采用TPMS晶格结构的FRP桥面系统

摘要整理

21世纪结构工程和建筑领域的重要成就在于将计算机辅助设计(CAD)、信息技术、材料科学和增材制造(AM)相结合，以创建最优的三维打印超大型结构。通过观察自然界中的多种物体，发现三重周期极小曲面(TPMS)图案是一种最优几何形式，能将空间分割成等体积域。将仿生TPMS结构所遵循的力学原理应用于桥面系统设计，可显著降低材料消耗同时抵抗外加荷载。与传统FRP桥面相比，在相同材料性能条件下，TPMS桥面的刚度提高40%-60%。考虑到新型材料性能降低的情况，拓扑优化结构的刚度仍可超越传统设计。研究结果表明，通过改变材料浓度分布的拓扑优化桥面，在机械性能降低50%的情况下仍能保持相同的刚度。这为生物基复合材料等新型材料在大尺度结构工程应用中开辟了新的可能性。

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