CN116822263A - 一种路灯杆塔基础结构的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种路灯杆塔基础结构的设计方法，包括：分别建立路灯杆塔、杆塔基础以及地基的有限元模型，并定义路灯杆塔、杆塔基础以及地基的有限元模型之间的界面约束条件，构建路灯杆塔‑杆塔基础‑地基的相互作用模型；对路灯杆塔的有限元模型施加荷载，基于界面约束条件对地基的有限元模型进行变形分析；基于变形分析结果，对杆塔基础的有限元模型进行拓扑优化分析并迭代求解；基于拓扑优化分析结果，构建杆塔基础的优化结构模型。该路灯杆塔基础结构的设计方法利用数值仿真和拓扑优化方法对杆塔基础的受力和结构进行合理的计算设计，具有科学明确的设计路径，可实现最优建筑材料消耗和地基变形指标控制，灵活适配多种挂载设备的承载需求。
Description
技术领域
本发明涉及杆塔基础结构制造技术领域，尤其涉及一种路灯杆塔基础结构的设计方法。
背景技术
路灯杆塔是目前城乡基础设施的重要组成部分，其分布具有量大面广的特点。路灯杆塔的正常服役需要杆塔基础作为下部结构，将挂载设备的荷载传递到地基土层中，并通过地基与杆塔基础相互作用控制地基变形，确保路灯杆塔上下部结构的整体稳定。
当前城市建设面临“杆塔森林”困境，对市容市貌造成了明显负面影响。因为对市政管网线路的依赖，各种不同功能的设备，如照明领域的路灯、通讯领域的信号基站、传媒领域的广播广告、交通领域的信号灯、气象领域的监测仪以及能源领域的太阳能电池板等，需要在微型重叠区域内密集布设。在单一功能杆塔的传统布设模式下，此类微型重叠区域极易形成杆塔林立的空间拥挤。为了破解上述困境，国家号召各地各部门进行杆塔资源共享，对路灯杆塔提出了“一杆多用”的共享要求，即在路灯杆塔上同时布设通信和交通等多种功能设备，形成一种多功能路灯杆塔。多功能路灯杆塔的上部挂载更为复杂，对杆塔基础的承载性能提出了更高要求。
目前，现有的路灯杆塔基础均为混凝土六面体结构，根据各地方的标准图集进行设计，采用掏槽浇筑进行现场施工。此类杆塔基础在设计施工上存在以下问题：无法进行杆塔基础的设计计算，尺寸和材料选择缺乏明确依据，容易造成较大的设计冗余和材料浪费；力学性能无法满足挂载设备的多样化需求。
发明内容
本发明提供一种路灯杆塔基础结构的设计方法，用以解决现有技术中路灯杆塔基础结构设计单一、存在较大设计冗余和材料浪费且力学性能欠佳的缺陷。
本发明提供一种路灯杆塔基础结构的设计方法，包括：
分别建立路灯杆塔、杆塔基础以及地基的有限元模型，并定义所述路灯杆塔、所述杆塔基础以及所述地基的有限元模型之间的界面约束条件，构建路灯杆塔-杆塔基础-地基的相互作用模型；
对所述路灯杆塔的有限元模型施加荷载，基于所述界面约束条件对所述地基的有限元模型进行变形分析；
基于变形分析结果，对所述杆塔基础的有限元模型进行拓扑优化分析并迭代求解；
基于拓扑优化分析结果，构建所述杆塔基础的优化结构模型。
根据本发明提供的一种路灯杆塔基础结构的设计方法，所述分别建立路灯杆塔、杆塔基础以及地基的有限元模型，进一步包括：
获取所述路灯杆塔的产品技术信息，确定所述路灯杆塔的形态和力学参数，建立所述路灯杆塔的有限元模型；
获取所述杆塔基础的设计标准图集，确定所述杆塔基础的形态和力学参数，建立所述杆塔基础的有限元模型；
获取所述路灯杆塔所处区域的地基土的勘察数据，确定所述地基土的物理和力学参数，以预设的地基尺寸建立所述地基的有限元模型。
根据本发明提供的一种路灯杆塔基础结构的设计方法，所述定义所述路灯杆塔、所述杆塔基础以及所述地基的有限元模型之间的界面约束条件，构建路灯杆塔-杆塔基础-地基的相互作用模型，进一步包括：
将所述路灯杆塔的有限元模型与所述杆塔基础的有限元模型之间的界面约束条件定义为约束全部自由度的固定约束；
将所述杆塔基础的有限元模型与所述地基的有限元模型之间的界面约束条件定义为预设的界面接触模型。
