(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211039780.1 (22)申请日 2022.08.29 (71)申请人 东南大学 地址 210018 江苏省南京市玄武区四牌楼 2 号 (72)发明人 程钊　郑晓峰　林静婷　姚一鸣　 王景全　崔冰　刘高　 (74)专利代理 机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 专利代理师 王美章 (51)Int.Cl. E01D 19/00(2006.01) E01D 19/02(2006.01) E01D 19/04(2006.01) E01D 101/26(2006.01)G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) (54)发明名称 一种四主梁UHPC预制盖梁及其拓扑优化方 法 (57)摘要 本发明公开了一种 四主梁UHPC预制盖梁及 其拓扑优化方法， 所述预制盖梁采用拓扑优化方 法设计， 配置有异形钢筋， 采用超高性能混凝土 进行浇筑， 基于给定的负载情况、 约束条件和性 能指标， 在给定的优化区域内对 材料分布进行拓 扑优化设计， 且利用超高性能混凝土 （UHPC） 超高 抗压强度和超强韧性与延性特点， 实现预制盖梁 轻量化与高性能， 满足预制装配式领域中的一个 重要需求。 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 CN 115369744 A 2022.11.22 CN 115369744 A 1.一种四主梁UHPC预制盖梁， 所述预制盖梁采用超高性能混凝土进行浇筑， 采用拓扑 优化方法设计， 配置有异形钢筋， 其特征在于， 所述盖梁的高度为h， 盖梁顶部 设有四个主梁 支座， 分别是从左往右依次布置的第一主梁支 座、 第二主梁支 座、 第三主梁支 座以及第四主 梁支座， 上述四个主梁支座的中心间距均为D， 间距D是高度h的2.6 6倍； 位于盖梁顶部最左侧的第一主梁支座与盖梁顶部左侧端面的距离是0.09D； 位于盖梁 顶部最右侧的第四主梁支座与盖梁顶部右侧端面的距离是0.09D； 盖梁底部设有一水平段， 所述水平段上左、 右对称布置有两个支承桥墩， 分别是位于盖 梁底部左侧的第一支承桥墩和位于盖梁底部右侧的第二支承桥墩， 两个支承桥墩的中心距 离为2.17D， 第一支承桥墩的中心距所述水平段的左端0.14D， 第二支承桥墩的中心距所述 水平段的右端0.14D； 盖梁顶部 长度为3.18 D； 盖梁的宽度为0.25D。 2.根据权利要求1所述的四主梁UHPC预制盖梁， 其特征在于， 所述盖梁左、 右两侧为以 盖梁中心对称布置的三折线形， 分别 是自梁顶部往下直至0.23h高度位置向梁的中心偏折 13°的第一折线段， 在0.23h～0.56h高度位置向梁的中心偏折40 °的第二折线段以及在 0.56h～0.84h高度位置向梁的中心偏折76 °的第三折线段。 3.根据权利要求1所述的四主梁UHPC预制盖梁， 其特征在于， 所述盖梁中心部位设置有 开孔， 开孔的孔洞上部长度为0.76D， 孔洞下部长度为0.77D， 孔洞高度为0.47h， 孔洞四周分 别倒圆角， 孔洞上部距离 盖梁上表面0.32h， 孔洞下部距离 盖梁下表面0.21h 。 4.根据权利要求1所述的四主梁UHPC预制盖梁， 其特征在于， 所述异形钢筋， 其体积配 筋率为0.48％， 异形钢筋由两 部分组成， 第一部分是长度为D的两段水平钢筋， 在距盖梁上表面0.02h处关于盖梁竖直中轴线对 称布置； 第二部分异形钢筋位于第一部分的下 方， 且关于 盖梁竖直中轴线对称， 包括： 第一水平段， 位于第二部分异性钢筋中间， 第一水平段长度为1.2D， 距盖梁下表面 0.02h， 所述第一水平段分别向盖梁的左、 右两侧延伸， 延伸段均由三段组成， 依次为： 水平投影长度0.27D、 竖直投影高度0.86 h的斜向上折线段， 长度为0.28 D、 距盖梁上表面0.02h的第二水平段； 水平投影长度0.3 5D、 竖直投影高度0.43 h的斜向下折线段。 