基于可靠度的桥梁结构优化设计方法

第07卷 第08期 中 国 水 运 Vol.7 No.08 2007年 08月 China Water Transport August 2007

收稿日期：2007-5-22

作者简介：张 涛 （1980—） 江苏省第一工业设计院 助理工程师 （235037） 研究方向：道路桥梁监理

基于可靠度的桥梁结构优化设计方法

张 涛

摘 要：基于可靠度的桥梁结构优化设计将桥梁结构作为一个整体研究，而且能够考虑和处理桥梁结构设计中的随机不确定性因素，较传统的结构优化设计更为合理。本文阐述了基于可靠度的桥梁结构优化设计基本思想以及发展方向。

关键词：可靠度 桥梁结构 优化 设计

中图分类号：U442.5 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）08-0139-02 一、概述

桥梁设计有两大任务：一是保证可靠，即安全、适用、耐久；二是追求经济合理。原则上说，一个良好的设计，应尽可能做到安全、适用、耐久和经济、合理的对立统一。

要达到上述的对立统一，就必须寻求科学的设计方法，而基于可靠度的结构优化设计就是一个很好的办法，它一方面将概率论与数理统计原理引入结构设计中，考虑设计参数的随机性，以及材料和施工质量的不确定性，使得人们有可能利用可靠度或失效概率，科学和定量地描述结构的安全可靠程度；另一方面考虑如何以最低的费用达到规范所要求的技术指标，怎样产生最佳经济效益。总之，该法将结构可靠性理论与优化设计方法结合起来，使所设计的结构在不同的可靠度水平下产生与其相对的优化设计方案，能体现风险决策的最佳经济效益，具有重要的意义。

C

P

P

图1 桥梁结构可靠度与费用关系

基于可靠性的优化模式是由Forsell 最先提出来，这里所指的总耗费是初始投资与期望损失值(与失效概率有关的期望破坏损失)之和。Morse 首先探讨了基于可靠性的优化设计，他主要研究了可靠性与优化之间的关系，并指出用整个结构失效概率作为功能约束的优化过程应该产生出更加平衡与合理的安全度相一致的设计。他还认为真正的优化设计应该考虑结构在各种荷载作用下的性能以及可能的强度衰减。桥梁结构的服役期很长，不加维修的情况下，它的功能必然要逐步衰退，因而采取及时、必要的维修和加固措施是难免

的。容易理解，桥梁结构设计可靠度水准越高，建造桥梁结构的初始成本越高，而桥梁结构失效期望损失值和维修加固费用越低(图1)，反之相反。故存在一个最优化设计可靠度，使桥梁结构服役期间的总耗费最小。

二、结构优化模型

基于可靠度的桥梁结构优化模型可以决策出各个构件的最优可靠度，各个构件的优化设计就是以最小的造价实现它的最优可靠度。这就将结构整体优化设计方法转化为一个两层次的结构优化设计问题[1-5]。

1．层次一——结构可靠度的最优分配

在无约束条件下，寻求结构可靠度的最优分配就是求解如下的数学规划：

求 si P 1,2,,i K =???

min W C L =+ (5-37)

式中：W 为目标函数；C 为结构造价；L 为结构的损失期望；K 为构件数目；si P 为第i 个构件的可靠度。

以上模型中的C 和L 目前只能利用经验统计法、半理论半经验法等求得其近似表达式[6,7]。

对不同的结构及不同的情况(如考虑构件失效的相关性及构件之间的串并逻辑关系)，C 和L 具有不同的表达形式。因此，寻求C 和L 的合理表达式

是有待于进一步研究的问题。

结构可靠度的最优分配模型中，采用目标函数W=C+L，将多目标优化问题转化为单目标优化，使问题得到了极大的简化。

求解数学规划(2)，便可决策出各个构件的最优可靠度

()1,2,,si P i K ?

=???。它们是从结构整体的近期效益和长远效益出

发，结合投资条件为各个构件规定的控制指标，既是安全的指标，又是经济的指标，因而是各个构件的最佳控制标准。

2．层次二——结构中的构件优化

在决策()1,2,,si P i K ?=???时己考虑了结构的近期投资和长远效益，因此，在构件设计变量的细部优化时就只需考虑如何以最小的造价()1,2,,i C i K ?=???使构件具有规定的可靠度即

140 中 国 水 运 第07卷 可。这就是结构整体利益指导下的构件变量优化设计。它的数学模型就是解如下的数学规划：

求 X

Min C(X)

s.t. ()S S P X P ?= (5-38) 式中：X 为设计变量，为了一般化，上式中的符号均未加下标。

解决问题的另一途径就是找出结构造价和可靠度之间的

比较精细合理的函数关系，这时，()S C P ?就是构件最合理的造价。

三、结构优化设计研究方向

基于可靠度的桥梁结构优化设计，应重点研究和解决以下问题[1，2]：

1．研究符合桥梁结构特点的、实用可行的优化模型。 2．研究桥梁结构各构件的逻辑功能关系。在结构体系可靠度理论中，研究较多较成熟的是“串联系统”，因此，如何将桥梁结构划分为若干具有串联关系的单元(单元可以是单个构件，也可以是构件的组合，这种组合可能出现并联关系或混合关系)，也是一个十分有意义的问题，可使问题得到简化。

3．研究单元(构件)失效之间、失效模式之间的相关性问题。可靠度计算是结构优化过程中非常关键的环节，为此，合理考虑各单元(构件)失效间的相关性及失效模式间的相关性是非常重要的。否则在某些情况下会导致较大的误差。

4．研究对桥梁结构起控制作用的失效模式，以便能抓住主要矛盾，同时又能简化问题。

5．研究桥梁结构(构件)造价与可靠度之间的函数关系表达式，以及结构(构件)失效损失值的估计方法。

6．研究适用于桥梁结构的可靠度分析和计算方法。包括结构构件和结构体系的可靠度计算，其中难点从在于后者。

四、基于可靠度的结构优化水平的划分

基于可靠度的结构优化方法按其设计变量的特性可划分为四个优化水平，分别是：水平一：截而优化，以截而尺寸作为设计变量；水平二：形状优化，以截而尺寸和描述形状的几何尺寸作为设计变量；水平二：结构优化，以截而尺寸、描述形状的几何尺寸和结构特性参数作为设计变量；水平四：

总体优化，以截而尺寸、描述形状的几何尺寸、结构特性参数和材料参数作为设计变量[8]。

五、结语

从传统的确定性的设计方法向概率设计方法方向发展，这是当前结构工程设计的发展趋势。计入作用和结构抗力实际上存在的随机性和将主要依靠直观经验确定的安全系数变为系统地应用统计数学定量给出一定基准期内结构的失效概率和统一可比的可靠指标，无疑是工程设计思想、概念和方法上的突破。基于可靠度的结构优化方法的研究和工程应用的前景将十分广阔。未来的研究将进一步探讨以系统可靠度为约束条件的结构优化方法，一是在进一步探讨系统可靠度的高效、准确的求解方法的基础上，研究以此为约束条件的新的数值解法；另一方向是进一步探讨工程造价和可靠度之间的函数关系，对系统可靠度进行优化分配。通过这两方面的探索，这一领域的研究将最终达到水平四的层次，实现工程设计的真正优化[3，4，8，9]。

