桩基础的优化设计

第33卷摹16期山西建_筑Vol. 33 No. 16SHANXI ARCHITECTUREJun. 2007， 9.文章编号:1009 62070)6-000-020桩基础的优化设计田小红何钦象姜峰摘要:针对工程优化设计中的离散变量,采用有限元分析软件建立有限元模型,根据整数梯度法原理编制离散变量的优化设计程序,对桩基础的桩间距进行优化,得到了桩间距的合理建议值,为桩基设计提供了合理的依据。关键词:有限元,优化设计,离散变量,桩基础.中图分类号:TU473.1文献标识码:A优化设计只是设计过程中的-个环节,并不是最重要的部- 个数学问题;分,但是与各个设计环节-样,在现代设计中，它是必不可少的环第二阶段:选定一个合理的、有效的计算方法;节,特别对于产生一个最优方案,它将起到决定性作用。在确定第三阶段:编制通用计算程序,通过最优判断(是否达到指定型的数学模型中,根据变量的性质,可以分为连续变量模型和离条件),按某种规则进行修改,最终达到设计所要求的最优条件。散变量模型[1]。解决工程问题中由于变量离散性所造成困难的在桩基优化设计中,先创建- -个参 数化有限元分析过程的命根本途径,是发展离散变量优化方法。令流输人文件,该文件包括-个完整的分析过程:前处理、求解和1优化设计的方 法和过程后处理。前处理中,把设计变量桩的边距用参数aq,b;表示,并建立一个由设计变量和- -些已知量确定的参数化模型,然后剖分.1 优化设计方法离散变量优化设计技术是用于解决在变量集合中有几个或网格,施加位移边界条件和外荷载，选择适当的求解器求解有限全部变量只允许在离散值域中取值的一种数学规划方法。 近年元方程。在后处理中,提取并指定设计变量、约束条件和目标函来,离散变量问题的研究受到了应用数学界和工程界的十分重数。 这样通过参数化有限元分析过程的命令流,进行-次完整视。就目前文献资料中所见的有关约束非线性离散变量的优化的有限元分析过程,再将这个分析过程导人优化模块中,在几何方法,归纳为以下几类:约束和应力约束的控制条件下,计算出相应的目标函数,最后通1)以-般连续变量优化方法为基础的方法，如拟离散法.离过自编程序不断地优化调整 设计变量,重复建立不同的模型,重散性惩罚函数法;2)随机型和半随机型的离散变量优化方法,如.复迭代计算,直至在离散空间中搜索完所有可行解。从中选取应离散变量随机试验法、自适应随机搜索法、试探组合法;3)离散变力最小值所对应的设计变量即为最优解,从而实现了桩基的体形量搜索优化法,如整数梯度法、离散组合型算法;4)其他离散变量优化设计(见图1)。优化方法,如变量分析方法(网格技术)、非线性隐枚举法和分支[初始化设计交量定界法等。[参数化结构建模 ]上述方法中，应用整数梯度法的主要特点是在离散空间中直口负载井求解接搜索离散点,这样不仅能增大搜索到离散最优解的可能性,而且由于缩小了搜索范围,可以大大加快求解速度,所以这类算法厂提取优化变量门更为完备。整数梯度法是一-种非常典型的离散搜索法,具有如下的迭代(优化参数评价+非最优，修正设计变量]公式:(1C最优，退出OPT如果方向向量s{)的各分量均为整数(即整数方向),而且步[设计结果后处理长λ亦取整数值,为搜索步长,则从整数点开始的每次迭代便能圈1优化设计的流程得到另一个整数点。文中采用整数梯度法,对某工程导流泄洪洞进口桩基进行优1.2.1 设计变量化。桩的边距和间距除了要满足<建筑桩基技术规范》的规定值，当桩基承台尺寸一定时,桩的高度h,桩间距a,,b1随边距.确定取值范圈,还要使施工方便,满足模数要求,因此取步长为变化而变化,从而改变桩的布置,近而影响到桩和其上部涵洞内应力的变化。通过分析计算,根据安全经济和应用等条件，选择0.1 m。一个既满足稳定和强度要求又使控制应力最小和施工方便的布1.2 优化设计过程桩形式。结构优化设计大体上可分为三个阶段:在|中国煤化工其具体参数值不清楚第- -阶段:建立数学模型,把一个工程结构的设计问题变成收稿日期:2006-12-29YHCNMHG作者简介:田小红(1981- ),女,西安理工大学理学院硕士研究生,陕西西安710054何钦象(1957- ),男,教授,西安理工大学理学院,陕西西安710054姜峰(1981- ).男,西安理工大学硕士研究生,陕西西安71005410第33参第16期山西建筑(只知大概范围),为了得到具有最佳性能指标的设计方案,将问计算得出。 其中a1,b1的取值范围在满足规范构造要求的同时，题转化为求如下形式数学模型的最优解,即选择-组设计变量考 虑计算时的迭代次数和效率取值,a1=1.5~2.1,b1=1.2~1.8。x=[a1,b]",满足约束条件的同时使目标函数最小。2.3 优化结果(见表1)1.2.2 目标函数表1优化结果优化设计时判别设计方案优劣标准的数学表达式称为目标SET1T SET2SET3SET4SETST SET6SET7]函数,也称为直函数、评价函数。在桩基的优化设计中,主要是研rmin(sw) -1.41 -1.50 -1.46 -1.42-1.67 -2.43 | -2.02究桩的间距与桩及上部结构应力之间的关系,在使用土方量不变a1(dv)T 2.12.1 2.1工2.1T 2.1 C 2.1 2.1by(dv)1.8 1.7 1.6 1.5 1.1.的情况下使应力更小,从而得到更大的安全储备。