重力式挡土墙优化设计和计算参数影响分析2222

特种结构重力式挡土墙优化设计和计算参数影响分析摘要：针对重力式挡土墙的特点和优化目的，选择基底水平的挡土|．。建立了优化数学模型．选取强面顶宽，墙面坡比，墙趾高和墙趾宽四个参数为设计变量。以单位长度挡土墙的造价为目标函数，以满足挡土墙的掏建要求，抗滑稳定性要事．抗倾曩稳定性要求和地基承载力要求为约束函数，基于复合形优化算法，端写了重力式挡土墙优化设计程序。1常规设计的不足重力式挡土墙常规设计方法可分为两种：第一种是直接套用设计图集；第二种是试算法，依靠人工计算工作量大、重复性劳动多，不仅需要经过多个试算过程才能得到满足要求的截面，而且在每个试算过程中，都要将截面分解为数个小图形，分别求出每个图形的面积和形心位置，然后求截面的总面积和形心位置，运算枯燥繁琐且容易出错·即使编写了常规设计程序，相对人工计算，这种方法在一定程度上提高了工作效率。设计结果能满足安全性要求，但不一定最经济。2重力式挡土墙优化设计针对常规没计的不足，，本章提出一种重力式挡土墙优化设计方法，将机械优化设计方法应用到挡土墙的设计中，从而实现重力式挡十壤的优化设计。该方法的墓本思想是把调整挡土墙截面尺寸的工作交给计算机来完成。利用计算机自动寻找出满足安全性的最优设计结果果。2．1优化设计概述优化设计的实质是在一定约束条件下，寻求一组设计参数(变量)，使设计对象的某项设计指标达到最优。对于挡土墙的优化设计来说，就是在满足挡土墙稳定性的条件下，寻求一组挡土截面尺寸，使挡土墙的造价达到最优。2.2建立优化设计数学模型为了实现重力式挡土墙优化设计，需根据重力式挡土墙特点建立优化设计数学模型。该过程包括三方面内容，即设计变量的选取、目标函数的建立和约束函数的确定。2.2.1设计常量在挡土墙设计中，下面这些参数是可以根据设计要求给定的，称为设计常量。C为墙体材料单价·H为挡土墙高度(m)；l：n为墙背坡比；Y为填土重度(kN／m3)；o为填土内摩擦角；c为填土粘聚力(kPa)，“为墙背与填土间的摩擦系数；B为填土表面倾角；Y为墙体材料重度(kN／m3);f为地基的容许承载力(kPa)．2．2．2设计变量挡七墙优化设计的目的，就是在满足挡土墙稳定性的条件下，寻求一组挡土墙截面尺寸，使挡士墙的造价达到最优。本文选择基底水平的挡土墙进行截面优化，根据这种重力式挡土墙的结构特点和本文拟进行重力式挡土墙优化设计的目的。如图可选择设计变量，，，为墙顶宽度(m)为墙面坡比l为墙趾高度(m)；为墙趾宽度(m)。墙底的的宽可由上述变量表示在优化设计理论中，上述设计变量是一组数，构成了一个数组，这个数组被看成一个矢量，即矢量X沿4个坐标轴的分量。若用矩阵来示，即：(1)一组设计变量X，即代表一个设计方案，挡土墙优化设计的目的就是求得一组设计变量X·，使得单位长度的挡土墙造价最低。2．2．3目标函数挡土墙优化设计的目标是单位长度挡土墙的造价最低，因此，确定位长度挡土墙的造价为目标函数。(2)式中:为单位长度挡土墙的造价(元／m)，C为墙体材料单价(元／m3)，A为墙身断面面积(m2)。根据上图，求碍墙身断面面积：(3)其中AB=将上式代入(2)(3)得：（4）式中：H为挡土墙高度(m)；l：n为挡土墙墙背坡比。将式(4)代入,得目标函数：2．2．4约束函数重力式挡土墙设计时必须满足的条件称为约束条件，它反映了相关设计规范、施工，构造和稳定性等方面的要求。本文选择墙身断面尺寸的构造要求，抗滑稳定性要求，抗倾覆稳定性要求、基底应力和偏心距要求作为约束条件，由这些约束条件求得的可计算函数式即称为约束函数。