下最小化结构变形能Uc(mi
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ce),并以此为目标函数。最小化柔度等价于结构刚度的最大化,故实际上经常是以结构整体刚度和自振频率为目标函数。下图是一个V=60的例子,其中图a表示载荷和边界条件,图b则以密度云图形式绘制的拓扑结果。
图5体积减少60的拓扑优化示例
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f图6大海带桥锚碇
将拓扑优化的方法应用于桥梁造型的研究中,特别是对于桥塔,锚碇,墩台这些能够强烈的表现出力感,同时又对造型要求很高的构件来讲是非常有意义,也是非常必要的。
图7是初步设想的对桥塔进行拓扑优化的示意图,其中图a为塔顶两个荷载的情况,类似典型悬索桥(图c)的情况;图b为塔顶一个集中荷载的情况,类似斜拉桥倒Y型桥塔(图d)的情况。拓扑优化中以不同的挖空率为约束条件,以最大刚度或最大基频为目标,按不同的荷载和约束情况进行分析。需要指出的是,拓扑优化的结果不可能是最终的设计,它还必须经过设计师创造性的工作才有可能应用于成功的桥梁设计。
a
b
c
d
图7桥塔拓扑优化示意
34利用弯矩特点优化桥梁造型利用弯矩特点优化桥梁整体或主体构件也是桥梁造型设计中常用的方法,但这一方法不能偏激的理解为结构形式应该和弯矩图保持完全一致。对于简支梁的受力特点,人们提出了鱼腹梁的形式。但由于这种结构形式只是对弯矩图的简单模仿,并没有从造型和人性化的角度去加以升华,因而渐渐销声匿迹了。
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f图8是一个处理比较好的例子,即利用了梁的弯矩特点又使形式上亲切轻快。
图8利用弯矩特点设计主梁造型
三、进行全寿命周期经济性分析的桥梁示例
31实桥示例之一丹麦CFRP人行斜拉桥大跨桥梁在主体结构中经常使用缆索体系来跨越江河,包括各种系杆拱桥、斜拉桥和悬索桥。缆索(拉索或吊杆)一般布置在梁体外部,且处于高应力状态,对锈蚀等外界侵害比较敏感。因此,拉索状态直接关系到桥梁的使用寿命和使用性能,是缆索承重桥梁的生命线。国内近年来先后有多座桥梁的拉索(或吊杆)因为耐久性不足而更换,经济损失巨大。为保证拉索的耐久性,除了加强防护措施外,如能采用耐久性和疲劳性都很优秀的CFRP筋可望从根本上解决这一问题。尽管CFRP桥梁在技术、安全和适用性上是可行的,并且较现有钢材具有一些独特的优势,但是CFRP桥梁要得到进一步发展还必须在经济上具有可行性。需要注意的是科学的经济性评估应是基于桥梁全寿命周期的经济性(包括建设投资、后期运营维护投资等),而不仅限于初r