铝合金桥面板合理断面型式拓扑分析和优化.docx

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铝合金桥面板合理断面型式拓扑分析和优化

铝合金桥面板合理断面型式拓扑分析和优化

作者：

刘志文辛亚兵陈政清

来源：

《湖南大学学报·自然科学版》2010年第01期

        摘要:

在简要综述铝合金桥梁桥面板结构形式的基础上,利用ANSYS拓扑技术进行铝合金桥梁桥面板结构形式的拓扑优化分析,得到铝合金桥面板的概念模型;考虑铝合金桥面板的强度和刚度要求以及铝合金挤压生产能力,设计了两种铝合金桥面板;并对所设计的两种铝合金桥面板细部尺寸进行了优化分析。

研究表明,采用ANSYS拓扑得到的铝合金桥面板具有足够的刚度,可以满足公路桥梁荷载的要求;不同荷载工况下两种铝合金桥面板的整体刚度比较接近,无竖向支撑的铝合金桥面板的刚度要略大于有竖向支撑的铝合金桥面板。

        关键词:

铝合金桥梁,铝合金桥面板,有限元分析,拓扑优化

        中图分类号:

U443.35文献标识码:

A

        TopologyAnalysisandOptimizationonReasonableCross-sectionof

        AluminumAlloyBridgeDecks

        LIUZhi-wen1†,XINYa-bing1,2,CHENZhen-qing1

        （1,WindEngineeringResearchCenter,CollegeofCivilEng.HunanUniv.,Changsha,Hunan410082,China

        2,HunanHighwayAdministration,Changsha,Hunan410002,China）

        Abstract:

Onthebasisofbrieflyreviewofaluminumalloybridgesdecks,theconceptmodelofaluminumalloybridgedeckwasobtainedbytopologyoptimizationtechnologyofANSYS.Consideringthestrengthandstiffnessrequiredandextrusionproductioncapacityofthealuminumalloydecks,twokindsofaluminumalloydecksweredesigned,andthedetailedsizesofthetwokindsofaluminumalloydeckswereoptimized.TheresultsshowthatthestiffnessofaluminumalloydecksobtainedbytopologyoptimizationtechnologyofANSYScansatisfytherequirementsofhighwaybridgeloads.Theglobalstiffnessofthetwokindsofaluminumalloydecksunderdifferentloadscasesisclosedwitheachother,andthealuminumalloydeckwithoutverticalwebsislightlystifferthanaluminumalloydeckwithverticalwebs.

        Keywords:

aluminumalloybridge,aluminumalloydeck,FEManalysis,topologyoptimization

        铝合金具有重量轻,强度高,耐腐蚀等优点,在航空、汽车、船舶、建筑及桥梁结构中具有广泛的应用空间[1~5]。

铝合金在桥梁中的应用可以最早可追溯到1933年美国匹兹堡Smithfield街桥采用铝合金桥面板替代原有的“钢主梁+木桥面板”,使全桥恒载重量减少675吨,车辆承载力从4.5吨提高至16吨,并提高了桥梁的耐久性[6,7]。

第一座全铝合金结构桥梁是1950年建成的位于加拿大Arvida跨越Saguenay河的一座拱桥,主跨为88.4米,矢高为14.5米,矢跨比约为1/6,桥梁总长为153米,桥宽为9.75米,是世界上最大跨度的铝合金桥梁,目前仍在使用。

随后在1958~1963年间,由于美国大规模建设洲际高速公路,钢材的价格以及后期维护成本较高,尽管铝合金结构的价格比钢材要贵,但考虑到其施工、安装以及维护费用都比钢要低,在桥梁设计中有多座桥梁采用了铝合金结构。

如位于Iowa洲DesMoines的I-80州际公路上的CliverRoad桥,为第一座全焊接的铝合金桥梁,为4跨连续梁,桥梁总长为67米,桥宽为10.97米,主梁为两片“工”字梁、横撑以及其上的钢筋混凝土板组成的铝合金结合梁。

随后在美国、英国、德国、瑞典等修建了大量的铝合金桥梁,截止2007年底全世界已建成的铝桥梁约350座。

在进行铝合金桥梁结构建设的同时,关于铝合金桥梁结构的研究也受到许多学者关注[8],[9],[10]。

作为铝合金桥梁结构的主要受力构件,铝合金桥面板合理断面形式一直是铝合金桥梁结构研究的关键。

        1铝合金桥面板结构形式

        早期铝合金桥梁主要采用“铝合金板+混凝土桥面铺装”系统,如美国匹兹堡Smithfield街桥采用的就是这种桥面板。

20世纪60年代初期,由于铝合金挤压工艺的逐渐成熟,铝合金挤压型材开始应用到铝合金桥面板系统中,即“铝合金挤压型材+轻质混凝土”组成的桥面系统,该桥面系统是由美国的Fairchild公司开发,故称为Fairchild桥面系统,如图1所示。

美国纽约Sunrise高速公路上的两座高架桥采用了Fairchild桥面系统。

1958年GeorgioBaroni在Fairchild桥面系统的基础上研究开发了新的铝合金桥面系统,将多块抛物线形铝合金板件焊接在一起形成铝合金桥面板,底部不设铝合金板,直接放置在支座上,如图2所示。

