下承式钢桁架桥的优化设计外文翻译资料

 2022-03-26 19:21:40

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下承式钢桁架桥的优化设计

C.Maraveas\,A.Papagiannakis\,K.Mamisis\和K.Tasiouli\C. MARAVEAS PARTNERSHIP,希腊咨询工程师,英国曼彻斯特大学机械、航空航天和土木工程学院。

摘 要

结构优化是许多研究团队和工程师的兴趣所在。其目的是最小化目标函数,例如受到一定约束的结构重量,(例如结构成员符合代码要求符合规范要求的结构构件)。 本文对下承式钢桁架桥进行了优化设计(在形状和尺寸上)。文章调查了几个不同跨度(40米,50米和60米)和对应单双车道的不同宽度的简支桥梁。对于上述桥梁,文章研究了三种桥面类型(钢筋混凝土桥面,纤维增强聚合物桥面和钢桥面)对桁架重量和总重量的影响。以桁架的高度和构件横截面面积为问题的设计变量进行了最小重量方案的形状和尺寸优化设计。结构分析和设计是根据欧洲规范的规定进行的。根据优化程序得到的结果,文章论述了高跨比和桥面板类型对桁架重量,总重量和成本的影响。

关键词:优化设计,钢桥,玻璃钢桥面板,混凝土甲板,钢甲板,桥梁成本分析。

介绍

桥梁的优化设计是结构优化的一个组成部分。在过去的十到三十年中,这个主题已经进行了意义重大的工作。通常,最佳的解决方案包括最小化结构的重量,并因此降低安装成本。本研究的重点是下承式简支钢桁架桥的形状和尺寸优化设计。文章研究了不同的构型、跨度和桥面板类型。目的是确定该桥系统的最佳高度跨度比,并研究桥面板类型对桁架和整个结构重量的影响。此外,为了突出显示最有效的经济财务方面的解决方案,介绍了所研究的桥梁的成本数据。

桥梁模型详情

布局

本文介绍的下承式简支钢桁架桥采用普拉特桁架结构,其在竖向荷载作用下导致对角线构件的张力。文章调查了三个不同的跨度。 图1和图2分别给出了单双车道的示意图。图3中描绘了桥梁的典型横截面及其几何特征。应该注意的是,道路的一侧有一条路面,另一侧有一个车辆护栏。对于跨度为40米和50米的桥,其桁架垂直构件跨度为2.5米,60米跨度的桥则为3米。 而且,顶弦由直线形成,并以抛物线曲线连接。如2.4节所述,桁架第一个垂直构件的高度固定为2m,而中跨桁架的高度构成了形状优化的设计变量。以将对角线的角度约束在35°与65°之间并减小压缩构件的屈曲长度来选择垂直桁架构件的跨度。

图1:单车道桁架桥模型

图2:双车道的桁架桥模型

图3: 单车道(1)和双2)车道的桥梁横截面。

应该强调的是,顶部横向支撑不包括在研究的桥梁结构中。 这样的结构通常被称为“开顶”或“半下承式桁架”桥[4]。 在这种系统中,竖直构件与横梁之间的力矩连接是必要的,以便形成能够抑制压缩的上弦杆构件的面外屈曲的半框架。

在优化过程中,将不同的横截面分配给顶部弦杆构件、底部弦杆构件、对角构件、垂直构件、横梁、桁条和底部横向支撑构件。

桥面板

本研究考虑了三种不同的桥面板类型。 研究的第一个备选方案是钢筋混凝土(RC)桥面板,自重为5 KN / m\,第二个纤维增强聚合物(FRP)桥面板,自重为1.5KN / m\,第三个钢桥面板自重为2.5KN / m\。 对于桥梁的成本分析,文章使用了来自供应商和代理商的费率,包括制造,交付,安装和覆盖的成本。

负载和设计

EN1991-2 [5]中规定的交通载荷适用于所研究的结构。EN1991-1-4 [6]的风力作用也被考虑在内。 所有相关分析均由商业软件STAAD.Pro V8i [7]执行,该软件实现了有限单元法(FEM)。符合EN1993-1-1 [8]和EN1993-2 [9]钢桥的要求的钢构件的设计也由相同的软件[7]进行。选定的钢材质量为S355。

应该注意的是,所检查的结构是开顶下承式钢桁架桥。 STAAD.Pro V8i [7]不执行EN1993-2 [9]中规定的有关顶弦的压缩构件屈曲的必要检查。因此,在Matlab中实现了一个额外的例程来满足EN1993-2 [9]的这一特定要求。该程序根据几何形状,半框架构件,构件截面等计算顶部弦杆阻力,并对设计轴向力进行必要的适当检查。

