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波形顶板-UHPC组合桥面板优化设计

张清华 程震宇 廖贵星 卜一之 李乔

张清华, 程震宇, 廖贵星, 卜一之, 李乔. 波形顶板-UHPC组合桥面板优化设计[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(4): 670-678. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.002
引用本文: 张清华, 程震宇, 廖贵星, 卜一之, 李乔. 波形顶板-UHPC组合桥面板优化设计[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(4): 670-678. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.002
ZHANG Qinghua, CHENG Zhenyu, LIAO Guixing, BU Yizhi, LI Qiao. Optimal Design of Corrugated Steel Deck Plate-UHPC Layer Composite Deck[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(4): 670-678. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.002
Citation: ZHANG Qinghua, CHENG Zhenyu, LIAO Guixing, BU Yizhi, LI Qiao. Optimal Design of Corrugated Steel Deck Plate-UHPC Layer Composite Deck[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(4): 670-678. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.002

波形顶板-UHPC组合桥面板优化设计

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2018.04.002
基金项目: 

"十二五"国家科技支撑计划资助项目 2011BAG07B03

国家自然科学基金资助项目 51778533

湖北省交通运输厅科技项目 2017-538-2-4

国家自然科学基金资助项目 51378431

国家自然科学基金资助项目 51178394

国家自然科学基金资助项目 51578455

详细信息
    作者简介:

    张清华(1975-), 男, 博士, 教授, 博士生导师, 研究方向为钢结构与钢-混组合结构桥梁, E-mail:swjtuzqh@126.com

  • 中图分类号: U441.4

Optimal Design of Corrugated Steel Deck Plate-UHPC Layer Composite Deck

  • 摘要: 为解决正交异性钢桥面板的疲劳问题,从其根本原因和提高其抗疲劳性能的基本途径出发,提出一种新型波形顶板-UHPC(超高性能混凝土)组合桥面板结构体系.确定影响新型桥面板受力特性的主要参数及其合理取值范围,使用基于BP(back propagation)神经网络的优化设计模型对结构进行优化设计,就所优化的结构尺寸进行疲劳性能测试.研究结果表明:该结构能大幅减少桥面板结构中的几何构型不连续部位数量和焊缝数量,显著提高顶板局部刚度;波形钢板高度、顶部和底部水平段宽度是结构受力性能的重要影响参数;基于BP神经网络的优化设计模型适用于该类桥面板结构的优化设计,最大误差为4.4%;新的结构体系具有良好的疲劳性能,疲劳寿命超过200 a,为正交异性钢桥面板的疲劳问题提供了较好的综合解决方案.

     

  • 图 1  波形顶板正交异性钢板-组合销-UHPC组合桥面板的构思

    Figure 1.  Conceptual design of corrugated steel deck-composite dowel-UHPC orthotropic composite deck structure

    图 2  波形顶板-UHPC组合桥面板

    Figure 2.  Corrugated steel deck plate-UHPC layer composite deck

    图 3  结构的三维有限元分析模型

    Figure 3.  3D finite-element model of subject under investigation

    图 4  力学特性指标和关键参数间的关系

    Figure 4.  Relationship between mechanical properties and key design parameters

    图 5  关注的疲劳细节位置

    Figure 5.  Location of the focused fatigue-prone detail

    图 6  标准疲劳车(单位:m)

    Figure 6.  Standard fatigue load (unit: m)

    图 7  关注的疲劳细节热点应力横向分布

    Figure 7.  Transverse hot spot stress of focused fatigue-prone details

    图 8  D2疲劳细节热点应力历程

    Figure 8.  Hot spot stress history of D2

    表  1  考察点位置汇总表

    Table  1.   Inspection positions in the structure

    符号 位置含义描述 受力状态
    σp1 位置1#处钢板的拉应力 纵向最大正弯矩
    σp2 位置2#处混凝土的拉应力 纵向最大正弯矩
    σp3 位置3#处混凝土的拉应力 纵向最大负弯矩
    σp4 位置4#处钢板的压应力 纵向最大负弯矩
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    表  2  相邻指标相对重要程度rk赋值表

    Table  2.   Reference table of rk valuation

    rk 说明
    1.0 指标xk-1与指标xk具有同样重要性
    1.2 指标xk-1比指标xk稍微重要
    1.4 指标xk-1比指标xk明显重要
    1.6 指标xk-1比指标xk强烈重要
    1.8 指标xk-1比指标xk极端重要
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    表  3  单目标优化结果

    Table  3.   Single objective optimal results

    序号 h1 b1 b2 b3 单目标函数值
    1 90 140 80 130 0.256 7
    2 90 140 80 140 0.257 1
    3 90 140 80 120 0.258 4
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    表  4  拟合值与有限元值误差对照

    Table  4.   Comparison between fitted and finite element values

    序号 考察点 拟合值/MPa ANSYS值/MPa 误差/%
    1 σp1 28.20 27.95 -0.89
    σp2 6.60 6.58 -0.30
    σp3 -27.39 -27.19 -0.73
    σp4 5.42 5.25 -3.14
    2 σp1 28.92 29.47 1.90
    σp2 6.85 6.95 1.46
    σp3 -28.12 -28.65 1.88
    σp4 5.50 5.46 -0.75
    3 σp1 27.50 28.26 2.76
    σp2 6.37 6.65 4.40
    σp3 -26.75 -27.78 3.85
    σp4 5.36 5.44 1.59
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    表  5  疲劳寿命评估

    Table  5.   Evaluation on fatigue life

    疲劳细节 D Y/a
    D2顶板焊趾处 0.000 016 2 >200
    D2横隔板焊趾处 0.000 005 7 >200
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  • 收稿日期:  2016-10-21
  • 刊出日期:  2018-08-01

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