24m铁路简支梁优化设计

24m铁路简支梁优化设计

在铁路桥的梁中，t梁结构简单，制作、运输和维护方便，成本低，因此在国内外长距离铁路和客运线路上仍被广泛使用。在中国秦沈客运线路的12.16m宽梁中，采用了由桥面板和横向板组成的整体多片式混凝土t梁。日本和日本的主要铁路走廊走廊采用上述类型的多片式混凝土t梁。在西班牙，200km以上的设计速度和t梁启超也被采用。本文就是以24m铁路简支T梁为例,用大型有限元软件ANSYS进行优化研究及参数分析。1优化设计工艺结构优化设计是近二十多年发展起来的一门新技术,是结构设计上的一次质的飞跃,与传统的设计相比,用优化设计可以使土建工程造价降低5%～30%。结构优化设计主要由三部分组成:目标函数、设计变量和约束条件。1.1目标函数对象函数目标函数是优化设计中设计变量的函数,其大小是随设计变量的改变而改变的。本文选取24m简支T梁的总体积为优化设计的目标函数。1.2设计变量的选取设计变量是优化设计中不断调整赋值的设计变量参数,在设计中可以根据具体需要规定设计变量的取值范围。本文采用24m简支T梁的顶板高H6、腹板高H3、底板高H1、腹板厚W3、底板宽W4,以及预应力钢筋的面积AREA作为设计变量。1.3约束条件的选取约束条件是设计中需要满足的条件变量,也是设计变量的函数本文用混凝土的抗拉强度抗压强度以及简支梁的最大挠度作为优化设计的主要约束条件。2参数化建模2.1预应力筋及配筋本文以24m铁路简支T梁的跨中截面为研究对象,不考虑普通钢筋影响,预应力筋选用75钢绞线,在建模中采用直线配筋。截面形式见图1。为方便优化运算,本设计对T梁的上表面施加面荷载(二期恒载+活载)。其中二期恒载的面荷载为39.09/1.7=22.994kN/m2.2桥梁工程中的应用ANSYS单元库中的solid45非常适用于分析三维实体模型结构分析,该单元具有塑性、徐变、膨胀、大挠度、大应变等性能,可以建立完整的结构分析体系,可以得到详尽、可靠的分析结果;而link8单元是三维拉、压杆单元,可以用来模拟桁架杆、斜拉索以及预应力钢筋等,在桥梁工程中应用较为广泛。所以进行建模时选用solid45来模拟混凝土单元,选用link8来模拟预应力筋单元。2.3预应力锚外自适应的变化值建模时,用降温法模拟预应力筋的预应力,预应力所对应的温度变化值用ΔT=σ/(Eα)计算。其中σ表示预应力锚外控制应力;E表示预应力钢筋的弹性模量;α表示预应力钢筋的线热膨胀系数。本次设计中,ΔT=σ/(Eα)=333.85℃。2.4横向叶片的工作性能本文主要研究T梁在对称荷载作用下的工作性能,故建模时没有考虑横隔板对梁的工作性能的影响。根据上述单元的选用,建立24m简支T梁的有限元模型并划分网格,由于结构对称,这里只给出半实梁单元划分示意图(见图2)。3优化结果及参数分析3.1优化结果分析本文用ANSYS的零阶方法进行优化,主要采用了随机搜索法、子问题法。优化前后的结果见表2所示。由以上24m简支T梁的优化前后结果对比,可以得出:1)24m简支T梁经过优化后,其材料的抗拉强度、抗压强度、跨中最大挠度均小于容许值,所以优化结果是可行的。2)将优化前后的24m简支T梁的梁高进行比较,后者是前者的85.5%;而优化后的高跨比是1∶13.7,满足铁路预应力混凝土桥设计要求3)对于T梁的下部结构,主要是由构造要求限制,即与预应力筋管道数和预应力钢筋的面积有很大关系。优化后,24m简支T梁的预应力筋面积明显减少,可以考虑减少预应力筋管道数,这样更有利于减少T梁下部结构的面积。4)本次优化以T梁的总体积(混凝土体积+预应力钢筋体积)为目标函数。对于T梁总体积,预应力筋占的比例很小,可忽略两者的单价差对T梁造价的影响,所以体积的减少即为造价的降低。由表2可以得出,优化后的梁体积是优化前的74.8%,因此优化结果具有显著的经济效益。3.2板宽w4对梁体积的影响本文采用乘子法对各优化变量进行分析。乘子法是一个统计工具,用来生成由各种设计变量极限值组合的设计序列,可以用这种方法来显示各设计变量对于状态变量和目标函数的影响由图3可以看出,对于最大挠度,主要影响因素是腹板高H3和预应力筋面积AREA,而底板高H1和底板宽W4对其的影响是微乎其微的。所以要想减少简支T梁的跨中最大挠度,可以用增大预应力筋面积和腹板高的方式来实现。由图4可以看出,对于梁总体积,其中除了预应力筋面积AREA和底板宽W4对它的影响比较小外,其余设计变量对梁体积的影响都是比较均匀的所以继续研究以体积为目标函数的简支T梁优化问题,就要选取腹板高、腹板厚、顶板高、底板高都合理的优化序列。由图5可以看出,对混凝土压应力影响比较大的因素是T梁各个部位的高度,如:底板高H1、腹板高H3、顶板高H6;预应力筋面积AREA对压应力产生的是负影响。由图6可以看出,对于混凝土拉应力,影响最大的是预应力筋的面积AREA,其次是腹板高H3。对于一般性能的混凝土,其拉应力都比较小,如C50的抗拉强度标准值仅为2.64MPa。所以,对于简支T梁,要合理控制混凝土拉应力值,就要在众多优化序列中寻找合适的腹板高和预应力筋面积。4t梁有限元模型的优化设计本文通过对24m铁路简支T梁进行基于ANSYS的优化设计,得出如下结论:1)从24m简支T梁的优化结果可以看出,优化后的全梁体积是优化前的74.8%,则T梁造价也会有明显降低。所以将工程结构进行优化设计是很有必要的,特别是对于成批生产的构件,微小的节约所积累起来经济效益是非常可观的。2)本文只用大型有限元软件ANSYS对24m预应力简支T梁进行了优化设计,此方法还可推广到各个跨度的矩形、工字形、箱形、T形截面以及板梁的钢筋混凝土或者预应力钢筋混凝土构件中。3)对于混凝土材料,如果能够使用活性粉末混凝土(Reactive