开敞式水闸闸室结构优化设计研究.pdf

2016年9月
装饰
水利建设
开故式水闻间室结构优化设计研究
安徽省水利部注河水利委员会水利科学研究院安徽合肥230000
要;在防洪、灌溉、航、誹涝、发电等工作中都离不开冰闸,因此水闸在水利工程中占有重要地位。本文探讨了建
立开瀲式水闻闸室结构优化的目标函数、约束条件,并用准则法对开散式水间闸室段进行了优化,道实例计算说明优
化具有一定的意义
关鍵词:开敞式水闸;結构:优化设计
图分类号:TV662
文献标识码:A
文章編号:1673-00382016)40-0249-02
须对这些限制进行满足。、以约束性质为依据,可以将其分为以
存挡水的过程市,水闻的间室会受到水平水的压カ、水平水「下两个类別:一类是性态约東,比如结构设计中的容许应力,稳
会将水间推向下游,因此要保障间的稳定,就必须依靠闸室自「定要求等:类是界限約束,比如变量取值的界限。限制结构的
身的重力。由手上下游具有水位差,上游的水会经过水闻的地「作用效具有比复的表达式,而且属于变量的隐式函数、从状
基,然后绕过两岸流向下游。因此比,对其结构进行优化势存必行,「态变最的角度,上限和下限可能同时存在。在水间的优化设计
结构优化对水闸的设计发挥着重要作用
中,约束条件有几何尺小、地基承载力、抗滑稳定、抗淰稳定性、
1水结构优化模型的构建
底板和闻墩的内力及应力等约束条件。
1.1选取优化设计变量
(1)地基求载力约東。在各种计算情况下,要求闻室最大基地
压应力不大于地基允许承載力,可表示为:
闸墩与闸底板是间室段的主要结构。水闸结构不仪会受到底
板的尺寸和间墩的尺寸的影响,水间结构的内力和尺寸还会受
其中,P表示闸空底面最大压应力:P。表示闻底地基允许承
到防渗布置及闸门的位置的影响。因此,选取闸门的位置、底板
的厚度、长度及闸墩的厚度等作为基本优化变量
(2)几何尺小约東。可以以上部结构的布置和地基条什为依
1.2选取目标函数的
据米对水阐底板的长度进行确定。底板长度范围为12~18m;底
要尽滅小日标数的数,并透择设计变量函数作为H标「板的度不超过最大位,也不能小于最小位闻城在门的缩致
函数,这是由于改变設计变量数位的同时也将改变目标函数的「处的最小厚度范围为0406m,中最小厚度范团为1214m
数值?般情況下常用的日标函数主要有构的体积、造价、重「墩厚度以06-11m为宣,边城厚度范田以017-1m为宜
量作为目标函数、为了通过控制工程量来提高整体经済效益,在「此为依据确定的和边戦有较小的厚度,可将缝与边墩厚
选取日标函数时将价格较低的混凝士排除,可以选择闻墩和底し度适当增大,确定为1.18-135m
板的总造价最小值。
(3)应力约束。闻室必须在混凝士强度设计范围内,可表
h Ch
式中:C表示闸率段总造价:CG,表示第。种钢筋的重量;C
其中,N,表示基地最小压应力,小于0,即全为压应力。
友示为第、和制篇的单价M表示第种混凝士的方最C.表し14其他约束条件
示第i种泥凝上的門价。
窪墩半闸墩的最小厚度为0.5m;中墩厚度不小于0.9~1.