根据本发明提供的一种路灯杆塔基础结构的设计方法，在所述对所述路灯杆塔的有限元模型施加荷载之前，还包括：
获取待安装于所述路灯杆塔的挂载设备的产品技术信息；
基于对所述杆塔基础的最不利荷载组合原则，以形成最大偏心力矩为目标，确定所述挂载设备的荷载分布模式。
根据本发明提供的一种路灯杆塔基础结构的设计方法，所述基于变形分析结果，对所述杆塔基础的有限元模型进行拓扑优化分析并迭代求解，进一步包括：
将所述地基的有限元模型中位于所述杆塔基础的有限元模型的底面以下的部分结构定义为目标区域，将所述杆塔基础的有限元模型定义为设计域；
基于所述目标区域的沉降变形分布，确定所述目标区域的最大沉降量；
以所述目标区域的最大沉降量为目标函数以及以所述设计域的体积和受力变形响应为约束条件，基于变密度法建立拓扑优化模型并迭代求解。
根据本发明提供的一种路灯杆塔基础结构的设计方法，所述基于变密度法建立拓扑优化模型并迭代求解，进一步包括：
对所述设计域进行网格划分，并将初始相对密度值赋给所述设计域内的每个网格单元；
基于线性梯度递减的方式，更新每个所述网格单元的相对密度值，确定在受载时所述目标区域的最大沉降量对所述网格单元的相对密度值的敏度，直至满足收敛条件。
根据本发明提供的一种路灯杆塔基础结构的设计方法，所述基于拓扑优化分析结果，构建所述杆塔基础的优化结构模型，进一步包括：
将所述网格单元的敏度从高到低进行排序，并定义敏度排序阈值为1-Vo，其中Vo为所述杆塔基础的目标体积占初始体积的百分比；
当所述网格单元的敏度排序低于所述敏度排序阈值时，删除所述网格单元；
检查所有已删除的所述网格单元，将形成所述杆塔基础的内部空腔的所述网格单元予以复活保留。
根据本发明提供的一种路灯杆塔基础结构的设计方法，所述目标函数为：
Minimize：max(Uz)ρ∈Γ
所述约束条件为：
其中，目标函数Uz为所述目标区域的最大沉降量，Γ为所述杆塔基础的有限元模型的底面的网格单元集合，Vj为所述设计域内任意网格单元的体积，为所述杆塔基础的有限元模型的总体积，K、U和F分别为所述杆塔基础的总刚度矩阵、总位移矩阵和荷载矩阵，ρj为所述设计域内任意网格单元的相对密度。
根据本发明提供的一种路灯杆塔基础结构的设计方法，在所述构建所述杆塔基础的优化结构模型之后，还包括：
采用建筑三维打印技术对所述杆塔基础的优化结构模型进行打印成型。
根据本发明提供的一种路灯杆塔基础结构的设计方法，所述采用建筑三维打印技术对所述杆塔基础的优化结构模型进行打印成型，进一步包括：
提取所述杆塔基础的优化结构模型的力学参数，基于建筑三维打印材料配比与力学参数的相关关系，确定打印材料的进料参数；
提取所述杆塔基础的优化结构模型的外轮廓表面结点坐标，并转化成可被建筑三维打印设备识别的形态数据；
基于所述打印材料的进料参数和所述形态数据，设置打印参数，将所述杆塔基础的优化结构模型打印成型。
本发明提供的路灯杆塔基础结构的设计方法，通过构建路灯杆塔-杆塔基础-地基的相互作用模型，来模拟实际工程中路灯杆塔、杆塔基础和地基之间的连接和接触；再对路灯杆塔的结构模型施加荷载，通过模拟路灯杆塔-杆塔基础-地基之间的相互作用，分析地基的结构模型的变形状态；最后基于变形分析结果，对杆塔基础的有限元模型进行拓扑优化并迭代求解，得到优化结构模型。该路灯杆塔基础结构的设计方法利用数值仿真和拓扑优化方法对杆塔基础的受力和结构进行合理的计算设计，具有科学明确的设计路径，可实现最优建筑材料消耗和最优地基变形指标控制，灵活适配多种挂载设备的承载需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的路灯杆塔基础结构的设计方法的流程示意图；
图2是本发明提供的路灯杆塔-杆塔基础-地基的相互作用模型的数值建模示意图；
图3是本发明提供的荷载加载路径示意图；
