(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 202211039832.5 (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　林静婷　郑晓峰　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. G06F 30/17(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06T 17/20(2006.01) G06F 119/14(2020.01)G06F 111/04(2020.01) (54)发明名称 一种三主梁UHPC预应力盖梁及其拓扑优化 方法 (57)摘要 本发明公开了一种三主梁UHPC预应力盖梁 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； 根据给定的负载情况、 性能指标和 约束条件， 在给定的设计区域对 材料分布进行拓 扑优化设计， 并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5页 附图3页 CN 115525991 A 2022.12.27 CN 115525991 A 1.一种三主梁UHPC预应力盖梁， 其特征在于， 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； 所述盖梁的高度为h， 所述盖梁的顶部设有三个主梁支座， 分别是位于盖梁顶部左侧的 第一主梁支座、 位于盖梁顶部中心处的第二主梁支座和位于盖梁顶部右侧的第三主梁支 座， 其中， 所述第一主梁支座的支座中心与盖梁顶部左侧端面的距离是0.09D， 三个主梁支 座中心间距均为D， 第三主梁支座的支 座中心与盖梁顶部右侧端面的距离是0.09D， 间距D是 高度h的2.6 6倍； 盖梁底部左右对称设有两个水平段， 分别是位于盖梁底部左侧的第 一水平段和位于盖 梁底部右侧的第二水平段， 其中， 在所述第一水平段的底部设有第一支承桥墩， 所述第二水 平段的底部 设有第二支承桥墩， 两个支承桥墩的中心距离为 1.17D； 第一支承桥墩的中心距 第一水平段的左端0.14D， 第二支承桥墩的中心 距第二水平段的右端0.14D； 盖梁顶部 长度为2.18 D； 盖梁的宽度为0.25D。 2.根据权利要求1所述的三主梁UHPC预应力盖梁， 其特征在于， 所述盖梁左、 右两侧设 计为两折线形， 分别是自梁顶部往 下直至0.34h高度位置向梁的中心偏折28 °的第一折线段 以及在0.34h～0.83 h高度位置向梁的中心偏折 48°的第二折线段。 3.根据权利要求1所述的三主梁UHPC预应力盖梁， 其特征在于， 所述盖梁底部位于所述 第一水平段和第二水平段之间为折线形， 依次为水平投影长度0.15D、 竖直投影高度0.35h 的第一斜向上折线 段， 水平投影长度0.16D、 竖直投影高度0.22h的第一斜向下折线 段， 长度 为0.33D的第三水平段， 水平投影长度0.16D、 竖直投影高度0.22h的第二斜向上折线段， 水 平投影长度0.15D、 竖直投影高度0.3 5h的第二斜向下折线段。 4.根据权利要求1所述的三主梁UHPC预应力盖梁， 其特征在于， 所述盖梁配置有预应力 筋， 其体积配筋率为0.48％， 采用1860MPa及以上高强预应力钢绞线， 张拉应力控制为65％ 标准抗拉强度。 5.根据权利 要求1所述的三主梁UHPC预应力盖梁， 其特征在于， 所述UHPC材料的抗压强 度在120MPa以上， 抗拉强度8MPa以上。 6.一种基于权利要求1～5 中任一所述三主梁UHPC预应力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 特征和各向同性材 料特征， 提出UHPC材 料本构模型和相适应的UHPC材 料指标体系； 步骤2： 完成有限元模型前处理的设置， 将与UHPC材料本构模型相适应的有限元模型， 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和网格划分， 参考桥梁服役 环境设置边界条件及施加力学荷载； 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， 优化过程中考虑三 主梁在多种荷载工况下的共同作用， 基于二 维平面模型或三 维实体空间模 型建立初始设计 域， 考虑预制装配的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 于应力扩散角， 确定在主梁三个支座正下方0.8B的区域和两个桥墩正上方0.8W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：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115525991 A 2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， 优化过程中， 经多次迭代尝试， 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， 以降低体积25％重量为优化目标， 即以体 积降低量为75％为目标条件， 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 75％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 上的形态与尺寸， 对拓扑优化模型进行重构； 步骤4： 盖梁预应力筋设计： 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， 计算主拉应力迹线中心位置， 依据主拉应力迹线中心位置确定预应力筋布置 高度， 以各主梁处盖梁 截面主拉应力求和最大值 为预应力张拉设计值； 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所述的三主梁UHPC预应力盖梁的拓扑优化方法， 其特征在于， 步骤1 中， 所述UHPC材 料本构模型采用拉压线弹性本构模型； 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所述的三主梁UHPC预应力盖梁的拓扑优化方法， 其特征在于， 步骤2 中， 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； 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； 9.根据权利要求6所述的三主梁UHPC预应力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 115525991 A 3