优化过程

优化问题的目标函数是桁架的重量,欧洲规范的设计要求是约束条件。优化过程的目标是最小化目标函数。通过选择其在中跨处的高度作为设计变量来进行桁架的形状优化。构件的横截面积构成了尺寸优化设计变量。根据以下方案为钢构件选择欧洲标准热轧型材:a)顶弦构件-HEA或HEB,b)底弦构件-HEA,c)对角构件-HEA,d)垂直构件-HEB ,e)横梁 - HEB,

f)纵梁 - HEA,g)底部横向支撑构件 - IPE。 对于形状优化过程的每个循环,需执行用于选择构件截面的迭代以获得桁架的最小重量,同时其结构符合所有设计要求。 该过程的流程图显示在图4。

图4:优化程序的流程图。

3 结果与讨论

40米桥梁优化过程的结果是指双车道(连续线)和单车道(虚线)的桁架重量(图5)和总重量(图6)。图中的每个点都是针对所描述的特定高度从尺寸优化过程中获得的。同样,50m跨度的结果如图7和图8所示。而L = 60m情况下的相关输出显示在图9和图10。

图5:相对于H - 40m跨度的钢桁架重量。

图6:相对于H - 40m跨度的桥梁总重量

图7:相对于H - 50m跨度的钢桁架重量。

图8:相对于H - 50m跨度的桥梁总重量。

图9:相对于H - 60m跨度的钢桁架重量。

图10:相对于H - 60m跨度的桥梁总重量。

在表1中,给出了每种桥面板类型的最佳(最小)重量。 所有研究过的桥梁的数值都相对于RC桥面板箱被标准化。

表格1: 所研究的桥梁的最佳重量标准化为RC桥面板箱。

L =40米

2车道

1车道

桥面板

标准化

桁架重量

标准化

总重量

标准化

桁架重量

标准化

总重量

RC

1.00

1.00

1.00

1.00

FRP

0.92

0.46

0.90

0.44

0.94

0.61

0.94

0.60

L =50米

2车道

1车道

桥面板

标准化

桁架重量

标准化

总重量

标准化

桁架重量

标准化

总重量

RC

1.00

1.00

1.00

1.00

FRP

0.88

0.46

0.88

0.46

0.92

0.62

0.94

0.62

L =60米

2车道

1车道

桥面板

标准化

桁架重量

标准化

总重量

标准化

桁架重量

标准化

总重量

RC

1.00

1.00

1.00

1.00

FRP

0.92

0.47

0.88

0.46

0.93

0.62

0.89

0.61

表1提供了有关桥面板类型对结构系统重量影响的有用信息。 当使用玻璃钢桥面板代替钢筋混凝土桥面板时,桁架重量的减少很小(约为8%至12%)。 以类似的方式,使用钢桥面板的重量减少幅度在6%至11%之间。相反,桥面板类型严重影响结构的总重量。 在FRP甲板的情况下,观察到总重量减少55%。 对于钢桥面板来说,降幅较低,但仍然相当可观(约40%)。 表2列出了获得的最佳高度与跨度比。

表2:研究案例的最佳高度-跨度(H/L)比率。

L =40米

L =50米

L =60米

桥面板

2车道

1车道

2车道

1车道

2车道

1车道

RC

0.125

0.100

0.100

0.080

0.100

0.120

FRP

0.125

0.100

0.100

0.100

0.130

0.100

0.100

0.100

0.100

0.080

0.100

0.120

从这张表中可以得出结论,1/7到1/10之间的高度跨度比对于双车道的桥是最佳的,而在1/8和1/12范围内的值应该是在考虑单车道桥梁时的最佳选择。

另外,对于所研究的高度范围,形状优化将桁架的重量减少7%至15%。

此外,文章对桥梁进行了成本分析。表3列出了所考虑材料的价格。应该注意的是,仅对于FRP桥面板,价格包括覆盖物的成本。 表4显示了桥梁的估算成本值。为了进行比较,所有数值也都相对于RC桥面板箱进行了标准化。应该提到的是,所有的价值都包括代理对桥面板和钢桁架的初始成本,即制造,交付,安装,覆盖等成本,而不是像生命周期成本分析那样的未来或维护成本。

表3:供应商提供的材料价格。

钢桁架

RC桥面板

玻璃钢书桌

钢桥面板

覆盖

2欧元/公斤

200 euro;/m3

750 euro;/m2

2欧元/公斤

25 euro;/m2

表4: 估计桥梁的绝对成本(欧元)和RC桥面板箱的标准化价值。

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