地下钢筋混凝土岔管结构优化设计及应用研究.pdf
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1、水 力 发 电 第4 0 卷第 1 2期 2 0 1 4 年 1 2月 地 下 钢 筋 琨 凝 土 岔 管 结 构 优 丫 匕设 计 及 应 用 研 究 苏 超 ,张杨杨 ,姜念 堂 ( 1 河海大学水利水 电学院 ,江苏 南京 2 1 0 0 9 8 ; 2 上海勘测设计研究院有 限公 司,上海 2 0 0 4 3 4 ) 摘要 :地下钢筋混凝土岔管为水 电站输水结构 的重要组成部分 ,安全合理 的岔管结构体形设计可 以有效地减 少洞 室开挖和混凝土浇筑工作量 ,提高工程设计质量 。针对实 际工程 中常见 的岔 管结 构形 式 ,根据 实际工作 状态 ,建立 了地下钢筋混凝土岔管优化数学模型
2、 ,基于粒子群优化算法 ,开发 了钢筋混凝土岔管结构优化设计程序 。以某水 电 站输水系统的引水岔管为例 ,对其进行优 化分析 ,验证 了程序的技术 可行性和运行稳定性。 关键词 :岔管 ;结构优化 ;自动剖分 ;粒 子群优化算法 ;有限元 De s i g n Op t i mi z a t i o n a n d Ap p l i c a t i o n Re s e a r c h o f Un d e r g r o u n d Re i n f o r c e d Co n c r e t e B i f u r c a t i o n Pi p e S U Ch a o , ZHA
3、NG Ya n g y a n g , J I ANG Ni a n t a n g 2 ( 1 C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o p o w e r E n g i n e e r i n g , H o h a i U n i v e r s i t y , N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 , J i a n g s u , C h i n a ; 2 S h a n g h a i I n v e s t i g a t i o n , De s i g n& Re s e
4、 a r c h I n s t i t u t e , S h a n g h a i 2 0 0 4 3 4 , C h i n a ) Ab s t r a c t :U n d e r g r o u n d r e i n f o r c e d c o n c r e t e b i f u r c a t i o n p i p e i s a n i mp o r t a n t p a r t o f c o n v e y s t r u c t u r e o f h y d r o p o w e r s t a t i o n A s a f e a n d r e
5、a s o n a b l e d e s i g n o f b i f u r c a t i o n p i p e c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e c a v e r n e x c a v a t i o n a n d c o n c r e t e p o u r i n g w o r k a n d i mp r o v e e n g i n e e ri n g d e s i g n q u a l i t y I n v i e w o f c o mmo n s t ru c t u r e f o r m i n p
6、 r a c t i c a l e n g i n e e ri n g , t h e o p t i mi z a t i o n ma t h e ma t i c a l mo d e l o f un de r g r o un d r ei n f o r c e d c o n c r e t e b i f ur ca t i o n p i p e i s e s t a b l i s h e d a c c o r di ng t o r e a l wo r k i n g s t a t u s Ba s e d o n t he b a s i c p ri n