参考文献

[1] 杨伟军，梁兴文，张建仁等.桥梁结构生命全过程的可靠

性优化设计.桥梁建设，2002( 4):1－2

[2] 禹智涛、韩大建.基于可靠度的桥梁结构优化设计.广东工

业大学学报，2002 19(3)：50－54

[3] 安伟光.结构系统可靠性与基于可靠性的优化设计.北京:

国防工业出版社，1997

[4] 柴志，赵磊，卢彪等.基于耐久性的桥梁结构优化设计模

型.河南科学，2002,20(3): 272－275

[5] 何水清、王善.结构可靠性分析与设计.北京:国防工业出版

社，1997

[6] Moses F. Optimum structural design with failure probabilitv

constraints. AIAA Journal, 1967,5(6):1152-1158

[7] 王光远，董明耀.结构优化设计.北京:高等教育出版社，

1987

[8] 李芳，凌道盛.工程结构优化设计发展综述.工程设计学报，

2002, 9(5):229-235

[9] 董桂西，王藏柱.结构优化设计的现状及展望.电力学报

2000, 4( 1):5-7

Abstract: Takes based on the margin of safety bridge structure optimization design the bridge structure a whole research, moreover can consider and process in the bridge structural design the stochastic uncertainty factor, compares traditional the structure optimization design to be more reasonable. This article elaborated based on the margin of safety bridge structure optimization design basic thought as well as the development direction.

Key word: Margin of safety Bridge structure Optimization Design

桥梁结构设计方法的研究

桥梁结构设计方法的研究 摘要：目前桥梁结构耐久性研究中存在的问题。在比较了各国几种主要耐久性设计理论和方法的基础上，提出了一种新的耐久性设计思路和方法，即利用耐久度来衡量结构保持耐久性的能力，通过计算耐久性指标来评判某一时刻结构耐久性能否满足设计要求。该方法强调了多种因素共同作用、结构体系和构件荷载类别以及桥梁寿命周期经济性对耐久性设计的影响，具有概念明确、形式简单、便于应用等特点。 关键词：桥梁结构、设计、可靠性、创新 引言： 桥梁设计是一个复杂的，系统的工程。需要丰富的理论知识，并且尽量避免主观经验因素对设计的影响。在桥梁设计过程中仍然有许多重大的理论问题需要解决。目前，国内的桥梁结构设计普遍有这样的倾向：设计中考虑强度多而考虑耐久性少：重视强度极限状态而不重视使用极限状态，而结构在整个生命周期中最重要的却恰恰是使用时的性能表现；重视结构的建造而不重视结构的维护。这些倾向在一定程度上导致了当前工程事故频发、结构使用性能差、使用寿命短的不良后果；也与国际结构工程界日益重视耐久性、安全性、适用性的趋势相违背；也不符合结构动态和综合经济性的要求。 我国的桥梁设计理论和结构构造体系仍不够完善，在桥梁设计领域，特别是关于桥梁施工和使用期安全性的问题还有许多可以改进的地方。结构设计的首要任务是选择经济合理的结构方案，其次是结构分析与构件和连接的设计，并取用规范规定的安全系数或可靠性指标以保证结构的安全性。 一、结构的耐久性设计问题： 桥梁在建造和使用过程中，一定会受到环境、有害化学物质的侵蚀，并要承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用，同时桥梁所采用材料的自身性能也会不断退化，从而导致结构各部分不同程度的损伤和劣化。 在大跨度桥梁领域，国内从上世纪80年代以来，建造了大量的斜拉桥。需要指出的是，很多这类问题与没有进行合理的耐久安全性设计有关，这也促使人们重新认识桥梁的耐久性问题。而这些研究大多是从材料和统计分析的角度进行的，对如何从结构和设计的角度来改善桥梁耐久安全性却很少有人研究。而且，长期以来，人们一直偏重于结构计算方法的研究，却忽视了对总体构造和细节处理方面的关注。因此，需要努力将耐久安全性的研究从定性分析向定量分析发展。 二、桥梁的超载问题：

桥梁设计中的结构可靠度分析方法探析

桥梁设计中的结构可靠度分析方法探析 【摘要】桥梁结构可靠度是表征桥梁在规定时间、规定条件下完成预定功能的概率度量。在进行桥梁设计时，对桥梁结构可靠度进行科学分析具有重要的意义。本文对桥梁设计中的结构可靠性分析方法进行了详细介绍，并对这些方法的具体应用进行了比较。 【关键词】桥梁设计结构可靠度分析方法 桥梁的安全性和可靠性是进行桥梁设计时必须要要考虑的关键问题。对桥梁的结构可靠度进行分析，一方面可以对桥梁结构及工程满足预期的使用能力进行评估，另一方面也可以在设计是充分考虑桥梁结构的安全隐患，采取优化方法进行避免。结构可靠度的分析研究起始于上世纪50年代，在80年代得到了进一步发展，桥梁结构可靠度分析理论、方法及应用已经基本完善。但基于桥梁设计中新材料、新技术的不断涌现以及结构可靠度计算方法的复杂性，笼统片面的采用单一的桥梁结构可靠度分析方法存在一定的局限，下面本文将进行具体的分析说明。 在随机变量为正态分布（或对数正态分布）、且功能函数为线性函数的情形下，桥梁结构的可靠度指标可以根据随机变量的统计参数精确计算。而在考虑更多因素的影响条件下，这类理想状态下的可靠度计算是比较少的，实际上大部分的结构可靠度指标都是依据下面方法计算的。 1 一次二阶矩法 因为结构功能函数大多是不服从正态分布的非线性函数，所以结构可靠性指标值无法直接得出，只能采取近似计算值，而在通常情况下，只有一阶矩（均值）和二阶矩（方差）比较容易得到。一次二阶矩法指的就是在随机变量分布不清楚时采取只有均值和方差的数学模型去求解结构可靠度的方法。因为该方法将功能函数Z=g（，，，…，）在某点用泰勒级数展开，使之线性化，然后求解结构可靠度，期间，它只是运用了基本变量均值和方差，所以计算简单，结果可靠。根据一次二阶矩计算方法的不同，一次二阶矩法主要可以分为： （1）映射变换法。通过采用数学变换的方法将非正态随机变量变换为正态随机变量。映射变换法科学解决了非正态随机变量转换为正态随机变量的问题，是向二次二阶矩法过渡发展的重要方法。 （2）中心点法。在结构可靠度研究的初期，研究者将非线性函数在随机变量的平均值（中心点值）作泰勒级数展开并保留到一次项，接着近似计算功能函数的平均值和标准差的一种计算方法。中心点法没有考虑随机变量的线性极限状态，经常在结构可靠度要求不是非常精确地情形下使用，例如桥梁钢筋混凝土正常极限状态下的可靠度分析。（见图1）

