桥梁结构中桥板与墩柱连接部分的优化案例。

作者：刘钦，王朗，吴辰，陈仲，陈彪。

指导老师：徐兵。

【1】 技术背景：

本次设计的结构是桥板与墩柱的连接部分，应用背景为桥梁工程。在应用过程中，桥梁整体会承受车辆荷载，自重荷载以及风荷载，还会受到温度湿度，人为因素的影响。在本次设计中，主要考虑车辆荷载和自重荷载，的作用，所以桥会因为水平荷载和竖向荷载产生压弯现象，墩柱会产生轻微的弯曲。常规设计根据既有规范对结构进行设计，但是这种设计往往不考虑结构用料，造成一定程度的浪费。为了更好的优化结构受力及结构传力性能，本案例对结构进行优化设计。

【2】 模型资料：

本次分析模型针对桥梁结构的桥墩其中的一部分，即桥板与墩柱的连接部分，其模型尺寸见下图

模型使用中承受车辆荷载，自重荷载，风荷载荷载作用，分别作用在结构桥板和墩柱的位置。

 

【3】 建模及分析过程：

1.模型建立：

比例为1:10，单位m。

首先打开软件,点击几何下的矩形选项，建立长0.1m，宽0.01m的矩形四个，同时以四个矩形的三条交线为中心，使用点/线建立三个上底长0.04m,高0.03m，下底长0.02m的矩形。然后使用推拉，整体拉出0.03m，形成桥板和连接部分，再使用分割将四块桥板与三个连接部分分别分割，再次使用推拉，将桥板两侧各拉出0.01m。使用以中心和点绘制圆，在三个连接部分底部分别画出两个直径0.08m的圆，使用推拉，拉出0.05m的墩柱，在使用分割，分割墩柱与连接部分。右击连接部分，设置为设计空间。

2. 荷载及边界条件

在桥板上面添加20000Pa的均布荷载，右侧添加1900N的集中荷载，同时左右两侧加上0.001m的位移约束。墩柱也受到1900N的集中荷载，同时在墩柱底面加上固定约束。

3. 荷载作用下结构的受力云图及变形云图

 

 

 

【4】 优化参数设定

为了更好的优化模型使模型的结构更加节约材料，对模型进行了拓扑优化，优化控制参数为设计空间的总体积

【5】 优化结果

经过计算优化结果如下：

设计空间的总体15%：

设计空间的总体积25%：

 

设计空间的体积35%:

 

 

设计空间的总体积50%:

 

 

为了更加合理的使用，并给结构一定的安全储备，选择设计空间的总体积的65%为最终优化结果进行优化设计。

最终设计