新的研究导致更轻和更环保的桥梁

03.06.2020

最近完成的研究项目揭示了减少用于悬架桥甲板的材料的可能性超过四分之一 - 意味着高达30%的二氧化碳排放。

过去60年没有看到任何对悬架桥梁设计的基本变化,悬索桥梁 - 丹麦中最着名的丹麦。为了满足更长的桥梁,丹麦技术大学(DTU)和Cowi的要求,研究了如何优化结构以减少桥甲板的重量,特别是增加跨度。最近发表在公认的科学杂志自然通信中,该研究项目的结果表明了巨大的潜力。

“我们采用了不同的方法来研究如何更好地利用材料,这些材料主要由钢和混凝土组成。最初,我们试图优化他们的使用在传统结构通过桥面横向膜片,从而实现理论重量减少了14%,“马德斯雅各Baandrup说进行了分析与博士学位项目,今天在COWI做工程师的桥梁。

新的弧形设计使之与众不同

为了实现额外的储蓄,研究人员展望了改变结构设计的可能性。这是通过使用拓扑优化,汽车和飞机行业中已知的方法进行的,这些方法以前没有用于大型建筑结构。

“通俗地说,它是关于‘清空’桥梁上现有的元素,为选择新设计提供完全的自由。”然后,桥梁的内部体积被分成一个非常小的体素(3D像素)结构,就像小骰子。然后,拓扑优化方法用于确定每个个体体素应该由空气或钢材料组成。结果是桥梁梁的设计使用了尽可能少的钢材,而不损害结构的强度,”Niels Aage副教授说,DTU机械工程,他是大规模优化领域的世界领先科学家之一,负责该项目的分析。

具体而言,分析了桥接元件30×5×75米的桥接元件,分为20亿体素,每个血管凝胶,每个脊柱凝胶大于几厘米,导致超级计算机执行的广泛计算。计算将拍摄普通电脑155年。它是有史以来最大的结构优化。

照片

土耳其奥斯曼Gazi悬挂桥在背景中可见,拓扑优化结果在右上角。随后,解释了外观和高度复杂的优化 - 有机的结果,这导致了一种新的,更简单的设计(标记为红色)。与传统设计相比(以蓝色标记)相比,新设计需要超过28%以上的桥梁。白色箭头表示设计过程的过程。

一个CO₂saving,经济上有趣的解决方案

计算机计算为如何优化桥面设计空间提供了输入。除此之外,这意味着将目前笔直的横膈膜的一部分弯曲,从而有可能削去用于桥面的28%的材料。从而实现相应减少混凝土和钢材生产和运输产生的CO₂排放。

“我们调整了计算,以确保桥梁梁结构具有最佳设计,并且可以在没有过于昂贵的生产方法的情况下进行。经济方面是重要的,使设计成为未来桥梁项目的现实选择,“Mads Jacob Baandrup说。

为明天的悬索桥提供宝贵的知识

当然,在新设计可用于建筑桥之前,将需要额外的分析,但COWI相信研究项目的结果为明天的悬架桥梁增加了宝贵的知识。

“新的桥梁梁设计可以转化为重量和二氧化碳₂减少高达20%,整个桥,这当然有利于气候。COWI还参与了许多世界上最大的桥梁项目,因此潜在的新设计也将使我们的客户和社会受益。”

DTU对结果也非常兴奋。

“我们相信,使用拓扑优化来确保其他大型建筑结构的可持续设计,如高层建筑、体育场馆或公路桥,有着巨大的前景。我们想探索这个领域,由于建筑行业占全球CO₂排放量的39%,几乎任何减排都可以引起人们的兴趣,”DTU机械工程学院的Ole Sigmund教授说。

事实

拓扑优化的计算是在Prace(欧洲先进计算的伙伴关系)超级计算机上进行的。

资金

  • COWI基金会:450.000 DKK
  • 创新基金:668.518 DKK
  • 考威桥梁国际部:205.000 DKK

取得了联系

Henrik波尔克
技术总监
桥国际、丹麦

电话:+45 2048 6765

取得了联系

雅各马德斯Baandrup
工程师
、丹麦

电话:+45 61540090