社会研究方法课程设计

社会研究方法课程设计

社会研究方法 课程设计调查报告 调查题目：关于地铁站路边摊问题的调查调查地点：北京市通州区梨园城铁站 调查对象：梨园站出站的乘客 调查时间：2012年8月27日 晚高峰期间19:00—21:00

班级：行政1002 姓名：吕铮 学号：2010012341 【内容提要】 近些年来，随着地铁的发展，路边摊成为地铁站周边一道别致的风景线：麻辣烫，铁板烧，臭豆腐，鸡蛋灌饼等，为众多上班族所钟情。我们在享受到路边摊带来便利的同时，也应该注意到路边摊的危害。卫生问题是首先需要的问题。除此之外，路边摊的存在对市政市容造成了一定的影响，也影响到了道路的正常通行。然而这种路边摊的取缔却是很难的。且不说他们流动性强，走到哪儿都可以买，就路边摊的制作也并不复杂，因此取缔路边摊难以有效执行。就政府管理而言，面对路边摊的存在不应该一味的取缔、没收，而是应该统一规范的对路边摊进行管理，同时提高路边摊的卫生规格。这样不仅使路边摊有了一席之地，使它的存在合法化，又能使市民享受到路边摊带来的便利，同时也使路边摊主有了一定的收入，既美化了市容又使摊主与顾客都能获利。 街头食品业在向城市人口、尤其是许多发展中国家城市人口提供方便、低廉食品方面发挥着重要作用；受到化学和微生物病原体污染的街头食品被视为食物源疾病的重大诱因；环境卫生不佳、设施不足和食品处理不当是街头食品的主要风险因素；增强摊贩对保障食品安

全所需遵循的基本原则和措施的认识是降低街头食品卫生风险的一项最具成本效益的办法。（本段文字援引世界卫生组织《关于增强街头摊贩食品安全的基本措施》一文） 【关键词】 路边摊危害管理合法化 【调查过程与方法】 近年来，路边摊成为地铁站、车站附近的特色，路边摊的种类也越来越丰富。路边摊的存在为上班族提供了便利，可以免去他们工作一天之后还要回家做饭的麻烦。丰富的种类、低廉的价格，使得路边摊的市场不断扩大，随之而来就是路边摊所带来的问题。众所周知，路边摊最大的问题就是食品安全问题，且不说地沟油、亚硝酸盐会给人身带来什么样的危害，灰尘、反复使用的竹签、一次性筷子等都难以保证安全。为了了解路边摊的存在情况以及往来乘客对路边摊的看法，我于2012年8月27日晚高峰期间（19:00—21:00）来到八通线梨园站，对出站乘客做关于路边摊的随机调查。调查内容主要包括：乘客对路边摊的态度，路边摊的危害以及路边摊主的态度。本次调查共有28人接受访问，现将其中7人的访问内容整理出来： 【被访问者1：上班族】 路边摊的存在已经很长时间了，但是一直没有城管来取缔，路边摊的存在确实给我们带来了便利，它价格低廉，种类繁多，可以省去我们下班之后做饭的麻烦。关于卫生问题吧，我觉得这些东西都不算很干净，但是不是经常吃就没什么问题吧。再说那么多人都吃呢，怎

通用的可靠性设计分析方法

通用的可靠性设计分析方法 1.识别任务剖面、寿命剖面和环境剖面 在明确产品的可靠性定性定量要求以前，首先要识别产品的任务剖面、寿命剖面和环境剖面。 （1）任务剖面“剖面”一词是英语profile的直译，其含义是对所发生的事件、过程、状态、功能及所处环境的描述。显然，事件、状态、功能及所处环境都与时间有关，因此，这种描述事实上是一种时序的描述。 任务剖面的定义为：产品在完成规定任务这段时间内所经历的事件和环境的时序描述。它包括任务成功或致命故障的判断准则。 对于完成一种或多种任务的产品，均应制定一种或多种任务剖面。任务剖面一般应包括：1）产品的工作状态； 2）维修方案； 3）产品工作的时间与程序； 4）产品所处环境（外加有诱发的）时间与程序。 任务剖面在产品指标论证时就应提出，它是设计人员能设计出满足使用要求的产品的最基本的信息。任务剖面必须建立在有效的数据的基础上。 图1表示了一个典型的任务剖面。 （2）寿命剖面寿命剖面的定义为：产品从制造到寿命终结或退出使用这段时间内所经历的全部事件和环境的时序描述。寿命剖面包括任务剖面。 寿命剖面说明产品在整个寿命期经历的事件，如：装卸、运输、储存、检修、维修、任务剖面等以及每个事件的持续时间、顺序、环境和工作方式。 寿命剖面同样是建立产品技术要求不可缺少的信息。 图2表示了寿命剖面所经历的事件。

（3）环境剖面环境剖面是任务剖面的一个组成部分。它是对产品的使用或生存有影响的环境特性，如温度、湿度、压力、盐雾、辐射、砂尘以及振动冲击、噪声、电磁干扰等及其强度的时序说明。 产品的工作时间与程序所对应的环境时间与程序不尽相同。环境剖面也是寿命剖面和任务剖面的一个组成部分。 2.明确可靠性定性定量要求 明确产品的可靠性要求是新产品开发过程中首先要做的一件事。产品的可靠性要求是进行可靠性设计分析的最重要的依据。 可靠性要求可以分为两大类：第一类是定性要求，即用一种非量化的形式来设计、分析以评估和保证产品的可靠性；第二类是定量要求，即规定产品的可靠性指标和相应的验证方法。 可靠性定性要求通常以要求开展的一系列定性设计分析工作项目表达。常用的可靠性定性设计工作项目见表1。

