布置；第二部分异形钢筋位于第一部分的下方，且关于盖梁竖直中轴线对称，包括：第一水平段，位于第二部分异性钢筋中间，第一水平段长度为1.2D，距盖梁下表面0.02h，所述第一水平段分别向盖梁的左、右两侧延伸，延伸段均由三段组成，依次为：水平投影长度0.27D、竖直投影高度0.86h的斜向上折线段，长度为0.28D、距盖梁上表面0.02h的第二水平段；水平投影长度0.35D、竖直投影高度0.43h的斜向下折线段。5.根据权利要求1所述的四主梁UHPC预制盖梁，其特征在于，所述UHPC材料，抗压强度在120MPa以上，抗拉强度8MPa以上。6.一种基于权利要求1～5中任一所述四主梁UHPC预制盖梁的拓扑优化方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立UHPC材料本构关系及指标体系，面向拓扑优化密度法所要求的连续体材料特征，提出UHPC材料本构模型，提出相适应的UHPC材料指标体系；步骤2：建立有限元模型：将UHPC材料本构模型导入有限元分析软件，根据步骤1的UHPC材料本构关系...

【专利技术属性】
技术研发人员：程钊，郑晓峰，林静婷，姚一鸣，王景全，崔冰，刘高，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：