拓扑优化 (TO) 是一种设计优化方法，以有限的材料量生成高性能结构。拓扑优化特别强大，因为它不需要用户对结构构件做初始布局。相反，它将材料自由地放置在具有已知力和边界条件的定义设计空间内，因此该办法能够通过算法得出高效的结果。拓扑优化在建筑行业具有巨大的影响潜力，因为它能够在一定程度上帮助减少建筑材料的使用，而建筑材料产生的温室气体约占全球的 10%。在现有的建筑拓扑研究中，专对于钢筋混凝土 (RC) 设计的算法受到了广泛关注。钢筋混凝土是一种重要的研究结构系统，因为它在建筑行业中无处不在。它还可以轻松形成成型模具，使其能适应复杂的优化几何形状。钢筋混凝土拓扑优化的常用方法是使用抗压强度大的连续体元素来表示混凝土支柱的放置，使用抗拉强度大的桁架元素来放置钢拉杆。这两个组件结合在一起，按照支撑拉杆法形成桁架式钢筋混凝土结构。本研究将提出一种新的钢筋混凝土拓扑优化框架。连续体和桁架元素将像 [3] 中一样一起使用，但桁架元素节点的位置将由设计变量控制，并能够在优化过程中移动。此外，SIMP 惩罚方案不会用于连续体元素，因此它们各自的设计变量可以取 0 到 1 之间的中间值。按照可变厚度板方法，这些值将在最终设计中被解释为变化的厚度。将使用这个新框架展示几个数值设计示例，并将制造和测试中等规模的设计（跨度约 1 米）。
大家早上好，今天我很荣幸能谈谈我关于可持续港口石灰石超高性能混凝土的研究。让我先给大家介绍一下研究背景。应对气候平均状态随时间的变化和自然灾害当然很重要，尤其是上个月我们经历了两场重大飓风，而全球有40%的人口实际上生活在沿海地区。多个方面数据显示，造成超过十亿损失的灾害正在迅速增加，其中飓风、暴风雨和洪水造成的损害最为严重。如果我们不采取任何行动，未来的情况可能会更糟。
尽管我们有不同的方法来减轻这些自然灾害并保护我们的沿海地区，过去沿海社区主要依赖于海堤和防波堤等基础设施。而今天，我们已有超过20,000公里的混凝土覆盖，但这些混凝土正在老化，常常显示出显著的损坏，而且它们的设计仅仅考虑了工程功能，错失了惠及周边ECO的重要机会。
因此，在迈阿密大学，不同的研究团队开始开发“海蜂项目”。海蜂项目是一个正在进行的混合型海岸保护系统，基于18米长的六角形混凝土管，其模块化设计和侧面的穿孔允许水流入系统，从而消散波浪能量，保护沿海地区免受风暴潮和海岸侵蚀。它采用可持续的混凝土混合物，能够兼容生态系统，例如帮助恢复自然珊瑚礁。
到目前为止，我们已在南佛罗里达部署了三个试点项目，另一个使用3D打印混凝土技术的项目正在开发中。在这次演示中，我们没时间详细讨论海蜂项目，但我们将着重关注其材料。我们大家都认为，想要获得更耐用的混凝土结构，我们确实需要用更好的材料。
传统的超高性能混凝土（UHPC）是一个不错的选择，但存在两个挑战：一是其材料具备很高的碳足迹，二是这些材料，尤其是钢纤维，成本非常高。这两种条件严重限制了传统UHPC的大规模使用。因此，我们思考怎么样解决这两个挑战，尝试通过用PLC替代传统的1型和2型水泥，并添加如超细石灰石、粉煤灰和矿渣等低碳材料，来改善UHPC的可持续性。
我们使用当地可用的材料，开发了五种不同的配方，这些配方在材料比例和纤维类型上各有不同。第一种配方使用了仅含钢纤维的混凝土，第二种是同时包含聚乙烯和钢纤维的混合系统，最后三种则仅使用聚乙烯纤维。我们保持水与胶结合比为0.2，超塑化剂的添加量为体积的2%。我们将所有配方与一款商业UHPC进行比较。
这是我们正在进行的研究的初步结果，涉及自生收缩，这在UHPC中是一个实际问题，因为它会导致内部应力和混凝土开裂，进而影响耐久性。在这种情况下，我们的配方实际上比商业UHPC的自生收缩更少，这主要是由于个人会使用的不同的矿物掺合料（SCMs）创造了更大的微观结构，帮助降低了水化过程中形成的毛细压力。
有趣的是，矿渣的表现优于粉煤灰，这与其较高的二氧化硫含量有关，化学膨胀帮助抵消了部分收缩效应。我们还评估了这些混合物的抗住压力的强度，测试时间长达91天，其中我们开发的配方表现出了两个明显的效果：一是钢纤维的强度优于聚乙烯纤维，二是不同的SCMs在强度发展中发挥了作用，石灰石和矿渣在早期阶段表现得更好，而粉煤灰则在后期阶段更具贡献。
需要注意的是，我们的一个配方在91天时超越了商业UHPC，达到了大多数UHPC定义要求的120兆帕强度。虽然这些强度对于UHPC来说并不特别高，但我们预期的结果并不高，部分原因是个人会使用了高替代水平的掺合料和PLC，并且没用任何温控养护条件，只是在正常条件下养护。
测试时，我们一般使用圆柱体，而我们获取的结果则是基于立方体的测试。由于圆柱体测试需要特定的设备，不是所有实验室都有，因此我们决定比较立方体和圆柱体的测试结果，发现立方体其实就是一个可接受的替代方案，因为这两种几何体的强度结果之间有良好的相关性。
另一个比较是由于我们应该测试的样本数量，个人会使用塑料模具，并与钢模具进行了比较。结果显示，使用钢模具的强度更高，避免了由于几何缺陷导致的约15%至20%的强度损失。
我们还采用经典的四点弯曲测试来测试抗裂强度，测试纤维增强混凝土时，我们大家都希望能获得一定的韧性并利用这种抗弯硬化行为，这在我们开发的所有配方和商业UHPC中都得到了体现。
为了评估我们方法的可持续性，咱们进行了一项分析，考虑了这些混合物的全球变暖潜力。我们以不同的商业UHPC作为参考，这一些产品的全球变暖潜力平均超过每立方米1000千克CO2当量。相比之下，普通混凝土的值大约是这个值的三分之一，而我们的配方平均为640千克，这在某种程度上预示着相较于商业UHPC减少了40%的碳排放，这对我们可持续方法的可行性至关重要。
我们还进行了其他测试，评估这些混合物的新鲜特性。例如，我们测量了流动性，发现含钢纤维的混合物表现出自我压实的行为，而聚乙烯纤维则更具挑战性。有关更多细节，请参阅幻灯片上的链接。此外，这项研究仍在进行中，我们目前正在评估这种混凝土在海水和极端条件下的耐久性，更多细节希望能在下次的ACI会议上进行展示。
感谢大家的关注，我感谢所有参与这项研究的合作伙伴，并非常乐意回答您可能有的任何问题。
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