輕質超高性能混凝土小箱梁優化設計方法

盧志芳，杜鵬鳴，林 馳

(1.武漢理工大學道路橋梁與結構工程湖北省重點實驗室，武漢 430070；2.中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，武漢 430050)

預應力混凝土小箱梁在橋梁工程中應用廣泛，但其普通混凝土結構自重大，施工吊裝困難。為解決上述問題，該課題組研制了輕質超高性能混凝土(Lightweight Ultra-High Performance Concrete，簡稱LUHPC)，它的基本力學性能為：抗壓強度110 MPa，劈裂抗拉強度14.1 MPa，彈性模量4.0×104MPa，泊松比0.22，表觀密度2 065 kg/m3。可以有效地減小結構截面尺寸、減輕結構自重，增加結構的耐久性。但LUHPC應用于橋梁結構時如何減小截面尺寸尚不明確，所以對LUHPC小箱梁開展優化設計研究是非常有必要的。

目前許多學者已經開展了關于梁的優化設計研究，北京交通大學張景輝[1]對UHPC箱梁進行優化設計，以箱梁的截面尺寸和預應力筋的面積以及根數作為設計變量，約束條件設定為箱梁的抗裂能力和變形能力，目標函數為工程造價，然后利用零階法[2,3]對不同高跨比箱梁進行優化分析，得到最佳設計變量值和最低工程造價。閆志剛等[4]對一跨20 mRPC低高度T形梁利用ANSYS軟件進行優化設計研究。結果表明,梁體的承載能力、抗裂性以及豎向剛度均能夠滿足規范要求，并且有很大的安全儲備。但關于 LUHPC小箱梁的優化設計方法目前沒有針對性研究。

基于數值計算軟件MATLAB的優化工具箱[5-7]和普通混凝土小箱梁，以相同配筋率下的小箱梁頂板、底板和腹板厚度為設計變量，變形驗算、抗裂性驗算、上緣壓應力驗算和斜截面抗剪承載力驗算為約束條件，小箱梁自重為目標函數，編寫LUHPC小箱梁優化程序，運用fmincon函數優化計算，獲得了小箱梁的優化設計截面尺寸。……