1.3约東条件
糟颈部的最小厚度不小于(0.6m:底板的厚度不超过2.1m,不
可以将限制设计方案统称为状态变量,也就是各个方案都必「于05m,第盖的长度不超过3倍的水头等。
员要结合实际需求,强化对混凝上裂缝的处理机制,建构完整的[2刘汉成.混凝土裂缝在水利水电施工过程中防治对策分析四川水
T程运行规划,针け对具体问题建立具体解決路径。技术人员要着泥,2015205):17,81
重提高管控层级,确保提高质量管控机制,顺利优化工程项目的「『3式减新珊开都河小山口水电站混凝士重力坝段基耐混凝土裂缝分
实际质量,为工程的可持续发展奠定基础
析处理!水利科技与经济,2014,2007):130-131
4陈国伟,张晓梅,王艳,等.大伙房水库第一非常溢洪道堰面混凝土裂
参考文献
発处理措施安徽农业科学,2016,34(13):3248,32
1晋玉靖.水利水电施工过程中泥凝土裂缝分析及防治处理研究叭建筑
工程技术与设计,2016,15(09):1503
收稿日期:2016-9-15
万方数据
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2优化设计方法
H2表示下游底板上的水深;H表示底板起始点处的扬压力水头。
(3)门槽水压力:要对间门受到的水压力进行转化,使其门槽
简言之,能最准则,就是最大限度地发挥结构材料的性能,。「处发生作用,通过面荷载的形式加在相关的单元上,可由如下式
优化整个结构的造价。准则法的优点在于收敛快,而且分析次数「计算:
非常重视即。准则法具有较小的计算量,不会受到设计变量个数
的影响,但是其适用的范围有限。只有确定了几何形状和结构布
局的情况下,才能用准则法。
其中,b2表示门槽的宽度;b表示间门宽度的一半:h。表示每
2.2简单法
层单元距底板的高度:h表示水的深度
()解析法:解析法立足于微分法,能够直接将其制得出来,
(4)水平水压力:闸墩迎水面和间墩上游两侧是上游水平压
具体可以分为拉格朗日乘子法、松弛变量法和等式约東消元法「力的主要作用面,在间墩单元上的作用形式是面荷載,单元的高
等
程不同会影响所受的水压力,表达式为
(2)图解法:顾名思义,图解法要将约東条件和目标函数的图
Pr=yo(H-h,
形曲线画出来,再分析图形,将这优点得出来。如果设计变量不
式中:h表示上游水深:h。表示每层单元距底板的高度。
超过两个,用图解法可以得到较好的效果,而且简单便利
3.3整个优化思路
3水闸闸室段结构优化及算例分析
首先建立参数化模型:利用 ANSYS的儿何建模功能对材料
属性进行定义、将几何模型及划分有限元网格建立起来;对约束
3.1程概况
条件和荷载进行施加,分析有限元结构;要对提取内力进行处
本文选择某开散式水闻为例,该水闻的基本情况为:下游水し理,将各类约東条件计算出来:最后对模块进行优化,完成目标
位320m,上設计洪水位S6m,校核洪水位578m,明渠果底」函数,定义设计变量及约束条件,进行迭代,将最终的优化设计
程320m底和庭板的项面高程保持ー,运用平宽趣結果得出来
表1中初始方案是在初始设计中经过多方案比较后的最优
达到2以m左右。要将混機上铺盖设置在闸前,该混凝士铺孟的「解,用随机数的力法产生初始复形,逐步得到最优解如表1
平均厚度是0.6m。与此同时,要将消能池设置在闸后,消能池的
表1开做式水闸闸室结构优化前后对比m)
护坦的平均厚度是0.7m,还必须设置厚度为0.7m的滤层,并设
置排水孔。根据计算,该水闻的昑闸墩高是8.9m,闻门门槽深
方案発厚度中戦厚铺避长度底板厚底板水流啊门上游墩
初始方案「0.7
42.0
11.2
0.m,宽1.0m。将宽度为0.5m、深度为0.4m,门槽分别设置在上
优化后方案07
1.5
31.6
1.9
9.8
下游的两侧。该水闻的间门的总重量为1m,将宽度为1.4m的检
修桥设置在间闻门上游两侧,工作桥宽度为29m,)启闭机和工作桥「4结语
的上部结构重70xI0kN,垂直水流方向的单位长度重6x1