重力式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算參數(shù)影響分析2222

特種結(jié)構(gòu)重力式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)和計(jì)算參數(shù)影響分析摘要：針對(duì)重力式擋土墻的特點(diǎn)和優(yōu)化目的，選擇基底水平的擋土|．。建立了優(yōu)化數(shù)學(xué)模型．選取強(qiáng)面頂寬，墻面坡比，墻趾高和墻趾寬四個(gè)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量。以單位長(zhǎng)度擋土墻的造價(jià)為目標(biāo)函數(shù)，以滿足擋土墻的掏建要求，抗滑穩(wěn)定性要事．抗傾曩穩(wěn)定性要求和地基承載力要求為約束函數(shù)，基于復(fù)合形優(yōu)化算法，端寫了重力式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)程序。1常規(guī)設(shè)計(jì)的不足重力式擋土墻常規(guī)設(shè)計(jì)方法可分為兩種：第一種是直接套用設(shè)計(jì)圖集；第二種是試算法，依靠人工計(jì)算工作量大、重復(fù)性勞動(dòng)多，不僅需要經(jīng)過(guò)多個(gè)試算過(guò)程才能得到滿足要求的截面，而且在每個(gè)試算過(guò)程中，都要將截面分解為數(shù)個(gè)小圖形，分別求出每個(gè)圖形的面積和形心位置，然后求截面的總面積和形心位置，運(yùn)算枯燥繁瑣且容易出錯(cuò)·即使編寫了常規(guī)設(shè)計(jì)程序，相對(duì)人工計(jì)算，這種方法在一定程度上提高了工作效率。設(shè)計(jì)結(jié)果能滿足安全性要求，但不一定最經(jīng)濟(jì)。2重力式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)針對(duì)常規(guī)沒計(jì)的不足，，本章提出一種重力式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到擋土墻的設(shè)計(jì)中，從而實(shí)現(xiàn)重力式擋十壤的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該方法的墓本思想是把調(diào)整擋土墻截面尺寸的工作交給計(jì)算機(jī)來(lái)完成。利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)尋找出滿足安全性的最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)果果。2．1優(yōu)化設(shè)計(jì)概述優(yōu)化設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是在一定約束條件下，尋求一組設(shè)計(jì)參數(shù)(變量)，使設(shè)計(jì)對(duì)象的某項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。對(duì)于擋土墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，就是在滿足擋土墻穩(wěn)定性的條件下，尋求一組擋土截面尺寸，使擋土墻的造價(jià)達(dá)到最優(yōu)。2.2建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型為了實(shí)現(xiàn)重力式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)，需根據(jù)重力式擋土墻特點(diǎn)建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型。該過(guò)程包括三方面內(nèi)容，即設(shè)計(jì)變量的選取、目標(biāo)函數(shù)的建立和約束函數(shù)的確定。2.2.1設(shè)計(jì)常量在擋土墻設(shè)計(jì)中，下面這些參數(shù)是可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求給定的，稱為設(shè)計(jì)常量。C為墻體材料單價(jià)·H為擋土墻高度(m)；l：n為墻背坡比；Y為填土重度(kN／m3)；o為填土內(nèi)摩擦角；c為填土粘聚力(kPa)，“為墻背與填土間的摩擦系數(shù)；B為填土表面傾角；Y為墻體材料重度(kN／m3);f為地基的容許承載力(kPa)．2．2．2設(shè)計(jì)變量擋七墻優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，就是在滿足擋土墻穩(wěn)定性的條件下，尋求一組擋土墻截面尺寸，使擋士墻的造價(jià)達(dá)到最優(yōu)。本文選擇基底水平的擋土墻進(jìn)行截面優(yōu)化，根據(jù)這種重力式擋土墻的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和本文擬進(jìn)行重力式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。如圖可選擇設(shè)計(jì)變量，，，為墻頂寬度(m)為墻面坡比l為墻趾高度(m)；為墻趾寬度(m)。墻底的的寬可由上述變量表示在優(yōu)化設(shè)計(jì)理論中，上述設(shè)計(jì)變量是一組數(shù)，構(gòu)成了一個(gè)數(shù)組，這個(gè)數(shù)組被看成一個(gè)矢量，即矢量X沿4個(gè)坐標(biāo)軸的分量。若用矩陣來(lái)示，即：(1)一組設(shè)計(jì)變量X，即代表一個(gè)設(shè)計(jì)方案，擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是求得一組設(shè)計(jì)變量X·，使得單位長(zhǎng)度的擋土墻造價(jià)最低。2．2．3目標(biāo)函數(shù)擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)是單位長(zhǎng)度擋土墻的造價(jià)最低，因此，確定位長(zhǎng)度擋土墻的造價(jià)為目標(biāo)函數(shù)。(2)式中:為單位長(zhǎng)度擋土墻的造價(jià)(元／m)，C為墻體材料單價(jià)(元／m3)，A為墻身斷面面積(m2)。根據(jù)上圖，求礙墻身斷面面積：(3)其中AB=將上式代入(2)(3)得：（4）式中：H為擋土墻高度(m)；l：n為擋土墻墻背坡比。將式(4)代入,得目標(biāo)函數(shù)：2．2．4約束函數(shù)重力式擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足的條件稱為約束條件，它反映了相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范、施工，構(gòu)造和穩(wěn)定性等方面的要求。