曲線形重力壩形體的優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、混凝土重力壩是壩工建設(shè)中的主要壩形，也是工程中采用較多的一種壩形。但是，目前重力壩斷面形式都采用理論三角形，這樣的斷面形式可以使計(jì)算充分簡(jiǎn)化，但它僅能使建基面上的控制條件恰巧滿足，在位置較高的截面上常有所富余；并且壩體上下游存在折點(diǎn)，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。因此，三角形斷面并不是理論上的最優(yōu)斷面。從純理論上講，我們可以將上下游做成曲面形式，由數(shù)學(xué)規(guī)劃的方法來(lái)求出一個(gè)最優(yōu)斷面，使各高程截面處的條件都恰巧滿足。 重力壩斷面設(shè)計(jì)的最終目

2、的是要給出合理的設(shè)計(jì)方案，即在給定的荷載條件下得到最經(jīng)濟(jì)、合理的設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，多采用重復(fù)設(shè)計(jì)法，這種設(shè)計(jì)方法過(guò)程繁瑣，計(jì)算效率低。因此，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)找出重力壩的最優(yōu)剖面是重力壩設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。它的任務(wù)是根據(jù)安全、經(jīng)濟(jì)和強(qiáng)度要求，通過(guò)分析計(jì)算，選擇一個(gè)既安全穩(wěn)定又經(jīng)濟(jì)的剖面形態(tài)和輪廓尺寸。 目前，用于重力壩體形優(yōu)化的應(yīng)力計(jì)算方法主要有材料力學(xué)法和有限元法。本論文的主要工作是利用有限元分析軟件ANSYS的優(yōu)化功能，對(duì)曲線重

3、力壩的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，在壩體應(yīng)力和抗滑穩(wěn)定均滿足規(guī)范要求的前提下，尋找經(jīng)濟(jì)而實(shí)用的體形。以重力壩上下游曲線方程的系數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，以主要荷載(自重、揚(yáng)壓力、靜水壓力)下的抗滑穩(wěn)定條件和應(yīng)力控制條件為約束條件，以單位壩段的斷面面積為目標(biāo)函數(shù)，建立了混凝土重力壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型。 在計(jì)算過(guò)程中，由于使用了參數(shù)化建模，壩體及壩基的有限元計(jì)算網(wǎng)格剖分、邊界條件及水荷載的施加、有限元求解、有限元計(jì)算結(jié)果的導(dǎo)出(包括各種優(yōu)化設(shè)計(jì)變量

4、值，目標(biāo)函數(shù)值，約束條件等)，優(yōu)化收斂條件的判斷以及體形優(yōu)化計(jì)算等一系列工作都可以自動(dòng)完成，無(wú)須人工干預(yù)，智能化程度較高。此外，該程序的可靠性強(qiáng)，有限元求解器的求解效率高。 優(yōu)化結(jié)果表明，當(dāng)壩高取30米，重力壩上下游取為二次拋物線的曲線形式時(shí)，壩體斷面比傳統(tǒng)剖面減少約13.2％，優(yōu)化結(jié)果比較理想；此外，分別對(duì)剛性地基和彈性地基情況下曲線重力壩進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，剛性地基條件下斷面面積明顯大于彈性地基的；最后改變壩體高度，采用高、中、低