结构优化设计的综述与发展

结构优化设计的综述与 发展 -CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

结构优化设计的综述与发展 摘要：结构优化设计，就是在计算机技术等高科技手段的支持下，为了提升机械产品的性能、工作效率，延长机械产品的工作寿命，对机械产品的尺寸、形状、拓扑结构和动态性能进行优化的过程。这是机械行业发展的必然要求，也是信息时代的必然要求。结构优化设计，必须在保证机械产品满足工作需要的前提下，通过科学的计算来实行。文章将简单对结构优化设计的发展状况进行介绍，列举几种优化设计方法，以及讨论未来优化的发展情况。 关键词：结构优化设计发展优化设计方法 1 结构优化设计 结构优化简单来说就是在满足一定的约束条件下，通过改变结构的设计参数，以达到节约原材料或提高结构性能的目的。结构优化设计通常是指在给定结构外形，给定结构各元件的材料和相关载荷及整个结构的强度、刚度、工艺等要求的条件下，对结构进行整体和元件优化设计。结构优化设计一般由设计变量、约束条件和目标函数三要素组成。评价设计优、劣的标准，在优化设计中称为目标函数；结构设计中以变量形式参与的称为设计变量；设计时应遵守的几何、刚度、强度、稳定性等条件称为约束条件，而设计变量、约束函数与目标函数一起构成了优化设计的数学模型。结构优化的目的是让设计的结构利用材料更经济、受力分布更合理。 结构优化设计根据设计变量选取的不同可以分为截面（尺寸）优化、形状优化、拓扑优化三个层次。尺寸优化是选取结构元件的几何尺寸作为设计变量，例如，杆元截面积、板元的厚度等等[1]。而形状优化是选取结构的内部形状或者是节点位置作为设计变量。拓扑优化就是选取结构元件的有无作为设计变量，为0-1型逻辑型设计变量。 2 结构优化设计研究概况与现状 结构优化设计最早可以追溯到17世纪，伽利略和伯努利对弯曲梁的研究从而引发了变截面粱形状优化的问题。后来Maxwell和Michell提出了单载荷仅有应力约束条件下最小重量桁架结构布局的基本理论，为系统地分析结构优化理论作出了重大的贡献。然而长期以来，由于缺乏高速可靠的计算手段和理论，结构优化设计一直无法获取较大发展。 到上世纪六十年代，有限元技术借助于计算机技术，得到了极大的发展。1960年Schmit在求解多种载荷情况下弹性结构的最小重量问题时，首次在结构优化中引入入数学规划理论，并与有限元方法结合应用，形成了全新的结构优化思想，标志着现代结构优化技术的开始[2]。 1973年Zienkiewicz和Campbell[3]在解决水坝的形状优化问题时，首次以节点坐标作为设计变量，在结构分析方面使用了等参元，在优化方法上使用了序列线性规划的方法。其后，众多的学者在此基础上，逐渐发展形成了使用边界形状参数化方法描述连续体边界的方法，即采用直线、圆弧、样条曲线、二次参数曲线、二次曲面、柱面等方式来描述边界。 1982年，Iman提出了设计元法。该方法把结构分成若干子域，每个子域对应一个设计元。设计元由一组控制设计元几何形状的主节点来描述，接着选择一组设计变量来控制主节点的移动。该方法可以有效地减少设计变量，但也存在网格畸形的缺点。 1986年Belegundu提出了基于自然设计变量和形状函数的形状优化方法[4]。他选择了作用在结构上的假想载荷等一系列自然变量，把由假想载荷产生的位移加到初始

XX桥梁结构设计

概述: （一）设计依据: 1、XX公司提供的商务区电子版地形图，电子版道路图纸，电子板河道及景观图纸； 2、甲方确定的规划河底宽度为20米，设计最高水位4.8米，设计河底高程2.0米； 3、桥梁方案汇报会确定桥位和桥型布置方案； 4、xx公司其它要求。 （二）工程概况： 二级桥包括涵洞两座，位置分别在规划一路与水街交叉处和规划二路与水街交叉处，新区商 务区水街规划河底宽度为20米，设计最高水位4.8米，设计河底高程2.0米，其中按3-6m 框架涵设计，道路规划宽度为20米，两侧景观带按景观要求设计。框涵俩侧按悬挑结构设 计。 二、桥梁工程场地地质条件、水文地质条件等介绍 （一）自然、气候条件 天津市属于暖温带半湿润季风气候，位于大陆性与海洋性气候的过渡带上，四季分明。冬季 受蒙古冷高气压控制，盛行西北风；夏季受太平洋副热带高气压左右，多为偏南风。气候特 点是：春季干旱多风，冷暖多变；夏季温高湿重，雨热共济；秋天天高云淡，风和日丽；冬 季寒冷干燥，雨雪稀少。 年平均气温11.1~12.3 C,七月平均气温26 C以上，一月份平均气温-4 C以下，偶然最 高温40.3 C，极端最低温-21 C。］ 年平均降水量为550~680mm ，一日最大暴雨量304.4mm 。每年6~9月为汛期，平 均雨日34天左右，占全年总降水量的73%以上，冬季雨雪量只占全年总降水量的 1%~3% 。 （二）拟建场地概况 拟建场地位于华北平原北部，属滨海冲积平原，地貌单一，场地地表略有起伏。本次勘探揭 示埋深50.00m 以上的地层属海相、陆相沉积地层。

（三）地质条件及地下水情况 1、场地地形地貌、场地土土质特征及分布规律 根据《岩土工程技术规范》（DB29-20-2000 ）第3.2节、附录A及本次勘察资料，本次 勘探50.0m 深度范围内，场地土按成因年代可分为9层，按物理力学性质进一步划分为 18个亚层。各层土的土质特征及分布规律描述如下： （1 ）人工填土层（Qml ）） 主要由素填土（地层编号①）组成，厚度0.30?1.20m，黄褐色，主要粘性土组成，含少量植物根系，水平方向分布连续。人工填土填垫年限小于十年。02、04、06号孔夹有厚 度0.3?0.4m的灰黑色坑底淤泥质土。 （2 ）全新统新近组坑底淤积层（Q43Nsi ） 地层编号②，该层土在本场地缺失。 （3）全新统新近组古河道、洼淀冲积层（Q43Nal ） 系北运河洪泛冲积而成，层顶标高为 5.95?1.75m，主要由上部的粘土、粉 质粘土（地层编号为③1）及下部的粉土（地层编号为③2）组成： ③1粘土、粉质粘土，层顶标高为 5.95?1.75m，厚度0.60?4.10m，灰黄色，可塑， 含少量有机质，属中偏高压缩性土，水平方向分布不连续，在02、06#孔附近缺失。 ③2粉土，层顶标高为5.85?1.15m，厚度1.00?2.70m，灰黄色，稍密，饱和，含少量有机质，夹粉质粘土薄层，分布不连续，属中压缩性土。 （4）全新统上组河床?河漫滩相沉积层（Q43al ） 地层编号④，该层土在本场地缺失。 （5）全新统上组湖沼相沉积层（Q43l+h ） 层顶标高为2.35?-0.38m ，主要由上部的粘土（地层编号⑤1），中部的粉土（地层编号 ⑤2 ），以及下部粉质粘土（地层编号⑤3 ）、粉土（地层编号⑤4）组成： ⑤1粘土，厚度0.80?3.00m，灰黑色?青灰色，可塑，含少量有机质及腐殖物，夹粉质粘土薄层，属中偏高压缩性土，水平方向分布连续。 ⑤2粉土，层顶标高为1.55?-2.44m ，厚度0.70?5.70m，青灰色，稍密?中密，饱和，含少量有机质，属中压缩性土，水平方向分布不连续，在20#孔附近缺失。 ⑤3粉质粘土，层顶标高为0.05?-4.29m ，厚度0.50?5.00m，青灰色，可塑，含少量有机质，夹粉质粘土薄层，属中偏高压缩性土，水平方向分布不连续，分布于1#桥、2# 桥和4?6#桥（01?12#、20?23#孔）附近。 ⑤4粉土，层顶标高为-2.58?-7.85m ，厚度0.50?2.50m，青灰色，稍密?中密，饱 和，含少量有机质，属中压缩性土，水平方向分布不连续，在3#桥和6#桥区域（13?19#、 22#、23#孔）缺失。 （6）全新统中组浅海相沉积层（Q42m ） 层顶标高为-4.68?-8.85m ，主要由上部粘土、粉质粘土（地层编号⑥1 ）和下部的粉土 （地层编号⑥2 ）组成： ⑥1粘土、粉质粘土，层顶标高为-4.75?-8.85m ，厚度1.60?4.00m，灰色，可塑， 含少量有机质及贝壳，属中偏高压缩性土，水平方向分布不连续在1#桥局部和5#桥区域 （19#、21#、22# 孔）缺失。 ⑥2粉土，层顶标高为-4.68?-10.85m ，厚度0.50?4.10m，灰色，稍密?中密，砂粘互层，含少量有机质及贝壳，属中压缩性土，水平方向分布不连续，仅在1#桥和2#桥、 6#桥局部（01?05#、17#、08#、10#、24#孔附近），以及5#、6#桥所在区域（19?22#孔附近）有分布。

