纤维增强复合材料结构优化的新型方法论

摘要整理

纤维增强复合材料（FRP）在土木工程结构中的应用已获得广泛认可，特别是在现有结构的加固和改造中。FRP相比传统建筑材料具有高强度重量比、高耐腐蚀性和安装便捷等优势。然而，FRP材料在新结构建设中的应用相对较少，尤其是在桥梁设计领域，全FRP体系的应用仍未充分发挥其在减少短期施工和长期维护成本方面的潜力。FRP材料利用率低的关键原因是设计阶段缺乏结构优化技术。现有全FRP结构通常采用传统薄壁钢结构的截面形状，未能充分考虑FRP的独特材料特性，导致设计效率降低、成本上升。本研究开发了一套创新的复合材料结构优化设计方法论，采用顺序双层优化策略：全局层面首先进行拓扑优化，随后在构件层面进行复合材料性能和几何尺寸优化，确保考虑复合材料层板的各种失效模式。针对全局拓扑优化，开发了考虑模块化设计的新型优化方程，能够指定不同模块类型的拓扑及其在结构域中的分布位置，同时确定最优模块类型数量。在构件层面，开发了半解析解决方案，用于预测任意几何形状和铺层方案的FRP构件局部屈曲承载力，并通过有限元验证。该方法论应用于钢制路面桥面板和全FRP人行桥两个工程案例，均取得显著成果，在材料用量和全生命周期成本方面实现了优化设计。

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