桁架钢桥梁的优化设计外文翻译资料

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桁架钢桥梁的优化设计

马拉维萨斯1,2，A. Papagiannakis1，K. Miamis1 ＆K. Tasiouli1

1C. MARAVEAS PARTNERSHIP，咨询工程师，希腊

2机械，航空航天与土木工程学院，

英国曼彻斯特大学

摘要

结构优化是一个聚集许多研究兴趣的话题的团队和工程师。其目的是尽量减少目标函数，例如受到一定限制（例如，具有代码要求的结构构件）。在本文中，优化设计（进行了桁架钢桥的形状和尺寸规定。一些简单的不同跨度（40m，50m和60m）的桥梁的情况和检查相应于一个或两个行车道的宽度变化。为了上述桥梁，三甲板类型（钢筋混凝土甲板，纤维增强聚合物甲板和钢甲板）对桁架的重量和总重量进行了调查。最小重量形状和尺寸优化设计执行，桁架的高度和其构件的横截面积构成问题的设计变量。结构分析和设计是按照欧盟规范进行的。

高度跨度比和甲板类型对重量的影响基于获得的结果讨论桁架，总重量和成本

从优化程序。

关键词：优化设计，钢桥梁，甲板，混凝土甲板，钢甲板，

桥梁成本分析。

1介绍

桥梁的优化设计是结构优化的一个组成部分。在过去几十年里，这个主题的重大工作已经进行了[1-3]。最常见的是，最佳解决方案包括最小化重量结构，因此，对于架设成本。 本研究着重于形状和确定简单支撑的桁架钢桥梁的最佳设计。调查了不同的配置，跨度和甲板类型。 目的是确定该桥梁系统的最佳高度跨度比，并研究甲板类型对桁架重量和整体重量的影响结构体。 此外，这是为了研究桥梁的成本数据突出在财务方面最有效率的解决方案。

2桥梁模型细节

2.1布局

本文中提到的简单支持的贯穿桁架钢桥梁Pratt桁架配置，导致对角构件的张力

在垂直加载下。所以调查了三个不同的跨度。原理图在图1和图2中给出了具有一个和两个行车道的桥梁的表示区别。桥梁的典型横截面及其几何形状特性，如图所示。应该指出，路面存在道路的一侧和另一侧的车辆护栏。之间的跨度桁架的垂直构件为40m和50m跨度为2.5m，3m为60米跨度。此外，顶弦由直杆构成，连接在抛物线上。第一垂直构件的高度桁架固定在2m，而桁架的高度在中跨构成形状的优化设计变量，如第2.4节所述。跨度选择垂直桁架构件以限制对角线的角度在35°和65°之间大约减小弯曲长度压缩构件

。

图1：桁架桥的一个车道的模型。

图2：桁架桥两条车道的模型。

图3：一（1）和两（2）个交通车道的桥梁横截面。

应该强调的是，顶部横向支撑不包括在研究中桥梁配置。这种结构通常被称为“开顶”或“半桁架”桥梁[4]。在这样一个系统中，垂直构件和横梁是必要的，为了创建半成品，框架能够抑制压缩顶部的平面外屈曲弦杆。

在优化过程中，不同的横截面被分配到顶部和弦构件，底部和弦构件，对角线构件，纵向构件，跨梁，桁条和底部横向支撑构件。

2.2甲板

本研究考虑了三种不同的甲板类型。首先一项研究是钢筋混凝土（RC）甲板，5 KN / m2自重，第二个是纤维增强聚合物（FRP）甲板，称重1.5 KN / m2和第三个是重量为2.5 KN / m2的钢甲板。对于桥梁分析成本，供应商和代理商的使用率，包括制造，交付，安装和覆盖的成本。

2.3载荷和设计

EN1991-2 [5]规定的交通负荷适用于研究结构。也考虑到EN1991-1-4 [6]的风力作用。所有相关分析由商业软件STAAD.Pro V8i进行[7]，它实现了有限元法（FEM）。钢的设计构件符合EN1993-1-1 [8]的要求和钢桥的EN1993-2 [9]也由相同的软件进行[7]。钢的质量选择为S355。

应该注意的是，所检查的结构是开顶通桁架钢桥梁。EN1993-2 [9]中规定的必要检查顶部和弦的压缩构件的弯曲不由其执行STAAD.Pro V8i [7]。因此，实施了一个附加例行程序Matlab涵盖了EN1993-2 [9]的具体要求。这个例程根据几何形状，配置计算顶部和弦杆半框架，构件的部分等，并且执行必要的充足

检查设计轴向力。

2.4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制约因素。目标优化过程是最小化目标函数。形状优化的桁架是通过选择其在中跨的高度作为设计变量。构件的横截面积构成施胶优化设计变量。欧式标准热轧段根据以下模式选择钢构件：a）顶部和弦杆 - HEA或HEB，b）底部和弦杆 - HEA，c）对角线构件 - HEA，d）垂直构件 - HEB，e）横梁 - HEB，f）桁条 - HEA，g）底部横向支撑构件 - IPE。对于每个循环形状优化过程，选择杆件部分的迭代执行以获得最小重量的桁架，而结构符合符合所有设计要求。流程图如图所示。 4。

图4：优化流程图。

3结果与讨论

40m桥梁的优化过程的结果是指桁架重量（图5）和两个（连续线）的总重量（图6）以及一条（虚线）交通车道。 图中的每一点都是从描绘特定高度的大小优化过程。同样，结果为50m的跨度如图7和图8所示，相关输出L = 60m的情况如图 9和图10所示。

图5：钢桁架重量相对于H - 40m跨度。

图6：桥梁总重量相对于H - 40m跨度

图7：钢桁架重量相对于H - 50m跨度。

图8：桥梁总重量相对于H - 50m跨度。

图9：钢桁架重量相对于H - 60m跨度。

图10：桥梁总重量相对于H - 60m跨度。

在表1中，给出了每个甲板类型的最佳（最小）重量。该把所有研究的桥梁的值都相对于RC卡座案例归一化。

表1：所研究桥梁的最佳重量归功于RC甲板案件。

表1提供了关于甲板类型的影响的有用信息结构体系的重量。 桁架重量的减少是轻微的（8％大约12％），而使用FRP甲板而不是RC。在类似的使用钢甲板的重量减轻幅度在6％至11％之间。相反，甲板类型严重影响了总重量结构体。在FRP甲板的情况下，总重量减少55％观察到的。 对于钢甲板，下降幅度较小但仍相当可观（约40％）。将所得到的最佳高度与跨比在呈现在表2。

表2：研究案例的最佳高度跨度（H / L）比。

从该表可以得出结论，高度跨度之比在1/7之间，而1/10是具有两个交通车道的桥梁的最佳选择，而内部的一个值当考虑一个行车道时，应选择1/8和1/12的范围。此外，形状优化将桁架的重量降低7％至15％是研究的高度范围。

此外，对所检查的桥梁进行了成本分析。 在表3中，介绍了考虑材料的价格。 这应该需要注意的是，对于FRP甲板，价格包括覆盖层的成本。桥梁的估计成本值显示在表4中，目的是将所有值也相对于RC卡座案件正常化。它应该提到的是，所有价值观都包括该机构甲板的初始费用和钢桁架，即制造，交付，安装，覆盖等，而不是未来或维护成本，如在生命周期成本的情况下分析[10]。

表3：供应商提供的材料价格。

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