软土地基上水闸结构优化分析

2018-02-18麻媛

珠江水运 2018年16期

麻媛

摘要：分析了软土地基上水闸结构优化的发展情况，并且从软土地基上水闸整体结构的优化设计的角度出发，以某水闸工程为例，进行了整体结构的优化方案设计，取得了良好的优化效果，能够为软土地基上水闸结构设计提供依据。

关键词：水闸桩基软土地基结构设计优化设计

当前的软土地基水闸结构设计中，规范规定的方法依旧是主要的选择，在这一设计方法中闸室和基础结构的设计是分开的，在具体的设计过程中只是将闸室作为外加负荷加载到基础结构上，将闸室和基础结构之间的关系做了简化，只考虑到了两种结构之间利息的简化传递，但是对于两者的互相影响，以及整体的工作效应却没有考虑进来，基于此设计出的结构方案并不是最优的，还能够进一步的优化。因此近年来很多专家学者都对水闸结构的优化设计进行了研究，希望能够进一步的优化水闸结构设计的方案，研究取得了不错的成果。韩延成通过应用复形法对开敞式水闸进行闸室段的优化，从而获得了更具经济性的结构尺寸，有效的降低了工程的造价。在上述的研究中，都是将闸室和基础结构分开研究的，在水闸闸室和基础整体结构的优化方面还是缺乏相应的研究，基于这种情况，本文结合某水闸的工程实例，将闸室和基础结构作为一个整体进行研究，并且在相关约束条件以及优化设计理念的基础之上，对水闸结构的设计方案进行了优化，将其与原设计方案的闸室优化进行对比，发现整体式的优化方案优化效果更加明显。

在上述式子这之中，xi表示的是优化设计的变量，表示的是设计的方案；F（ x）表示的是优化的目标函数，如质量最轻；k（ x）表示的是优化的约束函数，如建筑规范中规定的强度。稳定度和刚度等限制条件；n表示设计中涉及到的变量数量；l和m分别表示的是等式、不等式的约束个数。

2.水闸整体结构优化设计

2.1工程概况

本文中所优化的水闸工程的具体情况如下，采用开敞式闸室，闸室的具体数据如下：该工程采用钢筋混凝土作为主要结构，总宽度为23.2m，共设有两个净宽度为10.0 m的孔，整个闸室的总净宽度为20 m，设有两个边墩和一个中墩，厚度分别为1 m和1.2m，顺水流方向长度为1 m。在底板选择上，该闸室采用的是两孔一联整体式的，底板的具体参数如下：顶面高程为-2.00 m、厚度1.5，m。该工程选用钻孔灌注桩基础，共设有桩柱30根，每个桩柱参数一致，桩径、桩顶高程、桩底高程和柱长分别为120.0 cm，-3.50 m，-21. 50 m，18.0 m。

2.2水闸整体结构优化模型的构建

（1）选取优化设计变量。

本文在选取优化设计的变量时考虑到了多方面因素，不仅包括水闸结构优化设计中经常考虑到的结构特点、影响闸室受力和稳定的各方面因素，而且还将闸室和基础之间存在的相互作用以及机理考虑了进来，在综合考虑这些因素的基础上选择设计模型中的变量，所选择的的变量如下：底板厚度（ x1 ）、中墩厚度（ x2 ）、边墩厚度（ x3 ）、桩径（ x4）等。

（2）选取目标函数

工程结构优化设计过程中目标函数根据实际需求进行选取，通常情况下在水闸结构优化时考虑最多的是工程造价和结构总体积两方面，因此多选择这两个参数作为目标函数，本文的优化设计过程中，将造价最低确定为目标函数。影响工程造价的一项主要因素是使用的混凝土的土方量，本文在计算过程中，将各部分钢筋混凝土按照综合单价计算，基于上述条件确定如下的计算公式：

在上式中，Pi表示的是水闸各部分结构材料的综合单价；Vi则表示的是对应的体积。

（3）约束条件

在工程结构设计过程中通常将限制设计方案的条件称之为状态变量，设计方案必须满足这些限制。按照約束性质可以划分为性态约束和界限约束等。在本文的优化设计中的限制条件主要包括几何约束、地基承载力约束、抗滑稳定约束、闸室和桩基结构强度约束、闸室沉降约束和桩顶水平位移约束。结合该工程的具体特点，确定约束条件的具体因此如表1中所示。

2.3结构计算模型建立以及优化设计结果及分析

结构计算模型的建立。在完成模型计算模型的构建之后，需要进行参数化建模。本文的参数化建模采用了商用软件ANSYS来编写水闸整体优化计算的命令流，基于其完成了机构计算模型的建立。在该模型中综合考虑到了各项因素，包括软土地基的性质，闸底板与土体、桩土相互作用的特点等，基于上述因素来选择土体、桩土接触以及地板土体解除的模型模拟，最终土体采用 D-P本构模型模拟，而后两者则应用了基于摩尔库伦摩擦特性的非线性本构模型模拟。在完成结构计算模型的建立工作之后，使用ANSYS分析软件来进行优化结果的计算，该软件中的 APDL 参数化语言和优化求解器具有在数学模型的可行域内寻找最优解的功能，本文应用这一功能找出了建立的模型的最优解，从而得到了优化设计的数据结果，详细数据如表2中所示。

通过对上表中的数据进行分析可知，通过两种优化设计方案的设计变量和总造价都有所降低，而二者相比，整体结构优化设计方案的优化效果更好，优化后的总造价较闸室结构优化设计方案少2.7%。通过分析还可以发现，闸室的应力增加的幅度较大，群桩结构应力不断缩小，整体的受力情况更加的均匀合理；在优化方案下能够有效的降低基地压应力，闸室沉降的情况得到了一定的减小，水闸结构受力和形变情况也得到了有效的改善。同时，通过结构优化设计后闸室结构在强度、刚度和稳定性方面都有不错的表现，都是可以符合规范的。基于上述论述，可以认为通过水闸整体的优化设计，不仅能够保证水闸结构具有良好的安全性和可靠性，同时较为经济。通过将闸室和基础作为一个整体进行水闸结构的设计，可以将水闸结构的整体工作性态更加真实的进行反应，从而可以对闸室和基础的结构抗力进行更加充分的利用，从而获取更加合理，并且更具经济效益的水闸结构尺寸。