图4是本发明提供的杆塔基础的有限元模型在拓扑优化过程中的形态演化图；
图5是本发明提供的打印完成后的杆塔基础的结构示意图；
附图标记：
1：路灯杆塔:；2：杆塔基础；3：路灯；4：太阳能电池板；5：监控摄像头；6：广告牌；7：通信工业路由器；8：路灯杆塔-杆塔基础-地基的相互作用模型；9：有限元模型的边界条件；10：荷载加载路径；11：拓扑优化的虚拟边界；12：杆塔基础的中间形态；13：杆塔基础的最终形态；14：杆塔基础实体；15：走线套管；16：螺栓锚固件；17：杆塔基础顶部承台。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“上”“下”“左”“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在发明实施例中的具体含义。
如图1至图4所示，本发明实施例提供的一种路灯杆塔基础结构的设计方法，包括：
S100：分别建立路灯杆塔1、杆塔基础2以及地基的有限元模型，并定义路灯杆塔1、杆塔基础2以及地基的有限元模型之间的界面约束条件，构建路灯杆塔-杆塔基础-地基的相互作用模型8。
具体地，如图1和图2所示，路灯杆塔1的有限元模型可以根据待安装的路灯杆塔1的型号、尺寸规格等产品技术信息来建立，例如塔身直径以及高度等等参数的设定，均可根据用户的需求来定。杆塔基础2的有限元模型可以根据相关标准的设计图纸来建立，例如可采用六面体混凝土结构，结构尺寸满足对路灯杆塔1的承载需求以及用户需求即可，此时建立的为初始结构模型，后续可对该模型进行优化。地基的有限元模型可以根据路灯杆塔1所处区域的地基土的勘察数据来建立，初始尺寸可以根据杆塔基础2的尺寸来设定。本发明实施例对建立有限元模型的具体方式不作限定，可以通过三维建模软件建立三维模型后导入ABAQUS有限元分析软件中建立有限元模型，也可以直接在有限元分析软件中建模。
建立完成路灯杆塔1、杆塔基础2以及地基的有限元模型后，可以在有限元分析软件中设置路灯杆塔1、杆塔基础2以及地基的有限元模型之间的界面约束条件，来模拟实际中的路灯杆塔1与杆塔基础2以及杆塔基础2与地基之间的连接和接触关系，具体的约束条件可以根据实际安装方式来选定，本发明实施例不作具体限定。最终构建形成路灯杆塔-杆塔基础-地基的相互作用模型8，后续的静力学分析均是在该相互作用模型的基础上进行。
S200：对路灯杆塔1的有限元模型施加荷载，基于界面约束条件对地基的有限元模型进行变形分析。
具体地，如图2所示，路灯杆塔1上可以根据需要安装多种类型的挂载，例如照明设备、太阳能充电板、通信设备、监控设备、信息发布设备、环境监控设备、广播设备、智能充电桩等等，挂载设备的具体类型可以根据用户的使用需求来决定，此处不再一一枚举，本发明实施例也不作具体限定。
在确定了挂载设备的型号数量后，即可以根据每个挂载设备的产品技术信息确定其荷载大小，再综合考虑各挂载设备的安装规范、应用需求和杆塔悬挂空间约束后，确定其悬挂高度、悬挂偏心距和悬挂方向，进而最终确定作用于路灯杆塔1的荷载分布情况。最后将实际条件下的荷载分布情况转化为有限元分析软件的荷载约束条件，施加于路灯杆塔1的有限元模型，对路灯杆塔-杆塔基础-地基的相互作用模型8进行静力学分析，荷载经由杆塔基础2传递至地基后，地基发生变形，以地基的变形分析为主要控制目标。
S300：基于变形分析结果，对杆塔基础2的有限元模型进行拓扑优化分析并迭代求解。
其中，传统的杆塔基础2仅关注尺寸优化，整体形状基本采用六面体结构，此时结构的改进空间十分有限；而拓扑优化(也称广义的形状优化)旨在寻求一个连续空间内实体部分的最优分布，以得到杆塔基础2最有可能实现结构材料最优分布的方案，显著地节省材料，取得更大的经济效益，同时具备良好的承载性能。
具体地，拓扑分析可在ABAQUS有限元分析软件中进行，先基于对路灯杆塔-杆塔基础-地基的相互作用模型8的静力学分析，得到地基的变形分析结果，再基于变形分析结果对杆塔基础2的有限元模型进行拓扑优化。
