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原文传递高强钢-混组合梁力学行为分析及结构优化研究

论文题名：	高强钢-混组合梁力学行为分析及结构优化研究
关键词：	组合梁桥;高强材料;混凝土;结构优化;受力性能;遗传算法
摘要：	随着交通的不断发展和高强材料的持续突破，面对低碳环保的社会需求，高强建材将逐渐取代传统低强度建材，成为桥梁建设的主要材料类型。鉴于钢-混凝土组合桥梁具有充分发挥材料强度的受力优势，本文将高强材料应用于组合桥梁中，在国家自然科学基金“山区装配式混合结构桥梁的设计理论与智能化建造方法”（U20A20312）的资助下，开展高强钢混组合桥梁力学行为分析和结构设计优化研究。建立了高强钢混组合梁的基本结构和数值分析模型，开展了多种材料强度组合时高强钢混组合梁静力及动力分析，提出了针对高强组合梁结构优化的改进自适应遗传优化算法，得到了20~50m跨径高强钢-混组合梁桥经济优化设计方案，最后开展了某组合梁桥工程的高强材料结构优化案例研究。主要工作及研究成果如下：　　（1）建立了高强组合梁数值分析模型并由试验验证了其可预测性。设计了钢板-混凝土高强组合梁结构形式，开展了不同高强材料组合梁的单调静力加载下全过程力学行为分析，并基于塑性理论定量评价了不同强度组合时的高强组合梁材料使用效率。结果表明：提高钢梁强度可有效提高组合梁承载能力，有利于提高材料使用效率，但会降低结构延性；提高混凝土强度会较低幅度增加组合梁承载能力和延性，但降低了材料使用效率。综合分析认为C60混凝土和Q550及以下强度钢梁的组合具有较好的延性和材料使用效率，可根据实际工程承载力设计要求合理提高或降低材料强度。　　（2）开展了不同高强材料组合梁的低周反复荷载下动力性能研究，得出：钢材强度越高，组合梁滞回环越丰满，但耗能能力越差；相比Q460钢组合梁，采用Q690钢的组合梁耗能系数减小了17.3%，钢材强度每提高一级，平均刚度降低了1%~2%；随着混凝土强度提高，组合梁的滞回曲线变化不明显，且上、下加载时的刚度退化速率基本保持一致，耗能系数在每级之间增幅不足1%。当桥梁耗能要求较高时，应考虑高强度钢材的不利影响。　　（3）基于遗传优化算法理论，提出了适用于高强组合桥梁结构设计的改进自适应遗传优化算法，采用经典测试函数验证了改进自适用遗传算法的可行性和高效性。以规范构造设计要求、挠度限值及高强材料设计强度作为约束条件，以桥梁造价最低为优化目标，构造单目标多约束的高强组合梁桥结构设计优化模型。　　（4）基于Python编译改进遗传算法与ABAQUS脚本交互方式，完成20~50m跨高强组合梁桥结构设计优化。优化后各跨径高强组合梁桥的最不利挠度和钢梁应力接近约束限值，表明高强组合梁同时受刚度和强度控制设计；钢梁腹板厚度和高度随跨径增加呈线性递增关系，下翼缘宽和板厚分别为 320~500mm 和25~40mm，上翼缘宽和板厚基本为规范构造最小值；混凝土板厚为190~220mm。　　（5）开展某45m跨径组合梁桥结构优化算例，表明：结构优化设计高强组合梁桥相较于优化前普通材料组合梁桥实例，造价降低了19.8%，结构自重减小了22.4%，验证了本文改进的自适应遗传优化算法的适用性和可靠性。
作者：	杨玉星
专业：	土木工程
导师：	范亮
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2023