现代设计方法(第四章 可靠性设计)

简述可靠性设计传统设计方法的区别。 答：传统设计是将设计变量视为确定性单值变量，并通过确定性函数进行运算。 而可靠性设计则将设计变量视为随机变量，并运用随机方法对设计变量进行描述和运算。 1.可靠性：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。 可靠度：产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的概率。是对产品可靠性的概率度量。 可靠度是对产品可靠性的概率度量。 2）可靠性工程领域主要包括以下三方面的内容： 1.可靠性设计。它包括了设计方案的分析、对比与评价，必要时也包括可靠性试验、生产制造中的质量控制设计及使用维修规程的设计等。 2.可靠性分析。它主要是指失效分析，也包括必要的可靠性试验和故障分析。这方面的工作为可靠性设计提供依据，也为重大事故提供科学的责任分析报告。 3.可靠性数学。这是数理统计方法在开展可靠性工作中发展起来的一个数学分支。 。可靠性设计具有以下特点： 1.传统设计方法是将安全系数作为衡量安全与否的指标，但安全系数的大小并没有同可靠度直接挂钩，这就有很大盲目性。可靠性设计与之不同，它强调在设计阶段就把可靠度直接引进到零件中去，即由设计直接决定固有的可靠度。 2.传统设计是把设计变量视为确定性的单值变量并通 过确定性的函数进行运算，而可靠性设计则把设计变量视为随机变量并运用随机方法对设计变量进行描述和 运算。 3.在可靠性设计中，由于应力S和强度R都是随机变量，所以判断一个零件是否安全可靠，就以强度R大于应力S的概率大小来表示，这就是可靠度指标。 4.传统设计与可靠性设计都是以零件的安全或失效作 为研究内容，因此，两者间又有着密切的联系。可靠性设计是传统设计的延伸与发展。在某种意义上，也可以认为可靠性设计只是在传统设计的方法上把设计变量 视为随机变量，并通过随机变量运算法则进行运算而已。 。平均寿命（无故障工作时间）：指一批产品从投入运行到发生失效（或故障）的平均工作时间。 对不可修复的产品而言，T是指从开始使用到发生失效的平均时间，用MTTF表示； 对可修复的产品而言，是指产品相邻两次故障间工作时间的平均值，用MTBF表示； 平均寿命的几何意义是：可靠度曲线与时间轴所夹的面积。 6.正态分布曲线的特点是什么？什么是标准正态分布？ ：正态分布曲线f(x)具有连续性，对称性，其曲线与横坐标轴间围成的总面积恒等于 1.在均值μ和离均值的距离为标准差的某一指定倍数z。之间，分布有确定的百分数，均值或数学期望μ表征随机变量分布的集中趋势，决定正态分布曲线位置；标准差σ，他表征随机变量分布的离散程度，决定正态分布曲线的形状。定义μ=0,σ=1，即N(0,1)为标准正态分布。 7.系统可靠性的大小主要取决于：(1)组成系统的零部件的可靠性 (2)零部件的组合方式。 1.什么是3σ法则？已知手册上给出的16Mn的抗拉强度为1100~1400MPa，试利用3σ法则确定该材料抗拉强度的均值和标准差。 在进行可靠性计算时，引用手册上的数据，可以认为它们服从正态分布，手册上所给数据范围覆盖了该随机变量的+-3σ，即6倍的标准差，称这一原则为3σ法则。均值=（1100+1400）/2=1250MPa 标准差=（1400-1100）/6=50Mpa。从正态分布知，对应+-3σ范围的可靠度已为0.9973. 2. 简述强度—应力干涉理论中“强度”和“应力” 的含义，试举例说明之。 答：强度一应力干涉理论中“强度”和“应力”具有 广义的含义：“应力”表示导致失效的任何因素；而 “强度”表示阻止失效发生的任何因素。“强度” 和“应力”是一对矛盾的两个方面，它们具有相同的 量纲；例如，在解决杆、梁或轴的尺寸的可靠性设计 中，“强度”就是指材料的强度，“应力”就是指零件 危险断面上的应力，但在解决压杆稳定性的可靠性设 计中，“强度”则指的是判断压杆是否失稳的“临界 压力”，而“应力”则指压杆所受的工作压力。 3.说明常规设计方法中采用平均安全数的局限性。 答：平均安全系数未同零件的失效率联系起来，有很 大的盲目性。 从强度一应力干涉图可以看出 1）即使安全系数大于 1，仍然会有一定的失效概率。2）当零件强度和工作 应力的均值不变（即对应的平均安全系数不变），但 零件强度或工作应力的离散程度变大或变小时，其干 涉部分也必然随之变大或变小，失效率亦会增大或减 少。 1.所谓系统，是为完成某一功能而由若干零部件相互 有机地组合起来的综合体。系统的可靠度取决于两个 因素：一是组成系统的零部件的可靠度；二是零部件 的组合方式。 3.串联系统：若系统中诸零件的失效相互独立，但当 系统中任一个零件发生故障都会导致整个系统失效 时，则这种零件的组合形式称为串联模型。 3.串联系统的可靠度：串联系统的可靠度Rs低于组 成零件的可靠度Ri。因此，要提高串联系统的可靠 度，最有效的措施是减少组成系统的零件数目。 4.并联系统：有冗余系统和表决系统。冗余系统又可 分为工作冗余系统和非工作冗余系统。 5.工作冗余系统：在该系统中，所有零件都同时参加 工作，而且任何一个零件都能单独支持整个系统正常 工作。即在该系统中，只要不是全部零件失效，系统 就可以正常工作。 6.非工作冗余系统：在该系统中，只有某一个零件处 于工作状态，其它零件则处于非工作状态。只有当工 作的零件出现故障后，非工作的零件才立即转入工作 状态。 。非工作冗余系统的可靠度高于工作冗余系统，这是 因为工作冗余系统的零件虽然都处于不满负荷状态 下，但它们总是在工作，必然会磨损或老化。非工作 冗余系统虽不存在这个问题，却存在一个转换开关的 可靠度问题。 。r/n表决系统:在n个零件组成的并联系统中，n个 零件都参加工作，但其中要有r个以上的零件正常工 作，系统才能正常工作。它是属于一种广义的工作冗 余系统。当r=1时，就是工作冗余系统，当r=n时， 就是串联系统。 。复杂系统的可靠性预测方法：等效功能图法、布尔 真值表法； 。故障树分析的步骤：1，在充分熟悉系统的基础上， 建立故障树；2，进行定性分析，识别系统的薄弱环 节；3，进行定量分析，对系统的可靠性作出评价。 。故障树：是一种倒立的树状逻辑因果关系图，它是 用事件符号、逻辑门符号和转移符号描述系统中各种 事件之间因果关系的图。 。故障树的定性分析是寻找故障树的全部最小割集或 最小路集。其目的是为了找出引了系统故障的全部可 能的起因，并定性的识别系统的薄弱环节。 。最小割集：如果将割集中任意去掉一个基本事件后就不再 是割集。 。最小路集：路集也是一些基本事件的集合，当该集合所有 的基本事件同时不发生时，则顶事件必然不发生。如果将路 集中任意去掉一个基本事件后就不再是路集的话，则称此路 集为最小路集。 。最小割集代表系统的一种失效模式；一个最小路集代表系 统的一个正常模式。 。故障树的全部最小割集即是顶事件发生的全部可能原因， 构成了系统的故障谱。因此，在产品设计中要努力降低最小 割集发生的可能性，这就是产品的薄弱环节。反过来说，为 保证系统正常工作，必须至少保证一个最小路集存在。 。故障树的定量分析就是根据基本事件的概率求出顶事件发 生的概率，从而对系统的可靠性作出评价。 。可靠度分配按分配原则的不同，有等同分配法、加权分配 法和动态规划最优分配法； 。等同分配法：它按照系统中各单元（子系统或零部件）的 可靠度均相等的原则进行分配。其计算简单，缺点是没有考 虑各子系统现有的可靠度水平、重要性等因素。 。加权分配法：它是把各子系统在整个系统中的重要度以及 各子系统的复杂度作为权重来分配可靠度的。 。最优分配法：采用动态规划最优分配法，可以把系统的成 本、重量、体积或研制周期等因素为最小作为目标函数，而 把可靠度不小于某一给定值作为约束条件进行可靠度分配； 也可以把系统可靠度尽可能大作为目标函数，而将成本等因 素视为约束条件进行可靠度分配。这要根据具体问题来确定。 特点：机电产品的可靠性指标不仅取决于零部件的可靠度， 而且还将受制造成本、研制周期、重量、体积等因素的制约。 因此，要全面考虑这些因素的影响，必须采用优化方法分配 可靠度。 。一是可靠性设计的有效性取决于所采用的统计参数是否准 确可靠；二是应用明确规定产品失效的形式和判据。 。试简述强度和应力均为正态分布时，强度和应力干涉的三 种典型情况下手失效率情况。 1.强度的均值大于应力的均值，这时的干涉概率，即不可靠 度F小于50%。当强度的均值减去应力的均值为一定值时， 概率F的大小，随强度和应力的标准增大而增大。常规设计 的安全系数大于1时属于这种情况。这种情况下，还可能出 现失效。 2.强度的均值等于应力的均值，此时，失效率F为50% 3.强度的均值小于应力的均值，此时安全系数小于1，失效 概率大于50%，零件仍具有一定的可靠度。