5.根据权利要求1所述的四主梁UHPC预制盖梁， 其特征在于， 所述UHPC材料， 抗压强度 在120MPa以上， 抗拉强度8MPa以上。 6.一种基于权利要求1～5 中任一所述 四主梁UHPC预制盖梁的拓扑优化方法， 其特征在 于： 包括以下步骤： 步骤1： 建立UHPC材料本构关系及指标体系， 面向拓扑优化密度法所要求的连续体材料 特征， 提出UHPC材 料本构模型， 提出相适应的UHPC材 料指标体系； 步骤2： 建立有限元模型： 将UHPC材料本构模型导入有限元分析软件， 根据 步骤1的UHPC 材料本构关系及指标体系进行材料属性赋值， 进 行网格划分、 设置边界条件并施加荷载， 完 成有限元模型 前处理的设置； 步骤3： UHPC预制构件拓扑优化设计： 以盖梁初始模型为优化区域， 优化过程中考虑四权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115369744 A 2主梁在多种荷载工况下 的共同作用， 并考虑预制装配工艺要求， 在沿盖梁长边方向和垂直 于盖梁长边方向施加对称约束， 基于45 °应力扩散角， 确定在 主梁支座下方0.5B的区域和两 个桥墩正上方0.5W的区域使用冻结方法， B为支座宽度， W为桥墩直径， 控制拓扑优化算法， 以优化区域应 变能最小化 为优化目标， 优化目标函数如下： 式中， 为各种荷载工况 下优化区域的应 变能； wi为各种荷载工况的权 重系数， 经过多次迭代 尝试， 以计算稳定性高、 避免应力突增为目标， 取优化区域中应变能最小 的百分之五的单元， 优化过程中每次通过迭代计算逐步去除优化区域中应变能最小的百分 之五的单元， 以盖梁最大应力值为约束条件， 受传统钢筋混凝土盖梁重量、 公路运输条件、 吊装设备起 吊重量限制， 确定降低体积30％重量为合理优化 目标， 即当盖梁最大应力值达 到初裂应力或模型体积低于初始模型 的70％时计算终止， 输出盖梁拓扑优化模型； 将拓扑 优化模型导入三 维机械设计软件中， 根据拓扑优化模型上的开孔位置、 形态与 尺寸， 对拓扑 优化模型进行重构， 将其设计为 开孔的拓扑 结构模型； 步骤4： 盖梁异形钢筋设计： 对拓扑优化结果进行后处理， 重构数值分析几何体， 导出主 拉应力迹线， 依据主拉应力迹线分布， 确定异形钢筋形状； 对 各主梁处盖梁截面主拉应力进 行求和， 计算得 出截面拉力， 除以钢筋屈服强度得到所述异形钢筋的面积； 步骤5： 拓扑优化盖梁强度校核； 步骤6： 输出满足 强度要求的拓扑优化UHPC 盖梁模型。 7.根据权利 要求6所述的四主梁UHPC预制盖梁的拓扑优化方法， 其特征在于， 步骤1中， 所述UHPC材 料本构模型为拉压线弹性模型； 所述UHPC材料指标体系包括： 弹性模量45000MPa、 初裂应力8MPa、 初裂应变0.0002和最 大允许拉应 变0.003。 8.根据权利 要求6所述的四主梁UHPC预制盖梁的拓扑优化方法， 其特征在于， 步骤2中， 根据盖梁与桥墩力学关系设置边界条件， 具体为： 盖梁与桥墩接触面域采用耦合约束， 控制 点设置于接触面域几何中点处， 控制点处平动自由度与转动自由度均进行约束； 根据主梁对盖梁的荷载作用情况施加荷载， 具体为： 考虑桥梁上部结构自重、 车辆荷 载、 车道荷载多种荷载， 基于荷载横向分布系数在不同工况 组合情况下， 计算各主梁对盖梁 顶部施加的荷载。 9.根据权利 要求6所述的四主梁UHPC预制盖梁的拓扑优化方法， 其特征在于， 步骤5中， 所述拓扑优化盖梁强度校核是将设计好的拓扑优化盖梁导入到通用有限元分析软件中对 盖梁在桥梁正常使用状态和承载能力极限状态下的多种荷载工况下进 行应力分析， 如果盖 梁最大应力在所有工况下均低于盖梁材料的强度， 则进入制造环节， 否则改变步骤3中拓扑 优化约束条件参数， 重复步骤3 ‑4， 直到盖梁强度满足要求。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115369744 A 3