軟土地基上水閘結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

麻媛

摘 要：分析了軟土地基上水閘結(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展情況，并且從軟土地基上水閘整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計的角度出發(fā)，以某水閘工程為例，進行了整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案設(shè)計，取得了良好的優(yōu)化效果，能夠為軟土地基上水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水閘 樁基 軟土地基 結(jié)構(gòu)設(shè)計 優(yōu)化設(shè)計

當(dāng)前的軟土地基水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計中，規(guī)范規(guī)定的方法依舊是主要的選擇，在這一設(shè)計方法中閘室和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計是分開的，在具體的設(shè)計過程中只是將閘室作為外加負荷加載到基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，將閘室和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系做了簡化，只考慮到了兩種結(jié)構(gòu)之間利息的簡化傳遞，但是對于兩者的互相影響，以及整體的工作效應(yīng)卻沒有考慮進來，基于此設(shè)計出的結(jié)構(gòu)方案并不是最優(yōu)的，還能夠進一步的優(yōu)化。因此近年來很多專家學(xué)者都對水閘結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計進行了研究，希望能夠進一步的優(yōu)化水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計的方案，研究取得了不錯的成果。韓延成通過應(yīng)用復(fù)形法對開敞式水閘進行閘室段的優(yōu)化，從而獲得了更具經(jīng)濟性的結(jié)構(gòu)尺寸，有效的降低了工程的造價。在上述的研究中，都是將閘室和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分開研究的，在水閘閘室和基礎(chǔ)整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方面還是缺乏相應(yīng)的研究，基于這種情況，本文結(jié)合某水閘的工程實例，將閘室和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)作為一個整體進行研究，并且在相關(guān)約束條件以及優(yōu)化設(shè)計理念的基礎(chǔ)之上，對水閘結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案進行了優(yōu)化，將其與原設(shè)計方案的閘室優(yōu)化進行對比，發(fā)現(xiàn)整體式的優(yōu)化方案優(yōu)化效果更加明顯。

在上述式子這之中，xi表示的是優(yōu)化設(shè)計的變量，表示的是設(shè)計的方案；F（ x）表示的是優(yōu)化的目標函數(shù)，如質(zhì)量最輕；k（ x） 表示的是優(yōu)化的約束函數(shù)，如建筑規(guī)范中規(guī)定的強度。穩(wěn)定度和剛度等限制條件；n表示設(shè)計中涉及到的變量數(shù)量；l和m分別表示的是等式、不等式的約束個數(shù)。

2.水閘整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

2.1工程概況

本文中所優(yōu)化的水閘工程的具體情況如下，采用開敞式閘室，閘室的具體數(shù)據(jù)如下：該工程采用鋼筋混凝土作為主要結(jié)構(gòu)，總寬度為23.2m，共設(shè)有兩個凈寬度為10.0 m的孔，整個閘室的總凈寬度為20 m，設(shè)有兩個邊墩和一個中墩，厚度分別為1 m和1.2m，順水流方向長度為1 m。在底板選擇上，該閘室采用的是兩孔一聯(lián)整體式的，底板的具體參數(shù)如下：頂面高程為-2.00 m、厚度1.5，m。該工程選用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，共設(shè)有樁柱30根，每個樁柱參數(shù)一致，樁徑、樁頂高程、樁底高程和柱長分別為120.0 cm，-3.50 m，-21. 50 m，18.0 m。

2.2水閘整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的構(gòu)建

（1）選取優(yōu)化設(shè)計變量。

本文在選取優(yōu)化設(shè)計的變量時考慮到了多方面因素，不僅包括水閘結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中經(jīng)?？紤]到的結(jié)構(gòu)特點、影響閘室受力和穩(wěn)定的各方面因素，而且還將閘室和基礎(chǔ)之間存在的相互作用以及機理考慮了進來，在綜合考慮這些因素的基礎(chǔ)上選擇設(shè)計模型中的變量，所選擇的的變量如下：底板厚度（ x1 ）、中墩厚度（ x2 ）、邊墩厚度（ x3 ）、樁徑（ x4）等。

（2）選取目標函數(shù)

工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計過程中目標函數(shù)根據(jù)實際需求進行選取，通常情況下在水閘結(jié)構(gòu)優(yōu)化時考慮最多的是工程造價和結(jié)構(gòu)總體積兩方面，因此多選擇這兩個參數(shù)作為目標函數(shù)，本文的優(yōu)化設(shè)計過程中，將造價最低確定為目標函數(shù)。影響工程造價的一項主要因素是使用的混凝土的土方量，本文在計算過程中，將各部分鋼筋混凝土按照綜合單價計算，基于上述條件確定如下的計算公式：