美国阿拉巴马州的BigWillsCreek桥和佛吉尼亚州彼得斯堡的Appomattox河桥都应用了此类桥面板系统。

美国在20世纪70年代中期研究了一种适用于公路桥梁的主梁系统,如图3所示为“I型铝合金+轻质混凝土”桥面板系统示意图。

主梁为铝合金工字型挤压型材,行车道板为轻质混凝土板。

这种桥面板经常应用于替代桥的钢桥面系统。

主要目的是减轻桥梁自重,提高桥梁承载力。

        20世纪90年代,随着铝合金挤压工艺完善,以及铝合金桥梁研究的进步,出现了新的铝合金桥面板型式,如图4所示的瑞典SAPAFRONT主梁系统,铝合金桥面板由多节铝合金挤压构件通过舌槽连接而成,标准节段之间的横向连接为铰接。

另外,出现了美国Alumadeck铝合金桥面系统,该桥面系统与瑞典SAPAFRONT主梁系统类似,唯一的区别是各标准节段横向联系采用了全焊接的方式。

该桥面系统的整体抗弯刚度比瑞典SAPAFRONT主梁系统要强,1996年美国的Corbin桥首次使用了这种桥面板系统。

        综合以上铝合金桥梁桥面板的断面形式可以看出,铝合金桥梁桥面板结构形式的发展具有如下主要特点:

1）由铆接向焊接的发展;2）由构件组合形成主梁向一次挤压成型的发展。

        2铝合金桥面板拓扑分析

        在简要综述铝合金桥梁桥面板结构形式的基础上,考虑铝合金桥梁桥面板的受力特点,采用ANSYS软件对铝合金桥面板结构的横向断面形式进行拓扑优化,得到铝合金桥面板断面的概念模型。

在此基础上设计相应铝合金桥面板断面形式,并对所设计的桥面板进行细部尺寸优化,从而得到受力最优的铝合金桥面板断面。

        结构拓扑优化（TopologicOptimization）的基本概念是:

在给定的设计允许条件、支撑条件、荷载条件下,以所设定的（结构刚度、频率）最大/最小准则为目标函数,通过赋予各单元“伪密度”得到最优的面积分布。

拓扑分析结果一般以结构的体积缩减一定的百分比时,对应结构最小柔度（即最大刚度）相应的面积分布来表示[9],[10]。

        考虑我国公路桥梁主梁断面的实际情况,取铝合金桥面板断面宽度,高度,边界条件为两端简支,在跨中施加分布荷载,拓扑优化区域见图5。

在建立有限元模型时,选用平面八节点单元PLANE82来模拟主梁,主梁单元材料特性定义如下:

弹性模量,密度,泊松比为。

        根据《公路桥梁设计通用规范》（JTGD60-2004）,按公路-I级荷载考虑,单个后轮重为70KN,着地宽度和长度为0.6×0.2m。

拓扑分析时,在跨中范围施加分布荷载,即。

拓扑优化之前的有限元模型如图6所示。

在进行拓扑优化过程中,定义结构柔度最小（即刚度最大）为目标函数,体积缩小率为约束函数,分别设体积缩小率分别为50%、65%。

图7所示为两种情况下铝合金桥面板拓扑分析结果。

根据以上拓扑优化所得的铝合金桥面板断面概念模型可知,当铝合金桥面板断面形式具有三角形空腔形式的截面时具有比较大的刚度。

基于这一概念,可将铝合金桥面板断面设计成由顶板、底板、斜撑等组成的三角形空腔型式,如图8所示为铝合金桥面板设计思路。

        a）体积缩减率为50%

        b）体积缩减率为65%

        图7铝合金桥面板断面拓扑优化结果

        Fig.7Topologyoptimizationresultofaluminumalloydecks

        图8铝合金桥面板结构形式概念设计

        Fig.8Conceptdesignofaluminumalloydecks

        3铝合金桥面板设计与分析

        3.1铝合金桥面板断面设计

        根据我国铝合金挤压型材的生产能力,100MN双动正向挤压机单孔可挤型材可生产900×200mm的型材（目前国内还有更大的125MN的挤压机）,设计了两种铝合金桥面板断面形式,分别为305×200mm和274.5×200mm,并考虑了有、无竖直支撑两种情形,如图9所示。

图9-a）挤压型材断面顶板厚10mm,底板厚9mm,竖撑厚5mm,斜撑厚5mm,单位长度挤压型材重为24.44kg/m。

图9-b）所示挤压型材断面顶板厚10mm,底板厚9mm,斜撑厚5.3mm,单位长度挤压型材重为20.54kg/m。

铝合金桥面板由多个铝合金挤压型材构件焊接而成,如图12所示。

两种类型铝合金桥面板外形尺寸为均为2.746×3.66m,重量相等,均为790kg。

鉴于本文主要研究铝合金桥面板合理断面设计问题,在结构分析中暂不考虑焊接、温度等对铝合金桥面板受力性能的影响[10]。

        图9铝合金桥面板挤压型材横断面（单位:

mm）

        Fig.9Crosssectionofthealuminumalloyextrusion（units:

mm）

        a）有竖撑主梁b）无竖撑主梁

        图10两种铝合金桥面板（单位:

m）

        Fig.10Twokindsofaluminumalloydecks（units:

m）