结构设计大赛(桥梁)计算书

桥梁结构设计理论方案 作品名称蔚然水岸 参赛学院建筑工程学院 参赛队员吕远、李丽平、李怡潇、赵培龙专业名称土木工程

一、方案构思 1、设计思路 对于这次的设计，我们分别考虑了斜拉桥、拱桥、梁式桥和桁架桥的设计方案。斜拉桥可以看作是小跨径的公路桥，且对刚度有较高的要求，所以斜拉桥对材料的要求比较高，对于用桐木强度比不上其他样式的桥来得结实；拱桥最大主应力沿拱桥曲面而作用，而沿拱桥垂直方向最小主应力为零，可以很好的控制桥梁竖直方向的位移，但锁提供的支座条件较弱，且不提供水平力，显然也不是一个好的选择；梁式桥有较好的承载弯矩的能力，也可以较好的控制使用中的变形，但桥梁的稳定性是个很大的问题，控制不了桥梁的扭转变形，因此，我们也放弃了制作梁式桥的想法；而桁架桥具有比较好的刚度，腹杆即可承拉亦可承压，同时也可以较好的控制位移用料较省，所以，相比之下我们最后选择了桁架桥。 2、制作处理 （1）、截杆 裁杆是模型制作的第一步。经过试验我们发现，截杆时应该根据不同的杆件，采用不同的截断方法。对于质地较硬的杆应该用工具刀不断切磋，如同锯开；而对于较软的杆应该直接用刀刃用力按下，不宜用刀口前后切磋，易造成截面破损。 （2）、端部加工

端部加工是连接的是关键所在。为了能很好地使杆件彼此连接，我们根据不同的连接形式，对连接处进行处理，例如，切出一个斜口，增大连接的接触面积；刻出一个小槽，类似榫卯连接等。（3）拼接 拼接是本模型制作的最大难点。由于是杆件截面较小，接触面积不够，乳胶干燥较慢等原因，连接是较为困难的。我们采取了很多措施加以控制，如用铁夹子对连接处加强压、用蜡线进行绑扎固定等。对于拱圈的制作，则预先将杆件置于水中浸泡并加上预应力使其不断弯曲，并按照先前划定的拱形不断调整，直至达到理想形状。 在拱脚处处理时，先粘结一个小的木块，让后用铁夹子施加很大的压力，保证连接能足够牢固。 乳胶粘接时要不断用电吹风间断性地吹风，使其尽快形成粘接力，达到强度的70%（基本固定）后即可让其自行风干。 （4）风干 模型制作完成后，再次用吹风机间断性地吹粘接处，基本稳定后，让其自然风干。 （5）修饰 在模型完成之后，为了增强其美观性，用砂纸小心翼翼的将杆件表明的毛刺打磨光滑，注意不要破坏结构，以免影响其稳定。 3、设计假定 (1)、材质连续，均匀； (2)、梁与索之间结点为铰结；梁与塔柱（撑杆）之间的连接为刚结；

机械结构优化设计

机械结构优化设计 ——周江琛 2013301390008 摘要：机械优化设计是一门综合性的学科，非常有发展潜力的研究方向，是解决复杂设计问题的一种有效工具。本文重点介绍机械优化设计方法的同时，对其原理、优缺点及适用范围进行了总结，并分析了优化方法的最新研究进展。关键词：优化方法约束特点函数 优化设计是一门新兴学科,它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上,通过计算机的数值计算,能从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方案,使期望的经济指标达到最优,它可以成功地解决解析等其它方法难以解决的复杂问题,优化设计为工程设计提供了一种重要的科学设计方法,因而采用这种设计方法能大大提高设计效率和设计质量。优化设计主要包括两个方面:一是如何将设计问题转化为确切反映问题实质并适合于优化计算的数学模型,建立数学模型包括:选取适当的设计变量,建立优化问题的目标函数和约束条件。目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式,约束条件反映的是设计变量取得范围和相互之间的关系;二是如何求得该数学模型的最优解:可归结为在给定的条件下求目标函数的极值或最优值的问题。机械优化设计就是在给定的载荷或环境条件下,在机械产品的形态、几何尺寸关系或其它因素的限制范围内,以机械系统的功能、强度和经济性等为优化对象,选取设计变量,建立