S400：基于拓扑优化分析结果，构建杆塔基础2的优化结构模型。
具体地，杆塔基础2的有限元模型在进行拓扑优化后，可能会出现一些孔洞结构，不便于制造，同时在受压时也容易失稳，因此还需要进行填补孔洞的后处理操作；另外，拓扑优化结果所生成的模型的边界可能会出现不够光滑的现象，因而还需要进行平滑外轮廓的后处理操作。因此，在对拓扑优化的结果进行进一步地后处理操作后，才得到最终符合制造要求的杆塔基础2的优化结构模型。
本实施例提供的路灯杆塔基础结构的设计方法，通过构建路灯杆塔-杆塔基础-地基的相互作用模型8，来模拟实际工程中路灯杆塔1、杆塔基础2和地基之间的连接和接触；再对路灯杆塔1的结构模型施加荷载，通过模拟路灯杆塔1-杆塔基础2-地基之间的相互作用，分析地基的结构模型的变形状态；最后基于变形分析结果，对杆塔基础2的有限元模型进行拓扑优化并迭代求解，得到优化结构模型。该路灯杆塔基础结构的设计方法利用数值仿真和拓扑优化方法对杆塔基础2的受力和结构进行合理的计算设计，具有科学明确的设计路径，可实现最优建筑材料消耗和最优地基变形指标控制，灵活适配多种挂载设备的承载需求。
进一步地，步骤S100进一步包括：
S110：获取路灯杆塔1的产品技术信息，确定路灯杆塔1的形态和力学参数，建立路灯杆塔1的有限元模型。
S120：获取杆塔基础2的设计标准图集，确定杆塔基础2的形态和力学参数，建立杆塔基础2的有限元模型。
S130：获取路灯杆塔1所处区域的地基土的勘察数据，确定地基土的物理和力学参数，以预设的地基尺寸建立地基的有限元模型。
在一个具体的实施例中，如图2所示，路灯杆塔1可以采用变直径直杆，尺寸可以为6000mm(高)×60mm(上部直径)/126.5mm(下部直径)×2.75mm(壁厚)。杆塔基础2可以采用六面体结构，尺寸可以为600mm(长)×600mm(宽)×200mm(高)。为消除模型边界效应，地基的区域尺寸在水平方向取杆塔基础2的尺寸的2倍，在深度方向取杆塔基础2的厚度(即高度)的3倍。
更进一步地，步骤S100进一步包括：
S140：将路灯杆塔1的有限元模型与杆塔基础2的有限元模型之间的界面约束条件定义为约束全部自由度的固定约束。
S150：将杆塔基础2的有限元模型与地基的有限元模型之间的界面约束条件定义为预设的接触面单元模型。
具体地，如图2所示，实际中的路灯杆塔1和杆塔基础2之间采用完全固接的方式连接，例如使用螺栓锚固件进行锚固连接，还可以在现场直接焊接连接等等。因而，为了模拟实际的连接方式，在有限元软件中，将路灯杆塔1的有限元模型与杆塔基础2的有限元模型之间的界面约束条件定义为约束全部自由度的固定约束。
杆塔基础2与地基之间属于直接界面接触，因而可以在杆塔基础2的有限元模型与地基的有限元模型之间采用有限元软件自带的界面接触模型，例如接触面单元模型，具体可选无厚度接触面单元模型，有厚度薄层单元模型、无厚度摩擦接触单元模型等。具体的有限元模型的边界条件9参见图2所示。
进一步地，在步骤S200之前，还包括：
获取待安装于路灯杆塔1的挂载设备的产品技术信息；
基于对杆塔基础2的最不利荷载组合原则，以形成最大偏心力矩为目标，确定挂载设备的荷载分布模式。
具体地，如图2和图3所示，待安装于路灯杆塔1的挂载设备可以根据需要选择，如照明领域的路灯3、能源领域的智能充电桩和太阳能电池板4、交通领域的信号灯和监控摄像头5、传媒领域的广播和广告牌6、通讯领域的通信工业路由器7、气象领域的环境监测仪等等。本实施例以路灯3、太阳能电池板4、监控摄像头5、广告牌6和通信工业路由器7为例进行说明。路灯杆塔、杆塔基础以及挂载设备的具体信息见表1。
表1路灯杆塔、杆塔基础以及挂载设备的具体信息
根据厂家出具的上述设备的产品技术信息和规范中的布设要求，基于基础最不利荷载组合原则，考虑各设备空间约束关系，以形成最大偏心力矩为目标，确定挂载设备的布设信息。具体步骤包括：
