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水利工程论文-钢筋混凝土矩形沉井结构水泵房优化设计.doc

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水利工程论文-钢筋混凝土矩形沉井结构水泵房优化设计.doc

水利工程论文钢筋混凝土矩形沉井结构水泵房优化设计摘要随着工业和社会生活需求的发展,供水工程日益增多,修建取水泵房也增多,但取水泵房造价较高(如湖北省鄂州电厂的一次循环冷却水取水泵房的土建造价达5000多万元)。据有关文献介绍,泵房结采用优化设计,可以使工程造价降低5%~25%(见朱伯芳、黎展眉、张壁城编著的结构设计优化原理与应用)。可见,探讨水泵房优化设计,具有显著的经济意义。关键词钢筋混凝土矩形沉井结构水泵房优化设计一般水泵房所处的环境比较复杂,修建时,采用的施工方法及相应的结构形式多种多样。笔者选择江河和海边取水泵房应用最多的钢筋混凝土矩形沉井结构来作优化设计分析,推导优化设计公式和优化程序。一、优化设计思路优化设计的目标是使设计出来的结构在满足安全使用的条件下,造价最低,这样的结构才是最优结构。对钢筋混凝土沉井结构,若设计出的每一构件的材料强度都得到充分利用,则这样的整个结构是最优结构。基于上述的思路,可以把冻结内力方法和0.618法结合起来,进行沉井结构的优化设计。首先对拟设计结构方案进行一次内力分析,再把内力冻结起来,用0.618法对各个构件进行优化,得到新的方案然后再进行内力重分析,重复上述步骤,直至前后两次计算结果充分接近为止。二、结构部件的优化设计钢筋混凝土沉井结构水泵房为板式结构、框架结构和井字梁结构的混合体。其受力工况很多,计算简图也依部位、工况而不同。但按钢筋混凝土构件分类,可分为纯弯板、偏压板、纯弯梁、偏压柱4种构件,下面就对此4种构件作优化设计推导。1.纯弯板构件的优化设计纯弯板优化可采用分单位板宽度来分析。(1)目标函数取目标函数为单位板宽、单位长度的材料和模板造价之和。与目标函数有关的变量有板厚、钢筋面积、模板面积。(2)约束条件应考虑抗弯方面的强度约束①最大正弯曲强度,②板条两端最大负弯曲强度,③最大剪力强度,④最小、最大配筋率,⑤板厚最小要求。(3)优化方法及步骤板条的优化就是要寻求满足上述全部约束条件的目标函数的最小值。可以理解为当造价值最小时,材料用量应该最省。考虑约束条件,在内力一定的条件下,对应于每一个板厚值X,可以算出配筋面积,故目标函数属一维搜索问题,①求X的上、下限作为一维搜索的区间X的上限取板的端部弯矩和跨中弯矩的最小值代入约束条件①、②,再利用最小配筋率条件得X的上限值。X的下限与上面类似,取板的端部弯矩和跨中弯矩的最小值代入约束条件①、②,再利用最大配筋率条件得X的下限值。约束①~③取等式,求得相应的配筋量,再以约束条件④、⑤检验这4个量,取满足要求的值。然后以所取的配筋量的值代入约束条件①求目标函数。计算中,弯矩、剪力内力均作为已知条件给出,这是根据计算简图预先算好的。2.偏压板构件的优化设计偏压板构件优化同样采取1m宽的板条来分析,其优化方法与上述纯弯板的优化方法基本相同,只是在约束条件中,须计入轴向力的作用。(1)目标函数取目标函数为单位长度板条的材料和模板造价的和。(2)约束条件①最大弯曲压缩强度。a)大偏心情况(即ξ≤ξb时)。b)小偏心情况(即ξ≥ξb时)。②最大剪切强度。③最小配筋率、最大配筋率。④最小板厚度。偏压板条的优化过程与纯弯板条相同,同样可通过对约束条件①、②取等代,使得对应于截面高度X的每一取值可算出配筋量,再利用条件③、④以确定符合所有条件的配筋量最小值,以代入求目标函数。实际上也是只有一个设计变量X的一维搜索问题。(3)求X的上、下限偏压板条的X上、下限求法与纯弯板条不同,应分大偏心和小偏心两种情况计算。①大偏心情况。此时X的上、下限Xu、Xl分别求解,即约束条件①相应于最小及最大配筋率的情况。②小偏心的情况。也取约束①相应于最小及最大配筋率的情况,Xu、Xl分别求解。与约束④比较,取其较大者为Xl。3.矩形截面梁的优化设计同上述类推(1)目标函数以梁本体材料和模板的造价为目标函数。(2)约束条件①最大正弯曲强度。②梁两端最大负弯曲强度。③最大剪应力强度。④最小、最大配筋率。⑤构造要求钢筋最小截面积。⑥梁最小截面高度要求。(3)优化方法及步骤优化方法及步骤与上述基本相同。4.矩形截面柱的优化设计,优化方法与上述基本相同(1)目标函数以柱本体材料和模板的造价为目标函数。(2)约束条件①最大弯曲压缩强度。②最大剪切强度。③纵筋最小、最大配筋率。④最小截面高度要求。⑤构造要求钢筋最小截面积。(3)优化方法及步骤优化方法及步骤与偏压板条基本相同。三、优化设计程序沉井结构水泵房结构的总体布置一般都受工艺流程和施工要求控制。结构设计是在满足工艺要求和施工要求的条件下,布置合理的结构形式,并依此设计出各构件的尺寸。然而,板的跨度及梁柱的宽度往往也根据工艺或施工要求而定。由此可见,结构优化的主要任务是对板厚和梁、柱截面高度作优化。优化程序依据前面思路将冻结内力法与0.618法结合起来,对沉井结构水泵房进行优化设计。具体步骤如下

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