7、c i p l e o f P a rt i c l e S wa r m Op t i mi z a t i o n A l g o ri t h m, t h e s t ru c t u r e o p t i mi z a t i o n d e s i g n s y s t e m o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b i f u r c a t i o n p i p e i s d e v e l o p e d As a n e x a mp l e , t h e b i f u r c a t i o n p i p e i
8、n a p o we r s t a t i o n i s a n a l y z e d b y t h e d e s i g n o p t i mi z a t i o n s y s t e m a n d t h e be t t e r d e s i g n pa r a me t er s a r e o b t a i n e dTh e o pe r a t i o n a l s t a bi l i t y a n d t e c hn i c a l f e a s i b i l i t y o f t h e d e s i g n o pt i mi z a
9、 t i o n s y s t e m a r e v e r i fi e d Ke y W o r d s : b i f u r c a t i o n p i p e ; s t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n ; a u t o ma t i c s u b d i v i s i o n ; P a r t i c l e S w a r m Op t i mi z a t i o n Al g o r i t h m; F E M 中图分类号 : T V 3 4 ; T V 7 3 2 4 3 文献标识码 : A 文章编号 : 0 5
10、5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 4 ) 1 2 0 0 4 2 0 3 随着 大 型 水 电站 尤 其 抽水 蓄 能 电 站 的兴 建 ,岔 管 的规 模 也在 不 断 扩 大 。岔 管 为空 间 组 合结 构 ,在 水 流 和 受力 都 较 为 复杂 的情 况 下 ,其 处 于复 杂 应 力 状 态 。 国内外 众 多 学 者 已对 钢筋 混 凝 土 岔管 结 构 的 分 析 方 法 、应 力 、 变 形 、 配 筋 及 优 化 等 方 面 进 行 了 一 些 研 究 I 。 在 岔管 结 构 设计 时 根据 实 际 布 置情 况 设 计 出 安全合 理 的结 构形式 是广 大设 计
11、工 作者 追求 的 目标 。 岔 管 优 化不 仅 可 以减少 结 构 本 身工 作 量 同时 还 可 以减 少 洞室 的开 挖量 ,经 济效 益 明显 。但 目前做 的 优 化设 计 大 多 还 是传 统 的 优化 设 计 ,采 用 的方法 还 囫W a t e r P o w e r V o 1 4 0N o 1 2 是 方 案 比 选 ,较 少 涉 及 数 学 规 划 方 法 ,不 能 充 分 利 用 岔 管 结 构 材 料 的 性 能 。 本 文 实 现 了 参 数 化 建 模 和 网 格 自动 剖 分 ,采 用 粒 子 群 优 化 算 法 进 行 岔 管 结 构 的 数学 优化 ,在
12、 传 统 优 化 设 计 的基 础 上 更 进 一步 , 得 到安 全 合 理 的体 形 及 良好 的 应力 变 形 特 征 对 T 程 的经济 性和 安全稳 定 性有重 大 意义 。 收稿 日期 :2 0 1 4 0 4 2 4 作 者简介 :苏超( 1 9 6 O 一 ) ,男( 满族 ) ,吉林梅河 口人 ,教授 博 士生导师 , 从事水工结构工程 、水运lT程数值计算方法与实验研究 张杨杨 ( 通讯作者 ) 1JL =, 1J J , J、 , 叮, L l , , J, D帆L-山丘: ; 口 I u l 。 u l, r口 L l ,l 7 1 岔管参数化有限元模型和剖分程序开发
13、岔 管 模 型建 立 需 根 据 不 同 岔管 结 构 形 式 确 定其 体 形控 制 参 数 。再 根 据控 制 参 数 对 体形 控 制 点 坐 标 求解 ,确定 三维 模 型分块 划 分并 进行 自动化 剖分 5 1 。 通 常 岔 管 的基 本 设 计参 数 可概 括 为 主 管 进 口直 径 。 、支 管 出 口直 径 R: 、分 岔 角 b、岔 管 公 切 球半 径 R 和 主 半 锥 角 a , 支 锥 管 的 半 锥 角 、a 3 ,腰 线 转 折 角 2 、 3 , 以 及 管 壁 厚 度 t 、t : , 、t ( 图 中 未 标 出 )等 ,如 图 1 。 通过 几 何
