高填方涵洞结构型式优化设计研究.pdf

2011年 第 10期 黑龙江交通科技 No．10，2011 (总第212期) HELLONGJIANG JIAOTONG KEJ (SumNo．212) 高填方涵洞结构型式优化设计研究 邓勇邦 (新疆公路规划勘察设计研究院) 摘 要：在分析优化设计三要素的基础上，针对高填方涵洞结构型式进行有限元计算数值分析 ，并提出涵土 共同作用结构优化设计方案。 关键词：高填方涵洞；结构型式 ；优化设计 中图分类号 ：U442 文献标识码：C 文章编号：1008—3383(2011)10—0229—01 1 优化设计要素 个结构体系，该结构体系变形与受力互相协调，彼些间互相 1．1 设计变量 影响互相关联，我们称之为涵土结构。涵洞的涵身结构受到 通常若干个数量描述一个结构设计方案，按照实际情 土荷载作用会产生变形，但同时其变形又受到土层的约束， 况，描述结构的数量有可能是构件的面积、截面尺寸或者惯 周围的土体以抗力形式与涵身结构相互作用，从而涵身周围 性矩等几何参数，也有可能是结构整体相关参数或者结构材 的土应力受其作用结果的影响进行重新分布。所以假定抗 料相关参数等。通常优化设计变量个数越少，则结构优化过 力和变形相适应 ，则可以利用涵身和土体变形的条件，将涵 程就越简单，反之则比较复杂。不过 由另一方面来看，变量 洞结构内力直接推导出来。 个数越多、自由度越大，所得到的优化结果就越好。因此，设 3．2 盖板涵的盖板铰结与刚结受力特性分析 计者在选择优化参数时要尽可能选择对其结果影响较大的 (1)涵洞的受力特性。 数量作设计变量 ，设计变量的数 目选择也要科学、合理。 在分析涵洞的受力特性时可以把施工过程分为未填土、 1．2 价值 函数 ． 涵侧填土以及涵顶填土等几个阶段，而涵顶填土又可以分为 又被称为目标函数，是指评价一个设计方案优劣性的标 填土5m、10m、15m及20m等四个阶段。利用有限元程序 准。性能指标主要包括结构的重量、承载能力、工程造价以 软件中的后处理功能，将涵洞结构的内力提取出来，再把优 及变形误差最小和自振周期最大。 化理论引入其中，通过分析后，结构受力特性控制 目标确定 1．3 约束条件 为弯矩。 在进行结构的优化设计时，约束条件是必须满足的条 (2)结果分析。 件，其所反映的是设计相关的技术规范、计算规程以及施工 ①盖板分析。 安装、运输和构造等各方面的具体要求，有时工程设计者的 盖板的铰结和刚结对盖板跨中和端部弯矩有着直接的影 设计意图也通过约束条件来反映。约束条件包括应力约束、 响，所以结构受力特性的分析控制因素可以选择跨中和端部的 动力特性约束、稳定约束以及位移约束和以可靠性为前提的 弯矩。在各施工阶段，只有在完成涵侧填土时．冈0结和铰结的跨 结构优化。 中弯矩比值较小，为29．85，其他过程均大于4o％，所以由此可 2 有限元计算数值分析 见，盖板刚结可以使得盖板结构跨中弯矩明显降低。 2．1 有限元计算软件简述 ②底板分析。 本文进行有限元计算所采用的软件为Ansys，其是集流 施工过程中盖板铰结与刚结时，底板的弯矩图形状比较 体、声场、结构及电磁场与耦合场的分析为一体的通用有限 接近，可以将底板受力特性的控制因素确定为底板跨中弯矩 元分析软件