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摘要：文章对水闸工程的结构优化设计数学模型进行了分析，并结合工程实例，对水闸工程的结构优化设计进行了详细的介绍，该水闸工程结构优化设计满足工程的规范要求，取得了良好的成效，可供类似工程结构优化设计参考。
关键词：水闸工程；结构优化；设计
0 引言
水闸工程是兼有挡水、泄水的重要水工建筑物，在水力发电、防洪排涝、供水、航运、灌溉等水利工程中发挥着至关重要的作用，并且对保障国民经济的发展具有十分很重要的作用。随着我国国民经济的发展，水闸工程的建设也日益增加，而水闸工程结构设计的合理与否直接关系到水闸工程的整体施工质量，并且与水闸工程建设的效益息息相关，对其结构设计优化进行分析十分必要。
式中：xi为优化的设计变量，代表设计方案；F（x）为优化的目标函数，如造价最低，质量最轻等；hj（x）、Gk（x）为优化的约束函数，如规范规定的结构在强度、刚度、稳定性等方面的要求和限制；n为设计变量个数；l为等式约束的个数；m为不等式约束的个数。工程结构的优化设计问题一般都是有约束的非线性规划问题。
2 水闸整体结构优化设计工程实例
2.1 工程背景
某水闸工程闸室总净宽为20.0m，共2孔，单孔净宽10.0m，采用钢筋混凝土结构，两孔一联整体式底板。闸室底板顶面高程－2.00m，底板厚1.5m，顺水流方向长度为16m，中墩厚1.2m，边墩厚1.0m，闸室总宽度23.2m。闸室采用钻孔灌注桩基础，桩径120.0cm，桩顶高程－3.50m，桩底高程－21.50m，桩长18.0m，共30根。闸室为开敞式，采用闸门结合胸墙挡水。胸墙采用钢筋混凝土板梁结构，底高程2.50m，顶高程5.50m，闸顶高程与海堤等高，为7.50m。
2.2 水闸整体结构优化设计数学模型
结合该水闸工程的结构特征，根据规范规程及安全经济的设计要求，建立其整体结构优化设计数学模型。
2.2.1 设计变量
根据闸室的结构特点及影响闸室受力和稳定的主要因素，同时考虑闸室和基础相互作用机理，选取底板厚度（x1）、中墩厚度（x2）、边墩厚度（x3）、桩径（x4）等关键几何尺寸为设计变量，如图1所示；而底板长度与闸室防渗要求及上部结构布置有关，底板宽度由水力计算确定，桩基长度由桩端所处持力层确定，因此定为不变参数。同时，考虑到计算模型的复杂性，假定桩基排列情况和桩间距不变。
2.2.2 目标函数
目标函数是判别设计方案优劣的数学表达式，是设计变量的函数。工程结构优化问题一般选取造价最低、结构总体积最小等作为优化目标。水闸工程结构的造价主要取决于其总混凝土方量，还与施工等环节有关。本文选取水闸整体结构的总造价最低为目标函数，其中各部分钢筋混凝土结构造价按综合单价计算，计算公式为
（4）
式中：pi为水闸各部分结构材料综合单价；Vi为水闸各部分结构的体积。
2.2.3 约束条件
约束条件是有关规范规程及施工、构造等方面的限制条件，一般包括几何和性态等方面的要求，这里性态约束包括地基承载力约束、基底应力约束、抗滑稳定约束、闸室结构强度约束、桩基结构强度约束、闸室沉降约束、桩顶水平位移约束。
（1）几何约束。根据SL265—2001《水闸设计规范》的限定，底板厚度取闸孔净宽的1/6～1/8，闸墩厚度需满足构造要求，其范围由闸墩在门槽缩颈处的最小厚度限定值确定。根据该水闸结构特点确定其几何约束为底板厚度大于1.25m，小于1.68m；中墩厚度大于1.00m，小于1.20m；边墩厚度大于0.70m，小于1.00m；桩基桩径大于0.80m，小于1.20m。
（2）地基承载力约束。闸室平均基底应力 不大于地基允许承载力，即71.20kPa；最大基底应力σmax不大于地基允许承载力的1.2倍，即85.44kPa；闸室基底压力的最大值和最小值之比不大于规范规定的允许值，即基本组合荷载工况下不超过1.50，特殊组合荷载工况下不超过2.00。