首先，获取挂载设备重量，将设备重量乘以重力加速度，即得到设备挂载的荷载大小；
然后，结合挂载设备的重心和规范建议，确定挂载设备的作用点和悬挂偏心距，如图2所示，本实例中的广告牌6和太阳能电池板4对称布置，通信工业路由器7贴靠路灯杆塔1布设，三者偏心距均取零；
接着，根据各类挂载设备的安装规范建议确定悬挂高度；
最后，综合考虑空间约束和功能需求调整各挂载设备的悬挂方向，如广告牌6和太阳能电池板4二者尺寸较大，在高度方向上与其他设备容易产生空间冲突，但二者均无交通视线要求，因而悬挂方向可设置为平行道路方向，为形成最大偏心力矩(单个设备的偏心力矩为设备荷载大小乘以悬挂偏心距)，其余挂载设备均布设在垂直道路方向。图3示出了本实施例中的五种典型设备的荷载加载路径10。
进一步地，步骤S300进一步包括：
S310：将地基的有限元模型中位于杆塔基础2的有限元模型的底面以下的部分结构定义为目标区域，将杆塔基础2的有限元模型定义为设计域。
S320：基于目标区域的沉降变形分布，确定目标区域的最大沉降量。具体地，在对路灯杆塔1的有限元模型施加荷载的过程中，监测目标区域(即杆塔基础2底面以下的地基部分)变形演化，选取目标区域中的最大沉降量作为地基变形控制指标。
S330：以目标区域的最大沉降量为目标函数以及以设计域的体积和受力变形响应为约束条件，基于变密度法建立拓扑优化模型并迭代求解。其中，变密度法的原理是通过人为假定单元的密度和材料物理属性之间的某种对应关系，以连续变量的密度函数形式显式地表达这种对应关系，它以每个单元的相对密度(此处的相对密度是单元正则化以后的相对密度)作为设计变量，通过单元的相对密度来决定材料的去留，在变密度法的有限元分析结果中，单元密度为1的部分保留，单位密度为0的部分去除，单元密度在0～1之间的部分，根据具体情况考虑去留。图4示出了杆塔基础2的有限元模型在拓扑优化过程中的形态演化图，杆塔基础2的有限元模型在拓扑优化的虚拟边界11中，由初始形态逐渐演变至杆塔基础的中间形态12，再形成杆塔基础的最终形态13。
更进一步地，基于变密度法建立拓扑优化模型并迭代求解，进一步包括：
S331：对设计域进行网格划分，并将初始相对密度值赋给设计域内的每个网格单元。
S332：基于线性梯度递减的方式，更新每个网格单元的相对密度值，确定在受载时目标区域的最大沉降量对网格单元的相对密度值的敏度，直至满足收敛条件。具体地，可以根据数值模型网格密度对设计域(即杆塔基础2的有限元模型)在高度方向上进行离散化，形成不同高度上的网格单元序列；在同一高度上依次调减基础的网格单元密度，考察目标区域的最大沉降量对相应网格单元密度的敏感性。然后再从杆塔基础2的有限元模型的顶面至底面依次变化高度，依次迭代求解。
上述拓扑优化过程中的目标函数为：
Minimize：max(Uz)ρ∈Γ
约束条件为：
其中，目标函数Uz为目标区域的最大沉降量，Γ为杆塔基础的有限元模型的底面的网格单元集合，Vj为设计域内任意网格单元的体积，为杆塔基础的有限元模型的总体积，K、U和F分别为杆塔基础的总刚度矩阵、总位移矩阵和荷载矩阵，ρj为设计域内任意网格单元的相对密度。
上述模型的敏度形式为：
其中，λT为伴随方程Kλ＝-1的解。
在上述拓扑优化数学模型求解过程中，最大优化迭代步限制为50步，收敛准则定义为单元相对密度变化最大值小于0.01，采用过滤器解决棋盘格问题，过滤半径为2个单元边长。
更进一步地，步骤S400进一步包括：
S410：将网格单元的敏度从高到低进行排序，定义敏度排序阈值为1-Vo，其中Vo为杆塔基础2的目标体积占初始体积的百分比，当网格单元的敏度排序低于敏度排序阈值时，删除该网格单元。其中，Vo取值可以根据用户需求进行预设，一般在30％-80％区间内取值。
S420：检查所有已删除的网格单元，将形成杆塔基础2的内部空腔的网格单元予以复活保留。