在上式中，Pi表示的是水閘各部分結(jié)構(gòu)材料的綜合單價；Vi則表示的是對應(yīng)的體積。

（3）約束條件

在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中通常將限制設(shè)計方案的條件稱之為狀態(tài)變量，設(shè)計方案必須滿足這些限制。按照約束性質(zhì)可以劃分為性態(tài)約束和界限約束等。在本文的優(yōu)化設(shè)計中的限制條件主要包括幾何約束、地基承載力約束、抗滑穩(wěn)定約束、閘室和樁基結(jié)構(gòu)強度約束、閘室沉降約束和樁頂水平位移約束。結(jié)合該工程的具體特點，確定約束條件的具體因此如表1中所示。

2.3結(jié)構(gòu)計算模型建立以及優(yōu)化設(shè)計結(jié)果及分析

結(jié)構(gòu)計算模型的建立。在完成模型計算模型的構(gòu)建之后，需要進行參數(shù)化建模。本文的參數(shù)化建模采用了商用軟件ANSYS來編寫水閘整體優(yōu)化計算的命令流，基于其完成了機構(gòu)計算模型的建立。在該模型中綜合考慮到了各項因素，包括軟土地基的性質(zhì)，閘底板與土體、樁土相互作用的特點等，基于上述因素來選擇土體、樁土接觸以及地板土體解除的模型模擬，最終土體采用 D-P本構(gòu)模型模擬，而后兩者則應(yīng)用了基于摩爾庫倫摩擦特性的非線性本構(gòu)模型模擬。在完成結(jié)構(gòu)計算模型的建立工作之后，使用ANSYS分析軟件來進行優(yōu)化結(jié)果的計算，該軟件中的 APDL 參數(shù)化語言和優(yōu)化求解器具有在數(shù)學(xué)模型的可行域內(nèi)尋找最優(yōu)解的功能，本文應(yīng)用這一功能找出了建立的模型的最優(yōu)解，從而得到了優(yōu)化設(shè)計的數(shù)據(jù)結(jié)果，詳細數(shù)據(jù)如表2中所示。

通過對上表中的數(shù)據(jù)進行分析可知，通過兩種優(yōu)化設(shè)計方案的設(shè)計變量和總造價都有所降低，而二者相比，整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案的優(yōu)化效果更好，優(yōu)化后的總造價較閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方案少2.7%。通過分析還可以發(fā)現(xiàn)，閘室的應(yīng)力增加的幅度較大，群樁結(jié)構(gòu)應(yīng)力不斷縮小，整體的受力情況更加的均勻合理；在優(yōu)化方案下能夠有效的降低基地壓應(yīng)力，閘室沉降的情況得到了一定的減小，水閘結(jié)構(gòu)受力和形變情況也得到了有效的改善。同時，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后閘室結(jié)構(gòu)在強度、剛度和穩(wěn)定性方面都有不錯的表現(xiàn)，都是可以符合規(guī)范的?；谏鲜稣撌觯梢哉J為通過水閘整體的優(yōu)化設(shè)計，不僅能夠保證水閘結(jié)構(gòu)具有良好的安全性和可靠性，同時較為經(jīng)濟。通過將閘室和基礎(chǔ)作為一個整體進行水閘結(jié)構(gòu)的設(shè)計，可以將水閘結(jié)構(gòu)的整體工作性態(tài)更加真實的進行反應(yīng)，從而可以對閘室和基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)抗力進行更加充分的利用，從而獲取更加合理，并且更具經(jīng)濟效益的水閘結(jié)構(gòu)尺寸。

參考文獻：

[1]徐炳林.軟土地基水閘設(shè)計中沉降控制復(fù)合樁基應(yīng)用實踐[J].珠江水運，2015（24）： 70-71.

[2]王璇，胡為平.軟土地基上水閘結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析比較[J].能源與環(huán)保，2016（2）： 80-83.

[3]韓延成，徐云修.開敞式水閘閘室段結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].中國農(nóng)村水利水電，2000（4）： 34-37.

[4]鄒武停.開敞式水閘閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)，2012.

[5]李芬花，馬慧，盧東海，等. ANSYS零階方法和一階方法的重力壩斷面優(yōu)化研究[J].水利水電技術(shù)，2014， 45（1）： 69-72.