14、关 系进 行 各 尺 寸计 算 及 体形 控 制 点 计 算 ,其 中要 进 行 必 要 的 中 间变 量 计算 和 坐标 系轴 线坐 标 等辅 助几 何尺 寸计 算 。 图 1 Y 型 岔 管及 其体 形 控 制 点 计算 简 图 利 用 VB编 写 控 制 点 坐 标 计 算 程 序 通 过 参 数 输 入界 面输 入 岔 管 控 制点 及 围岩 块 体 坐标 ,导 出数 据 文 件 CGF K T XT 和 KZ D T XT。 根 据 剖 分 份 数 和 剖 分 比 例 , 导 人 F ORT RAN 自 动 化 剖 分 执 行 程 序 6 - 7 1 C GWG EXE进行 剖 分
15、再 通过 编 写 AB AQUS的计 算 文 件 i n p。将单 元 节点 信息 输入 到 软件 ,完 成 三维 有 限元 网 格 模 型 。 2 岔管优化设计程序开发 结 构 的 优 化 设 计 过 程 可 概 述 为“ 随 机 初 始 参 数一 结 构 计 算 分 析一 约 束 条 件 判 断一 搜 索 较 优 设 计 方 案一 最优 设计 成 果 ” 。实 现这 个过 程 一般 需 要 以下 几 步 : 建立 合 理 的 数 学模 型 ,将 实 际工 程 结 构 设 计 问题 转化 成 数 学 求 解 问题 ; 通 过 某种 合 理 有 效 的优 化 计算 方 法 对 数 学 问题 求
16、 解 ; 结合 一 定 结 构 分 析方 法 编 制 计算 程 序 ,并 对结 构 进 行 优化 设 计 计 算 。 ( 1 )数 学 模 型 的建 立 。本 文是 对 岔 管 体 形 进 行 优 化 设 计 ,设 计 变 量 的选 择 必 须 体 现其 结 构 形 式 , 选 取 岔 管体 形 控 制 参 数( 图 1 )为 设 计 变 量 。为 充 分 利 用 钢 筋 混 凝 土 岔 管 结 构 的 材 料 性 能 ,减 小 工 程 量 ,节 约 成 本 ,本 文 以 钢 筋 混 凝 土 岔 管 结 构 的 混 凝 土 用 量 最 小 为 目标 函 数 。 约 束 条 件 包 括 几 何
17、约 束 和 强度 约束 。几 何 约束 即对 岔管 结构设 计 参数 的规定 : 半 锥 角 ,0 1 0 2 ; 分 岔 角 b ,0 3 6 0 4 ; 各 管段 的最 短母 线 长不 少于 3 0 0 mm; 混凝 土岔 管 管 壁 厚 度 t ,d l d 2 。 强度 约束 即应 力 约束 条 件 ,拉 应力 小 于 混 凝 土极 限抗 拉 强度 设 计 值 ,压应 力 小 于 混凝 土极 限 抗 压 强度 设 计 值 ,主应 力 应 满 足 : c r l _1 、 7 3 o r 3 , 其 中 , 1 为 拉 应 力 ; 3 为 压 应 力 ; l I为极 限抗 拉强 度 设计
18、 值 ; 【 c r 3 为 极 限抗压 强 度 设 计 值 嘲。本 文 基 于 河 海 大 学 傅 作 新 教 授 等 提 出 的 有 限 元 等 效 应 力 法 9 1 的 思 想 ,对 拉 应 力 约 束 控 制 标 准 进 行应 力 等 效 ,根据 钢 筋 的 配 筋量 ,可 将 混凝 土 拉 应 力控 制 标 准 适 当地 提 高 ,具体 提 高 的 量值 应 根 据 配 筋 计 算 。 ( 2)优 化 设 计算 法 的选 择 。地 下 钢 筋 混 凝 土 岔 管优 化 的数 学模 型一 般 是 非 线性 规 划 问 题 ,适 用 的 优 化算 法 有 广 义 简约 梯 度 法 、复
19、 形 法 、粒子 群 优 化 算 法 、罚 函 数 法 、序 列 线 性 规 划 法 、 序 列 二 次 规 划 法 等 。本 文 拟 尝试 采 用 粒 子 群优 化 算 法 对地 下 钢 筋 混 凝 土 岔 管 进 行 优 化 设 计 。 粒 子 群 优 化 算 法 ( P a r t i c l e S wa r m Op t i mi z a t i o n, 简 称“ P S O” ) 首 先 初 始 出 一 组 随 机 粒 子( 解 ) ,粒 子 在 解 空 间 内 追 随 最 优 粒 子进 行 搜 索 ,搜 索 过 程 中每个 粒 子 根 据 当前 最 优 粒 子 的 位 置 来
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- 关 键 词:
- 地下 钢筋混凝土 结构 优化 设计 应用 研究
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