通过计算发现mx(bj)[ 1.98 2.02 | 2.25| 1.77 1.83 | 5.63 3.57控制结构安全系数的量为涵洞部分的拉应力,接近混凝土的最大SET15SET 16SET17SET18 I SET19SET20 SET21拉应力,是结构最重要的指标，因此本次优化中令拉应力o,为目emin(sw) -1.82-1.54-1.49 -1.41 -1.62 -2.29 I -2.05标函数,即:or= f(a1,by)→min(2)b(d)_ 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2semax(obj) 2.65| 2.15 1.92 2.22 2.40 6.84| 3. 70从而选出最优设计方案。SET29" SET30-SET31 I SET32 SET 33 SET34 SET 351.2.3约束条件min(sv)[ -1.50 -1.37 -1.29 -1.44 -1.06 -1.72-1.94优化设计寻求目标函数极值时的某些限制条件,称为约束条_a1(dv)1.71.7 ，1.71.7工1.7工1.71.7件。它反映了有关设计规范、计算规程、运输、安装、施工、构造等by(dv1.81.71.61.5口1.41.3工1.2各方面要求,还反映了优化设计工作者的设计意图。桩基优化的[ semax(bi) 1.76 1.38 I 1.93 I 1.82 1.89 I 2.69 2.89约束条件包括几何约束和应力约束两部分。桩的布置满足构造SET43SET44 I SET45 SET46 SET47SET 48 SET 49要求的同时,主应力应满足下式的要求,即:emin(sv)[ -1.23 I -1.39 I -1.26 -1.02 -1.20 -1.65 I -2.36ag(dv) 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5 1.5[o].≤o<[o], .(3)b(dy)1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.22工程应用smax(bj) 2.08| 2.32 | 1.83 2.16| 2.16 3.21| 3. 762.1 工程基本资料3结语某水利工程导流泄洪底洞进口段从桩号0+ 006.026~桩号通过优化序列的图表可以看出,目标函数随a1和by的变化0+044. 026为涵洞段。涵洞横断面为城门洞型,底宽7.0m,直比较明显, 基本规律是在an和b1的差值大时拉应力大，差值小墉高8.5 m,顶拱高2.3 m,顶拱半径为3.813 m,顶拱中心角为时拉应 力小;最小值出现在a1=b1=1.7时,o,=1.38 MPa.比初133.242 s'。涵洞段的基础大部分坐落在软基上,少部分作用在始方案 an=1.8,b= 1.5时的a,=1.69 MPa降低18%;a1和by基岩上。涵洞从桩号0+006. 026~桩号0+036.026 段基础为软的变化对压应力基本 没有影响，上下浮动范围较小，且始终在允基所以在这一段的涵洞基础下部设桩基.桩基深人基岩1 m,采用许范围之内。C30混凝土浇筑,承台厚度为1.2 mo桩顺水流方向的间距a2=通过以上分析可知最佳方案为a1=b1=1.7。4.5 m,边距a1=1.8 m;沿洞轴线方向间距b2=3.5 m,边距b2=该方法能够在离散空间中直接搜索离散点,不仅能增加搜索1.5 m,桩高h= (0.629y+ 23.697) m。平面布置见图2。到离散最优解的可能性,而且缩小了搜索范围,大大加快了求解变形戆速度,对类似工程具有重要的参考价值。应用此方法进行桩基体听5 06。0p6σ可形的优化设计,可以简化有限元计算的建模及计算过程,不仅提0oro|p。00。。高了计算效率,也使计算结果更直观、合理。。。oo。olc。。1000 10000 10 000参考文献:[1]陈立周.工程离散变量优化设计方法一-原理与 应用[M].北围2桩基平 面布圈(单位:mm)京:机械工业出版社,1989. 12.2.2优化过程[2]刘晶波,廖振鹏.有限元离散模型中的出平面波动[J].力学学对于桩的支承刚度和优化迭代按上述分析过程,用自编程序报,1992(3) :207-214. .实现其优化设计。用事先设定的桩型(计算时尺寸定为0.6 m)，[3]龚曙光,谢桂兰 ANSYS操作命令与参數化编程[M].北京:机通过对桩边距a1,b;多次选型后的迭代,就能使桩基在承受同样械工业出版社,2002.载荷的条件下应力达到最小,实现安全设计的目标。桩基的体形[4]李术才 ,徐帮树,李树忱海底隧道衬砌结构选型及参数优化设计中,用参数a,b1就可以确定桩的布置,az,b2,h可由a1,b1研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(21):3 894-3 902.Optimization design for中国煤化工TIAN Xiaohong HE Qin xiang:Y出CNMHGAbstract: This article creates finite element model based on the FEM software, uses the Integer gracuent metnoa to compile optimnal design pro-cedure to optimize pile spacing, obtains reasonable pile spacing suggestion value, prowides available basis to pile foundation design.Key words: FEM, optimization design, discrete variant, pile foundation