具体地，进一步考察密度接近为零的网格单元分布情况，对于已经形成杆塔基础2内部空腔的网格单元，将其密度恢复为原有密度；对于只改变杆塔基础2外部轮廓形态的近零密度网格单元，予以删除。再对杆塔基础2的外部轮廓进行平滑处理，得到最终的杆塔基础2的优化结构模型。
在上述实施例的基础上，在步骤S400之后，还包括：
S500：采用建筑三维打印技术对杆塔基础2的优化结构模型进行打印成型。
具体步骤包括：
S510：提取杆塔基础2的优化结构模型的力学参数，基于建筑三维打印材料配比与力学参数的相关关系，确定打印材料的进料参数。
S520：提取杆塔基础2的优化结构模型的外轮廓表面结点坐标，并转化成可被建筑三维打印设备识别的形态数据。
S530：基于打印材料的进料参数和形态数据，设置打印参数，将杆塔基础2的优化结构模型打印成型。
如图5所示，从杆塔基础2的数值模型中提取网格单元的力学参数，根据建筑三维打印材料配比与力学参数的相关关系，进一步确定打印用建筑材料的具体材料组成和配比，并进一步转化为建筑三维打印的材料进料参数。
从拓扑优化后的杆塔基础2的网格单元中提取基础外轮廓坐标参数，结合杆塔基础2与路灯杆塔1连接用的螺栓锚固件16以及走线套管15的形态参数，按照建筑三维打印要求，进一步转化为打印参数。
打印前，将螺栓锚固件16和走线套管15通过外部装置在打印区域内进行固定，在打印过程中螺栓锚固件16和走线套管15得以与建筑材料有效粘结，打印完成后，螺栓锚固件16比杆塔基础顶部承台17高出5cm，走线套管15与杆塔基础顶部承台17齐平。图5示出了最终打印成型的杆塔基础实体14。
通过以上实施例可以看出，本发明提供的路灯杆塔基础结构的设计方法通过构建路灯杆塔-杆塔基础-地基的相互作用模型8，来模拟实际工程中路灯杆塔1、杆塔基础2和地基之间的连接和接触；再对路灯杆塔1的结构模型施加荷载，通过模拟路灯杆塔1-杆塔基础2-地基之间的相互作用，分析地基的结构模型的变形状态；最后基于变形分析结果，对杆塔基础2的有限元模型进行拓扑优化并迭代求解，得到优化结构模型。该路灯杆塔基础结构的设计方法利用数值仿真和拓扑优化方法对杆塔基础2的受力和结构进行合理的计算设计，具有科学明确的设计路径，可实现最优建筑材料消耗和最优地基变形指标控制，灵活适配多种挂载设备的承载需求。
此外，本发明提供的杆塔基础2具有明确的形态参数和材料参数，可在工厂应用建筑三维打印技术进行预制，可以在路灯杆塔1的目标场地进行装配式施工，可以释放传统杆塔基础2掏槽浇筑施工对人员、时间和天气等方面的多重约束和要求。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种路灯杆塔基础结构的设计方法，其特征在于，包括：
分别建立路灯杆塔、杆塔基础以及地基的有限元模型，并定义所述路灯杆塔、所述杆塔基础以及所述地基的有限元模型之间的界面约束条件，构建路灯杆塔-杆塔基础-地基的相互作用模型；
对所述路灯杆塔的有限元模型施加荷载，基于所述界面约束条件对所述地基的有限元模型进行变形分析；
基于变形分析结果，对所述杆塔基础的有限元模型进行拓扑优化分析并迭代求解；
基于拓扑优化分析结果，构建所述杆塔基础的优化结构模型。
2.根据权利要求1所述的路灯杆塔基础结构的设计方法，其特征在于，所述分别建立路灯杆塔、杆塔基础以及地基的有限元模型，进一步包括：
获取所述路灯杆塔的产品技术信息，确定所述路灯杆塔的形态和力学参数，建立所述路灯杆塔的有限元模型；
获取所述杆塔基础的设计标准图集，确定所述杆塔基础的形态和力学参数，建立所述杆塔基础的有限元模型；
获取所述路灯杆塔所处区域的地基土的勘察数据，确定所述地基土的物理和力学参数，以预设的地基尺寸建立所述地基的有限元模型。
3.根据权利要求2所述的路灯杆塔基础结构的设计方法，其特征在于，所述定义所述路灯杆塔、所述杆塔基础以及所述地基的有限元模型之间的界面约束条件，构建路灯杆塔-杆塔基础-地基的相互作用模型，进一步包括：