（3）抗滑稳定约束。闸室的抗滑稳定安全系数Kc不小于规范规定的允许值，即基本组合荷载工况下不低于1.35，特殊组合荷载工况下不低于1.20。
（4）闸室和桩基结构强度约束。闸室结构采用C30钢筋混凝土，桩基采用C25混凝土，C30混凝土的抗拉强度标准值为2.0MPa，轴心抗压强度标准值为20MPa；C25混凝土的抗拉强度标准值为1.75MPa，轴心抗压强度标准值为17MPa。强度约束条件控制闸室内压应力σpps不超过轴心抗压强度标准值20MPa，桩基内压应力σpps不超过17MPa，考虑截面配筋作用，根据一般的实际工程经验，闸室和桩基钢筋混凝土结构的最大拉应力σsts和σpts应不超过4MPa。
（5）闸室沉降。闸室最大沉降值smax不得超过规范规定的允许值15cm，最大沉降差不超过5cm。
（6）桩顶水平位移约束。根据GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》，灌注桩桩顶水平位移值sp不超过0.5cm。
2.3 结构计算模型
结构分析借助商用软件ANSYS，编写了基于APDL语言的水闸整体结构优化计算命令流，实现了参数化建模，整体结构和地基的计算模型如图2所示，闸室与群桩结构的计算模型如图3所示。单元总数为169950个，总节点数215566，其中闸室结构单元数为17417个，桩基结构单元数为6480个。考虑到消除边界效应，模型的选取范围从闸室向左右岸及上下游各延伸2倍闸室宽度，即46.4m，地基深度取为2倍桩基长度，即36m。坐标原点取在底板与右岸边墩相交处的上游底部，x轴正向为顺河流方向，从上游指向下游；y轴正向铅直向上；z轴正向由左岸指向右岸。计算中模型底部采用固端约束，x、z方向两侧边界为法向约束，顶部自由。
闸室下地基土层大致为6层，闸室与桩基结构混凝土材料采用线弹性本构模型模拟，考虑到软土地基的性质以及闸底板与土体、桩土相互作用的工作特点，土体采用D-P本构模型模拟，桩土接触、底板土体接触采用基于摩尔库伦摩擦特性的非线性本构模型模拟。土体参数如表1所示，土层自上而下编号，闸室与桩基结构材料参数如表2所示。
2.4 优化设计结果及分析
利用ANSYS的APDL参数化语言和优化求解器，通过参数化建模对所建立的优化数学模型进行可行域内的寻优搜索，优化设计计算结果如表4所示。
由表4可知：与原设计方案相比，两种优化方案设计变量和总造价均有所减小，其中水闸整体结构优化设计方案总造价比闸室结构优化设计方案总造价少2.7%，优化效果更显著。如图4所示，经过优化设计后，桩顶水平位移在工况4下达到临界约束，闸室应力有较大幅度增大，群桩结构应力有所减小，并且都在混凝土抗压强度和钢筋混凝土抗拉强度范围内，整体受力更为均匀合理，基底压应力和闸室沉降有所减小，水闸结构的受力和变形状态有所改善，强度、刚度、稳定性均满足规范要求，表明水闸整体结构优化设计方案是安全可靠、经济合理的。相比传统的设计方法，将闸室和基础作为整体设计，能更加真实地反映水闸结构的整体工作性态，充分利用闸室和基础的结构抗力，得到更经济合理的水闸结构尺寸，可为软土地基上水闸结构设计提供依据。
3 结语
综上所述，水闸工程在水利工程建设中得到广泛的应用，并且对确保国民经济的健康发展起到十分重要的作用。在水闸工程结构设计中，设计人员要合理运用优化设计理念，结合工程的实际情况，对水闸工程结构进行优化设计，从而提高水闸工程的经济效益和社会效益。本工程结构优化设计方案安全合理、经济效益高，对类似工程优化设计具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]开敞式水闸闸室结构优化设计[J].侯春芳.河南水利与南水北调2016（11）
[2]小型水闸工程设计优化探讨[J].巨媛媛.黑龙江科技信息.2016（02）
论文作者:祝林波
论文发表刊物:《基层建设》2017年4期
论文发表时间:2017/5/25
标签：水闸论文; 结构论文; 工程论文; 桩基论文; 底板论文; 应力论文; 优化设计论文; 《基层建设》2017年4期论文;