基于拓扑优化和缩尺试验的小宽厚比独柱式桥墩帽梁力学性能研究

由于小宽厚比独柱墩帽梁属于典型的应力扰动区构件,内部受力较为复杂,普通独柱墩帽梁的设计方法可能对其不适用。对小宽厚比独柱墩帽梁模型进行拓扑优化,分析小宽厚比独柱墩帽梁的空间受力特征,根据拓扑优化结果建立小宽厚比独柱墩帽梁的空间拉压杆模型基本构形,并根据最小应变能准则提出了确定其最优构型的方法。针对目前对小宽厚比独柱墩帽梁试验研究较少的现状,进行缩尺模型试验,研究其竖向静载作用下的受力特性。结果表明:在横桥向,帽梁顶部在双支座荷载下具有最大拉应力;在顺桥向,帽梁中间位置拉应力最大,帽梁的顶部拉应力低于中部,帽梁底部则表现出受压的趋势。由于未考虑顺桥向的力流扩散,根据相关规范中拉压杆模型设计方法计算得到的内力值与试验结果相差较大,说明规范法不适用于小宽厚比独柱墩帽梁的设计。试验结果的应力分布情况与根据拓扑优化结果提出的空间拉压杆模型一致,并且采用空间拉压杆模型计算得到的拉杆应力值相比规范法更加合理,证明本研究所提的空间拉压杆模型基本构形以及确定最优构型方法的合理性。