目标函数和约束条件,并使目标函数获得最优值一种现代设计方法,目前机械优化设计已广泛应用于航天、航空和国防等各部门。优化设计是20世纪60年代初发展起来的，它是将最优化原理和计算机技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新方法，就可以寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量。因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域，它已广泛应用于各个工业部门。优化方法的发展经历了数值法、数值分析法和非数值分析法三个阶段。20世纪50年代发展起来的数学规划理论形成了应用数学的一个分支，为优化设计奠定了理论基础。20世纪60年代电子计算机和计算机技术的发展为优化设计提供了强有力的手段，使工程技术人员把主要精力转到优化方案的选择上。最优化技术成功地运用于机械设计还是在20世纪60年代后期开始，近年来发展起来的计算机辅助设计（CAD），在引入优化设计方法后，使得在设计工程中既能够不断选择设计参数并评选出最优设计方案，又可加快设计速度，缩短设计周期。在科学技术发展要求机械产品更新日益所以今天，把优化设计方法与计算机辅助设计结合起来，使设计工程完全自动化，已成为设计方法的一个重要发展趋势。 优化设计方法多种多样，主要有以下几种：1无约束优化设计法；无约束优化设计是没有约束函数的优化设计，无约束可以分为两类，一类是利用目标函数的一阶或二阶导数的无约束优化方法，如最速下降法、共轭梯度法、牛顿法及变尺度法等。另一类是只利用目标函数值的无约束优化方法，如坐标轮换法、单形替换法及鲍威尔法等。此法具有计算

可靠性设计的基本概念与方法

4．6 可靠性设计的基本概念与方法 一、结构可靠性设计概念 1．可靠性含义 可靠性是指一个产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力；而一个工业产品(包括像飞机这样的航空飞行器产品)由于内部元件中固有的不确定因素以及产品构成的复杂程度使得对所执行规定功能的完成情况及其产品的失效时间(寿命)往往具有很大的随机性，因此，可靠性的度量就具有明显的随机特征。一个产品在规定条件下和规定时间内规定功能的概率就称为该产品的可靠度。作为飞机结构的可靠性问题，从定义上讲可以理解为：“结构在规定的使用载荷／环境作用下及规定的时间内，为防止各种失效或有碍正常工作功能的损伤，应保持其必要的强刚度、抗疲劳断裂以及耐久性能力。”可靠度则应是这种能力的概率度量，当然具体的内容是相当广泛的。例如，结构元件或结构系统的静强度可靠性是指结构元件或结构系统的强度大于工作应力的概率，结构安全寿命的可靠性是指结构的裂纹形成寿命小于使用寿命的概率；结构的损伤容限可靠性则一方面指结构剩余强度大于工作应力的概率，另一方面指结构在规定的未修使用期间内，裂纹扩展小于裂纹容限的概率．可靠性的概率度量除可靠度外，还可有其他的度量方法或指标，如结构的失效概率F(c)，指结构在‘时刻之前破坏的概率；失效率^(()．指在‘时刻以前未发生破坏的条件下，在‘时刻的条件破坏概率密度；平均无故障时间MTTF(MeanTimeToFailure)，指从开始使用到发生故障的工作时间的期望值。除此而外，还有可靠性指标、可靠寿命、中位寿命，对可修复结构还有维修度与有效度等许多可靠性度量方法。 2．.结构可靠性设计的基本过程与特点 设计一个具有规定可靠性水平的结构产品，其内容是相当丰富的，应当贯穿于产品的预研、分析、设计、制造、装配试验、使用和管理等整个过程和各个方面。从研究及学科划分上可大致分为三个方面。 (1)可靠性数学。主要研究可靠性的定量描述方法。概率论、数理统计，随机过程等是它的重要基础。 (2)可靠性物理。研究元件、系统失效的机理，物理成固和物理模型。不同研究对象的失效机理不同，因此不同学科领域内可靠性物理研究的方法和理论基础也不同． (3)可靠性工程。它包含了产品的可靠性分析、预测与评估、可靠性设计、可靠性管理、可靠性生产、可靠性维修、可靠性试验、可靠性数据的收集处理和交换等．从产品的设计到产品退役的整个过程中，每一步骤都可包含于可靠性工程之中。 由此我们可以看出，结构可靠性设计仅是可靠性工程的其中一个环节，当然也是重要的环节，从内容上讲，它包括了结构可靠性分析、结构可靠性设计和结构可靠性试验三大部分。结构可靠性分析的过程大致分为三个阶段。 一是搜集与结构有关的随机变量的观测或试验资料，并对这些资料用概率统计的方法进行分析，确定其分布概率及有关统计量，以作为可靠度和失效概率计算的依据。

桥梁设计要点

桥梁设计要点 一、结构计算要点 1、根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第1.0.6条要求，公路桥涵结构的设计基准期为100年，市政桥涵据此采用设计基准期100年，各类主要构件及其使用材料应保证其设计基准期要求。 2、汽车荷载根据道路、公路等级分别采用公路-I级、公路-II级，特殊荷载根据业主要求确定。桥梁设计安全等级根据《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第1.0.9条，分为一级、二级、三级，重要性系数根据设计安全等级确定。设计中注意按照单孔跨径确定，对多孔不等跨径桥梁，以其中最大跨作为判断标准，同时在设计中结构重要性系数应大于等于1.0。 3、抗震设计标准：青岛市桥梁抗震设防烈度为6度，地震动峰值加速度为0.05g。其他地区及有特殊要求桥梁根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）附录A规定的烈度和地震加速度，结合桥梁抗震规范和实施细则进行抗震设计。 4、环境类别根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第1.0.7条确定，并按照要求提出相应的耐久性的基本要求。 5、混凝土保护层厚度根据环境类别确定，详见《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第9.1条，当受拉区主筋保护层厚度大于50mm时，

应在保护层内设置直径不小于6mm，间距不大于100mm的钢筋网（主要用于承台下层）。 6、护栏防撞等级根据《公路交通安全设施规范》（JTG D81-2006）和《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81-2006）确定，中央隔离墩预制长度4米。设计规范需要在桥梁设计说明依据中列出。 7、桥涵应进行承载能力极限状态和正常使用极限状态设计，其中正常使用极限状态不应遗漏挠度计算和预拱度设置。 8、预应力混凝土受弯构件应根据规范进行正截面和斜截面抗裂验算，并满足《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第6.3条的规定。 9、普通钢筋混凝土构件和B类预应力混凝土构件，在正常使用极限状态下的裂缝宽度，应按作用短期效应组合并考虑长期效应影响进行验算，其宽度限制根据环境类别确定，详见《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第6.4.2条。 10、 T形截面梁的翼缘有效宽度和箱形截面梁在腹板两侧上下翼缘的有效宽度应根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2004）第4.2.2条和4.2.3条进行断面折减。各类受力筋应布置在有效宽度范围内。 11、由于日照正温差和降温反温差引起的梁截面应力，可按附录B计算。竖向日照温差梯度曲线可按《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）第4.3.10条计取，桥面混凝土铺装层不计入温度梯度，沥青混凝土铺装层厚度大于10cm的按照14度计算。

