水面上方桥墩结构的优化案例

【1】 技术背景

本次设计针对水面上部桥墩的结构，应用背景为桥梁工程。结构应用过程中承受车辆通行出现的移动荷载，桥面自重产生的竖向均布荷载及连接处的水平荷载共同作用，不断变化的风荷载，以及水流对地面桥墩的冲击力产生的弯矩扭矩等荷载作用，此时桥墩会产生微小的压弯及扭转变形。而通常情况下，我们根据普通规范所做的设计，并不会对结构用料进行过详细的考虑。但为保证桥梁的安全使用，结构用料往往会溢出，从而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

模型使用中承受来自固定方向的风荷载，对桥面向风的产生的均布荷载荷载作用，桥梁两端会有连接压力，同时也会的对桥整体产生一定的扭矩作用，水中桥墩部分会有来自水流的冲击力作用，以及最重要的来自桥自重产生的压力和其上方的车辆产生的移动荷载作用，分别作用在桥板的侧面位置和正上方位置，桥墩正前方以及桥墩底部位置等。

本次分析模型针对结构的桥墩部分，其模型见下图CAD的三视图：

 

                                           图一

 

                                                     图二

 

                                                图三

    在上方的模型三视图中，按照了1：100的比例进行缩小，采用1200*160*30（mm）的桥板，四角为中间是40*40*100的正方体加底面是半径为28.3高30的圆柱体的桥墩，桥梁中间是用一个0.5*60*40*130的菱形四棱柱，窄向朝前。

 

【3】 建模及分析过程

 

1. 模型

具体模型及其受力状态如下方所示：

 

                                                                      图四

 

2.荷载及边界条件

    对于上方的自重及移动荷载，采取1000KPa的均布荷载代替，以正前方为风所吹来的方向正向风荷载为100KPa，后方柱子稍有减弱，为50KPa，两侧方受500KPa的压力及5000N·m的扭矩组合，下方圆柱桥墩受5000N的水流冲力作用。

 

3.  荷载作用下结构的受力云图及变形云图

受力云图：

 

                                                           最大切应力

 

                                                           第一主应力

 

                                                            第三主应力

 

变形云图：

 

                                                            拉伸/压缩变形

 

                                                           位移

 

【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总体积的35%、40%、45%，厚度约束最小为0.030114 m。

【5】 优化结果

经过计算优化结果如下：

35%：

 

 

40%：

 

 

45%:

 

 

为了更加合理的使用，并给结构一定的安全储备，选择40%为最终优化结果进行优化设计。

 

【6】 最终设计

 

经过优化后 ，对结构的形式进行如下设计给出相应的结果图：