本文選擇墻身斷面尺寸的構(gòu)造要求，抗滑穩(wěn)定性要求，抗傾覆穩(wěn)定性要求、基底應(yīng)力和偏心距要求作為約束條件，由這些約束條件求得的可計(jì)算函數(shù)式即稱為約束函數(shù)。3優(yōu)化設(shè)計(jì)方法從2．2節(jié)中建立的重力式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型可以看出，重力式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)問題屬于不等式約束非線性優(yōu)化問題，且設(shè)計(jì)變量數(shù)量只有4個(gè)。求解這類優(yōu)化問題比較有效的方法是約束優(yōu)化方法中的復(fù)合形法。因此，本章采用復(fù)合形優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)重力式擋土墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)。4程序設(shè)計(jì)以VisualBasic6．O為設(shè)計(jì)平臺(tái)，首先編寫復(fù)合形優(yōu)化算法主程序，然后根據(jù)2．2節(jié)中建立的重力式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型編寫約柬函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)子程序，從而實(shí)現(xiàn)重力式擋土墻的優(yōu)化設(shè)計(jì)。5優(yōu)化結(jié)果分析選定不同參數(shù)計(jì)算，經(jīng)比較發(fā)現(xiàn)，在對(duì)各參數(shù)均無(wú)特定要求的時(shí)候，優(yōu)化所得結(jié)果的變量菇，(墻背坡比)均為零；驗(yàn)證了重力式擋土墻的直立、俯斜兩種形式中，在無(wú)特別要求情況下，直立式墻型材料用量較俯斜式要少。設(shè)計(jì)變量石為連續(xù)變量，得出的某些結(jié)果在施工中難以實(shí)現(xiàn)，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以程序所求出的最優(yōu)截面面積為基礎(chǔ)，將給出的截面尺寸適當(dāng)調(diào)整，即可達(dá)到施工要求，且滿足安全和經(jīng)濟(jì)條件。6計(jì)算參數(shù)影響分析在重力式擋土墻的設(shè)計(jì)時(shí)，往往會(huì)缺乏試驗(yàn)資料，此時(shí)通常根據(jù)規(guī)范所提供的參考值選取填土內(nèi)摩擦角、填土容重、墻背摩擦角、基底摩擦系數(shù)、地基承載力等數(shù)據(jù)。填土容重、基底摩擦系數(shù)對(duì)抗滑穩(wěn)定的影響在計(jì)算公式中已經(jīng)表現(xiàn)，這里只分析填土內(nèi)摩擦角和填土與墻背摩擦角的選取對(duì)最終設(shè)計(jì)斷面面積的影響HJ。填土的內(nèi)摩擦角按照《擋土墻土壓力計(jì)算手冊(cè)》∞1中列出的填土內(nèi)摩擦角參考值選取。本文選取工程中比較常見的內(nèi)摩擦角(此處均指等效內(nèi)摩擦角)，分別取260、280、300、32。、340、360、380、400，填土與墻體摩擦角分別取Q／3和Q／2，其他計(jì)算參數(shù)：墻高Ho=5．m，地基承載力設(shè)計(jì)值[R]=200kPa，基底摩擦系數(shù)，=0．5，填土坡度分別取口=25。、20。、150，與不同的填土內(nèi)摩擦角相應(yīng)的最優(yōu)截面面積如表l一表3所示：將以上三個(gè)表結(jié)果繪制在同一個(gè)坐標(biāo)系下，并分析如下。(1)回填土內(nèi)摩擦角敏感性分析：當(dāng)填土坡度為20。和15。時(shí)，填土內(nèi)摩擦角妒與最優(yōu)截面面積S基本呈直線關(guān)系，9由26?！?00每增加1。，S約減小5％一7％；當(dāng)填土坡度為25。時(shí)，在9由320一400每增加l。，_s減小6％一7％，而當(dāng)p在260～32。范圍每增加1。時(shí)，S減小幅度由大變小，從妒每增加1o減小9％逐漸變化到減小7％。可見，在墻高和地基土體不變的情況下，隨著墻后填土內(nèi)擦角的減小，擋土墻所需的最優(yōu)截面面積逐漸增大，妒值越小，面積增幅越大，且墻后填土坡度大時(shí)面積增幅明顯高于填土坡度較小時(shí)。(2)填土與墻背摩擦角敏感性分析：擋墻所需最優(yōu)截面面積在墻背摩擦角5取p／3時(shí)要大于取妒／2時(shí)，．S相差5％一lO％，并隨著9值增大，．s相差的幅度變大。畫圖舉例：4總結(jié)本文圍繞重力式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)，討論了以下幾個(gè)方面的問題。(1)簡(jiǎn)要介紹了優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，包括優(yōu)化設(shè)計(jì)特點(diǎn)、優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟，建立優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型的基本原則及如何根據(jù)數(shù)學(xué)模型并選擇合適的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。(2)針對(duì)重力式擋土墻的特點(diǎn)和優(yōu)化目的，選擇基底水平的擋七墻，建立了數(shù)學(xué)模型，以單位長(zhǎng)度擋土墻造價(jià)最低為目標(biāo)函數(shù)，墻頂寬、墻面坡比、墻趾高和墻趾寬為設(shè)計(jì)變量，滿足抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性和地基承載力要求為約束函數(shù)。(3)根據(jù)數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)，選擇約束優(yōu)化方法中的復(fù)合形法對(duì)重力式擋土墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。詳細(xì)介紹了復(fù)合形法的基本原理、計(jì)算步驟及初始復(fù)合形的構(gòu)成，并繪制了復(fù)合形算法框圖。參考文獻(xiàn)【1】慰希成。周美玲．支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第圖2優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)輸入2版)【M】．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，【2】孫德敏．工程最優(yōu)化方法及應(yīng)用【M】．合肥