结构优化设计大作业(北航)

《结构优化设计》 大作业报告 实验名称: 拓扑优化计算与分析 1、引言 大型的复杂结构诸如飞机、汽车中的复杂部件及桥梁等大型工程的设计问题，依靠传统的经验和模拟实验的优化设计方法已难以胜任，拓扑优化方法成为解决该问题的关键手段。近年来拓扑优化的研究的热点集中在其工程应用上，如: 用拓扑优化方法进行微型柔性机构的设计，车门设计，飞机加强框设计，机翼前缘肋设计，卫星结构设计等。在其具体的操作实现上有两种方法，一是采用计算机语言编程计算，该方法的优点是能最大限度的控制优化过程，改善优化过程中出现的诸如棋盘格现象等数值不稳定现象，得到较理想的优化结果，其缺点是计算规模过于庞大，计算效率太低;二是借助于商用有限元软件平台。本文基于matlab软件编程研究了不同边界条件平面薄板结构的在各种受力情况下拓扑优化，给出了几种典型结构的算例，并探讨了在实际优化中优化效果随各参数的变化，有助于初学者初涉拓扑优化的读者对拓扑优化有个基础的认识。

2、拓扑优化研究现状 结构拓扑优化是近20年来从结构优化研究中派生出来的新分支，它在计算结构力学中已经被认为是最富挑战性的一类研究工作。目前有关结构拓扑优化的工程应用研究还很不成熟，在国外处在发展的初期，尤其在国内尚属于起步阶段。1904 年Michell在桁架理论中首次提出了拓扑优化的概念。自1964 年Dorn等人提出基结构法，将数值方法引入拓扑优化领域，拓扑优化研究开始活跃。20 世纪80 年代初，程耿东和N. Olhoff在弹性板的最优厚度分布研究中首次将最优拓扑问题转化为尺寸优化问题，他们开创性的工作引起了众多学者的研究兴趣。1988年Bendsoe和Kikuchi发表的基于均匀化理论的结构拓扑优化设计，开创了连续体结构拓扑优化设计研究的新局面。1993年Xie.Y.M和Steven.G.P 提出了渐进结构优化法。1999年Bendsoe和Sigmund证实了变密度法物理意义的存在性。2002 年罗鹰等提出三角网格进化法，该方法在优化过程中实现了退化和进化的统一，提高了优化效率。目前常使用的拓扑优化设计方法可以分为两大类：退化法和进化法。结构拓扑优化设计研究，已被广泛应用于建筑、航天航空、机械、海洋工程、生物医学及船舶制造等领域。 3、拓扑优化建模（SIMP） 结构拓扑优化目前的主要研究对象是连续体结构。优化的基本方法是将设计区域划分为有限单元，依据一定的算法删除部分区域，形成带孔的连续体，实现连续体的拓扑优化。连续体结构拓扑优化方法目前比较成熟的是均匀化方法、变密度方法和渐进结构优化方法。 变密度法以连续变量的密度函数形式显式地表达单元相对密度与材料弹性模量之间的对应关系，这种方法基于各向同性材料，不需要引入微结构和附加的均匀化过程，它以每个单元的相对密度作为设计变量，人为假定相对密度和材料弹性模量之间的某种对应关系，程序实现简单，计算效率高。变密度法中常用的插值模型主要有:固体各向同性惩罚微结构模型(solidisotropic microstructures with penalization，简称SIMP)和材料属性的合理近似模型(rational approximation ofmaterial properties，简称RAMP)。而本文所用即为SIMP插值模型。

什么样的桥梁结构承重最大

什么样的桥梁结构承重最大 （春光小组：周鹏徐德闯） 一、项目概述 1. 开展年级：五年级、六年级 2.学科：科学、数学、信息技术 3. 简介： 本学习项目主要对象是五年级至六年级学生，桥梁是他们日常生活中常见事物，但桥梁的承重量有多大，什么样的地理环境适合建造什么结构类型的桥梁等等问题却很少同学去关心。本次项目探究 活动，将从少年儿童身边熟悉的桥梁入手，让他们自己提出有关对桥梁感兴趣的问题，设计探究方法，通过调查、实验、观察、搜集资料、整理信息等方法，培养他们对科学探究的兴趣及数学、信息技术 应用的能力。 二、学习团队 1. 教师： 周鹏：综合实践 徐德闯：科学 2．学生： 旅顺口区迎春小学： 庄河光明山中心小学： 三、学习目标与任务 1. 教学目标分析 认知目标：了解不同结构的桥梁承重力是不同的 能力目标：能通过改变桥梁的结构来改变桥梁的承重力 情感与价值观：培养学生科学探究的方法与能力，知道科学就在我们身边。 信息素养：提高学生利用现在网络技术、高科技手段搜集、整理文字、图片信息的能力。 2. 学习任务

5位同学为一小组，合作完成以下任务: ●任务1：从日常生活中同学们司空见惯的桥梁入手，让学生提一些比较感兴趣、乐于研究的问题， 确立研究主题。 ●任务2：从电视、杂志、互联网等寻找一些有关桥梁的图片、数据信息。 ●任务3：通过信息的整理与分析，从中发现问题及思考解决问题的方案，设计对比实验。 ●任务4：把任务1、2、3的研究成果进行整理，做出一份可以相互交流的项目报告。 四、学习过程 项目学习活动过程（概念图）： 任务一寻找世界各地的桥梁设计

?报章、杂志：你们可以从报章或杂志寻找你们所熟悉的桥梁结构，把图片及设计方案(或有关新闻)剪下，并记录你是从哪一份报章(报章名称)和哪一天(日期)取得的。 ?互联网：你亦可以从互联网上寻找桥梁结构设计并把它打印出来，记录你是从哪个网址中取得的。 ?其他途径：其实，若你能细心观察，亦可以从其他途径发现桥梁结构的设计应用，例如电视节目等。把有关的桥梁结构设计记录下来，并记录你是从哪里获得有关资料。 想一想以下的问题: ?桥梁的整体形状是什么样子? ?桥梁的主体结构是怎样设计的? ?最突出的、最令人印象深刻的桥梁结构设计对你的启发? 任务二设计桥梁结构设计图 学生搜集力学原理，结构以什么样的形式制作最稳定？ 注意：进行访问时，紧记要表现应有的礼貌! 根据搜集讨论得来的思路绘制桥梁设计图（可以是多个设计方案） 从绘制成的桥梁结构设计图中，你们发现什么? 有什么总结? 把你们的发现记录下来。并思考问题: ?桥梁的整体形状及桥体的结构特征? ?你会如何解释你们的发现? ?你们的发现对你有什么启示? 任务三制作项目实践探究整理