将所述路灯杆塔的有限元模型与所述杆塔基础的有限元模型之间的界面约束条件定义为约束全部自由度的固定约束；
将所述杆塔基础的有限元模型与所述地基的有限元模型之间的界面约束条件定义为预设的界面接触模型。
4.根据权利要求1所述的路灯杆塔基础结构的设计方法，其特征在于，在所述对所述路灯杆塔的有限元模型施加荷载之前，还包括：
获取待安装于所述路灯杆塔的挂载设备的产品技术信息；
基于对所述杆塔基础的最不利荷载组合原则，以形成最大偏心力矩为目标，确定所述挂载设备的荷载分布模式。
5.根据权利要求1所述的路灯杆塔基础结构的设计方法，其特征在于，所述基于变形分析结果，对所述杆塔基础的有限元模型进行拓扑优化分析并迭代求解，进一步包括：
将所述地基的有限元模型中位于所述杆塔基础的有限元模型的底面以下的部分结构定义为目标区域，将所述杆塔基础的有限元模型定义为设计域；
基于所述目标区域的沉降变形分布，确定所述目标区域的最大沉降量；
以所述目标区域的最大沉降量为目标函数以及以所述设计域的体积和受力变形响应为约束条件，基于变密度法建立拓扑优化模型并迭代求解。
6.根据权利要求5所述的路灯杆塔基础结构的设计方法，其特征在于，所述基于变密度法建立拓扑优化模型并迭代求解，进一步包括：
对所述设计域进行网格划分，并将初始相对密度值赋给所述设计域内的每个网格单元；
基于线性梯度递减的方式，更新每个所述网格单元的相对密度值，确定在受载时所述目标区域的最大沉降量对所述网格单元的相对密度值的敏度，直至满足收敛条件。
7.根据权利要求6所述的路灯杆塔基础结构的设计方法，其特征在于，所述基于拓扑优化分析结果，构建所述杆塔基础的优化结构模型，进一步包括：
将所述网格单元的敏度从高到低进行排序，并定义敏度排序阈值为1-Vo，其中Vo为所述杆塔基础的目标体积占初始体积的百分比；
当所述网格单元的敏度排序低于所述敏度排序阈值时，删除所述网格单元；
检查所有已删除的所述网格单元，将形成所述杆塔基础的内部空腔的所述网格单元予以复活保留。
8.根据权利要求6所述的路灯杆塔基础结构的设计方法，其特征在于，所述目标函数为：
Minimize：max(Uz)ρ∈Γ
所述约束条件为：
Subject to
其中，目标函数Uz为所述目标区域的最大沉降量，Γ为所述杆塔基础的有限元模型的底面的网格单元集合，Vj为所述设计域内任意网格单元的体积，为所述杆塔基础的有限元模型的总体积，K、U和F分别为所述杆塔基础的总刚度矩阵、总位移矩阵和荷载矩阵，ρj为所述设计域内任意网格单元的相对密度。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的路灯杆塔基础结构的设计方法，其特征在于，在所述构建所述杆塔基础的优化结构模型之后，还包括：
采用建筑三维打印技术对所述杆塔基础的优化结构模型进行打印成型。
10.根据权利要求9所述的路灯杆塔基础结构的设计方法，其特征在于，所述采用建筑三维打印技术对所述杆塔基础的优化结构模型进行打印成型，进一步包括：
提取所述杆塔基础的优化结构模型的力学参数，基于建筑三维打印材料配比与力学参数的相关关系，确定打印材料的进料参数；
提取所述杆塔基础的优化结构模型的外轮廓表面结点坐标，并转化成可被建筑三维打印设备识别的形态数据；
基于所述打印材料的进料参数和所述形态数据，设置打印参数，将所述杆塔基础的优化结构模型打印成型。
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| CN202210788145.7A CN116822263A (zh) | 2022-07-04 | 2022-07-04 | 一种路灯杆塔基础结构的设计方法 |
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