3优化设计方法从2．2节中建立的重力式挡土墙优化设计数学模型可以看出，重力式挡土墙优化设计问题属于不等式约束非线性优化问题，且设计变量数量只有4个。求解这类优化问题比较有效的方法是约束优化方法中的复合形法。因此，本章采用复合形优化算法实现重力式挡土墙的优化设计。4程序设计以VisualBasic6．O为设计平台，首先编写复合形优化算法主程序，然后根据2．2节中建立的重力式挡土墙优化设计数学模型编写约柬函数和目标函数子程序，从而实现重力式挡土墙的优化设计。5优化结果分析选定不同参数计算，经比较发现，在对各参数均无特定要求的时候，优化所得结果的变量菇，(墙背坡比)均为零；验证了重力式挡土墙的直立、俯斜两种形式中，在无特别要求情况下，直立式墙型材料用量较俯斜式要少。设计变量石为连续变量，得出的某些结果在施工中难以实现，因此设计时应以程序所求出的最优截面面积为基础，将给出的截面尺寸适当调整，即可达到施工要求，且满足安全和经济条件。6计算参数影响分析在重力式挡土墙的设计时，往往会缺乏试验资料，此时通常根据规范所提供的参考值选取填土内摩擦角、填土容重、墙背摩擦角、基底摩擦系数、地基承载力等数据。填土容重、基底摩擦系数对抗滑稳定的影响在计算公式中已经表现，这里只分析填土内摩擦角和填土与墙背摩擦角的选取对最终设计断面面积的影响HJ。填土的内摩擦角按照《挡土墙土压力计算手册》∞1中列出的填土内摩擦角参考值选取。本文选取工程中比较常见的内摩擦角(此处均指等效内摩擦角)，分别取260、280、300、32。、340、360、380、400，填土与墙体摩擦角分别取Q／3和Q／2，其他计算参数：墙高Ho=5．m，地基承载力设计值[R]=200kPa，基底摩擦系数，=0．5，填土坡度分别取口=25。、20。、150，与不同的填土内摩擦角相应的最优截面面积如表l一表3所示：将以上三个表结果绘制在同一个坐标系下，并分析如下。(1)回填土内摩擦角敏感性分析：当填土坡度为20。和15。时，填土内摩擦角妒与最优截面面积S基本呈直线关系，9由26。～400每增加1。，S约减小5％一7％；当填土坡度为25。时，在9由320一400每增加l。，_s减小6％一7％，而当p在260～32。范围每增加1。时，S减小幅度由大变小，从妒每增加1o减小9％逐渐变化到减小7％。可见，在墙高和地基土体不变的情况下，随着墙后填土内擦角的减小，挡土墙所需的最优截面面积逐渐增大，妒值越小，面积增幅越大，且墙后填土坡度大时面积增幅明显高于填土坡度较小时。(2)填土与墙背摩擦角敏感性分析：挡墙所需最优截面面积在墙背摩擦角5取p／3时要大于取妒／2时，．S相差5％一lO％，并随着9值增大，．s相差的幅度变大。画图举例：4总结本文围绕重力式挡土墙优化设计，讨论了以下几个方面的问题。(1)简要介绍了优化设计理论，包括优化设计特点、优化设计步骤，建立优化设计数学模型的基本原则及如何根据数学模型并选择合适的优化设计方法。(2)针对重力式挡土墙的特点和优化目的，选择基底水平的挡七墙，建立了数学模型，以单位长度挡土墙造价最低为目标函数，墙顶宽、墙面坡比、墙趾高和墙趾宽为设计变量，满足抗滑稳定性、抗倾覆稳定性和地基承载力要求为约束函数。(3)根据数学模型的特点，选择约束优化方法中的复合形法对重力式挡土墙进行优化设计。详细介绍了复合形法的基本原理、计算步骤及初始复合形的构成，并绘制了复合形算法框图。参考文献【1】慰希成。周美玲．支挡结构设计手册(第图2优化设计参数输入2版)【M】．北京：中国建筑工业出版社，【2】孙德敏．工程最优化方法及应用【M】．合肥