简支波纹钢腹板箱梁桥腹板几何参数优化分析.pdf

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1、第1期(总第144期)2010年2月中回千放工稚CHlNAMUNICIPALENGINEERINGNo．1(ser．aINo．144)Feb．2010简支波纹钢腹板箱梁桥腹板几何参数优化分析杨彩红(中国恩菲工程技术有限公司广州设计院，广东广州510640)摘要：建立波纹钢腹板箱梁桥空间有限元模型，采用ANSYS参数化设计语言(APDL)对钢腹板的尺寸参数进行优化分析，使之受力最合理，材料最经济。结果表明，目标函数在前面的几次循环中，波动较大，但随着循环次数的增加，目标函数呈逐渐减少趋势，并趋于极小值；设计变量及状态变量随着循环次数的增加，在前儿

2、次循环中波动较大，尔后在一定范隔内变化，并趋于稳定，接近目标函数达到极值时的相应取值。优化分析，达到了结构在满足规范要求的前提下，材料用量最省。关键词：桥梁工程；组合箱梁桥；波纹钢腹板；中图分类号：U448．21文献标识码：A优化设计：有限元分析文章编号：1004—4655(2们O)01一0021—03波纹钢腹板箱梁桥是20世纪80年代出现的一种新型桥梁。它用波纹钢腹板代替混凝土腹板．使结构自重减轻25％。30％IlJ。提高了跨越能力。波纹钢腹板在纵向可以像手风琴一样自由变形，减小了徐变、干燥收缩、温差等的影响。如果采用波纹钢板作为腹板，具有较

3、强的抗剪强度。结构的耐久性好：采用体外预应力工序简单。易于更换，方便维护与补强；施工简便，缩短了工期。由于影响波纹钢腹板受力性能的因素众多，所以对各种参数在满足材料强度、结构稳定等规范要求的条件下．进行最佳组合．以达到对结构的优化设计．1优化的目的和基本原理优化分析在结构工程中的适当应用可以在一定程度上降低工程的费用。根据已有的T程经验看．与传统的设计相比。优化设计可以使工程总造价降低5％一30％【2一引。设计人员把工程实际问题转化为优化模型．将有限元分析技术与优化设计方法结合起来．就可以利用相关计算方法在较短的时间内完成优化设计。1．1采用A

4、NSYS软件进行优化分析的三大要素【4-5】1)目标函数(OBJ)。就是最终的优化目的。它必须是设计变量的函数(即目标函数随设计变量的改变而改变)，且在一次优化过程中．只能设定一个目标函数(即目标函数必须唯一)。目标函数的选取对优化结果的优劣至关重要。其选取主要依靠经验。2)状态变量(约束条件)(SV)。就是整个研究过程中必须始终满足的设计要求．即取值必须服从结收稿日期：2009一ll—06构的力学性能和材料的特性，可以同时指定多个。3)设计变量(自变量)(DesigIlVariables)。就是在优化过程中所选取的变量。优化目标的实现就是要寻

5、求这些变量的最优组合。设计变量的初值和取值范围．应根据工程经验尽量设置在合理范围内。这样有利于加快收敛速度．减少优化设计的运行时间。ANSYS程序提供了两种优化方法：零阶方法和一阶方法。大多数的优化问题都可用这两种方法解决。零阶方法可以处理大多数的工程问题．包括单步运行法、随机法、乘子法、最优梯度法、扫描法和子问题法：一阶方法使用因变量的一阶偏导数，更易获得局部最小值。精度较高．但占用机时较多，且对不存在一阶偏导数的目标函数不适用。1．2优化设计步骤1)建立优化分析文件。包括参数化建模(／PREP7)；加载与求解(／SOIJU)；提取所需的有限

6、元分析结果。并赋值给状态变量(SV)和目标函数(OBJ)(／POSTlor／POST26)。2)建立优化控制文件。包括进入优化设计模块，指定优化分析文件：声明优化变量，选择优化方法，还可使用编好的外部优化程序：指定优化循环控制方式：进行优化分析。3)查看和分析优化结果．进而修正设计变量，进入循环。4)查看优化设计序列结果及结果后处理。2钢腹板参数优化分析2．1主要参数一跨径为40m的简支波纹钢腹板箱梁桥。计算跨径L为39．28m：顶板宽为lOm，厚为0．25m；底板21中圄千丛z张杨彩红：简支波纹钢腹板箱梁桥腹板几何参数优化分析2010年第1期

7、宽为5m，厚为0．25m；梁高为^。波纹钢腹板竖向倾角为口，厚度为￡。图l为钢腹板波形尺寸。图l中钢腹板折叠角度为a，g表示一个波长，^。表示波高，6为水平两折点之间的距离．d表示斜长在水平线上的投影长度，d=6·cosof。图1钢腹板波形尺寸图顶、底板和横隔板采用50号混凝土．弹性模量3．5×104MPa，泊松比0．1667，密度2．5×103kg／m3。标准抗压强度．凡=32．4MPa；标准抗拉强度．缸=2．65MPa，设计抗压强度凡=24．4MPa，设计抗拉强度几=1．89MPa。波纹钢腹板采用0345C级低合金结构钢板。弹性模量为2．1

8、×105MPa．泊松比为0．3．密度为7．8×10，kg／m3。节点竖向位移限值为￡／600。基本假定：建模中假设波纹钢腹板与混凝土顶、底板完全同结，