弧形鋼閘門拓?fù)鋬?yōu)化與結(jié)構(gòu)布置分析

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1、第一章緒論3或桿件內(nèi)力作為設(shè)計變量，以結(jié)構(gòu)重量為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，以結(jié)構(gòu)平衡方程、剛度條件、穩(wěn)定性為約束條件建立優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。模型列式中一般都存在奇異最優(yōu)解現(xiàn)象，多采用隨機組合優(yōu)化方法求解。如：Ringenz【91(1986)采用了分枝定界法；Grierson(1993)和許素強(1994)等【10】采用遺傳算法；蔡文學(xué)(1994)【11】采用模擬退火算法分別求解了桁架拓?fù)鋬?yōu)化問題：Duan【12】等采用基于最大嫡原理的優(yōu)化算法；svanber【13】等采用了MMA方法；陳建軍等【14】采用基于可靠性

2、的優(yōu)化算法等等。對于連續(xù)變量拓?fù)鋬?yōu)化模型，現(xiàn)有方法多以單元截面積，內(nèi)力或位移等為拓?fù)湓O(shè)計變量，構(gòu)造線性規(guī)劃或非線性規(guī)劃并求解。連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化始于1988年BeIldsoe和鼬kuchi【15】發(fā)表了基于均勻化理論的連續(xù)結(jié)構(gòu)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法。此后對連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究的人日益增多，取得了不少成果。Tellek和Hagiwa刑【l6J研究了薄殼結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化；程耿東和張東旭【l7J研究了受應(yīng)力約束的平面彈性體的拓?fù)鋬?yōu)化；周克民和胡云引18。9’20】結(jié)合有限單元法分析了連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，

3、還將之與拓?fù)浞治鼋Y(jié)合起來；隋允康等【2l】提出了基于獨立、連續(xù)、映像變量為一體的ICM方法，建立了離散體和連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的統(tǒng)一模型；隋允康和于新【22’23】對基于有無復(fù)合體模型的應(yīng)力約束條件下的平面連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化做了研究，取得了一系列的研究成果；Mlejnekf24’2糾建立了變密度法模型；1999年BellSoe和Si舯und【26】對該方法物理意義的存在性作了證明；袁振等【27、28】引用了雜交元以及非協(xié)調(diào)元和變密度法來進行連續(xù)體的拓?fù)鋬?yōu)化；羅鷹[29】等提出三角網(wǎng)格進化法，該方法在優(yōu)化過程

4、中實現(xiàn)了退化和進化的統(tǒng)一，提高了優(yōu)化效率。除了上述以外，人們還提出了其他一些方法和策略。如：Escehau一如J提出“泡泡法”，這是將連續(xù)體形狀優(yōu)化中的邊界變分法進行推廣而得來的一種方法：Jog和Habe【3”2】提出“等周長約束法”；Xie和Steven【33。4】基于進化策略，在優(yōu)化過程逐漸移去低應(yīng)力結(jié)構(gòu)材料，提出了漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化法(簡稱ESo法)；Querin(35、36】等提出了刪除低應(yīng)力單元和增加高應(yīng)力單元并行的雙向漸進方法(BESo法)；Maute和R鋤m137J的自適應(yīng)網(wǎng)格法；這些方法

5、和思想都是非?；钴S的，在連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化的研究中具有廣闊的發(fā)展前景。1．3弧形鋼閘門研究現(xiàn)狀及存在問題閘門是水工建筑物的重要組成部分之一。它的作用是封閉水工建筑物的孔口，并能夠按需要全部或局部開肩這些孔口，可靠地調(diào)節(jié)上下游水位，以獲得防洪、灌溉、引水發(fā)電、通航、過木以及排除泥沙、冰塊以及其它飄浮物等效益。近年來，隨著水利水電事業(yè)的發(fā)展，在水利工程中弧形鋼閘門應(yīng)用越來越廣泛。與其它型式的閘門相比，弧形閘門有其獨特的優(yōu)點p剮：(1)可封閉相當(dāng)大面積的孔口；(2)所需閘墩高度和厚度較??；4弧形鋼閘門拓?fù)鋬?yōu)

6、化與結(jié)構(gòu)布置研究(3)沒有影響水流流態(tài)的門槽，水流條件較好：(4)所需啟閉力較??；(5)埋設(shè)件數(shù)量較少等。因此弧形閘門被普遍認(rèn)為是水閘中最簡單、最經(jīng)濟，應(yīng)用較為廣泛的一種門型，特別是廣泛應(yīng)用于泄水建筑物的工作門。1．3．1弧形鋼閘門設(shè)計理論的研究現(xiàn)狀鋼閘門的結(jié)構(gòu)計算按照《水利水電鋼閘門設(shè)計規(guī)范》DL／T5013—95的規(guī)范和要求來進行計算，其計算方法有兩種㈣：平面體系方法和空間體系方法。20世紀(jì)60年代以前設(shè)計的閘門，大多是按平面結(jié)構(gòu)體系設(shè)計方法進行設(shè)計的。即按一般結(jié)構(gòu)力學(xué)和容許應(yīng)力方法進行計算的

7、?；⌒伍l門計算時弧形面板和縱向梁系忽略其曲率影響，近似按平板和直梁計算；面板、水平次梁(次橫梁)、豎直次梁等構(gòu)件的計算方法均和平面閘門相應(yīng)構(gòu)件的計算方法相同；面板直接承受水壓力產(chǎn)生局部彎應(yīng)力，局部彎應(yīng)力按四邊固定(或三邊固定一邊簡支)的彈性薄板理論進行計算。面板還作為梁系的一部分參與主(次)梁的整體彎曲工作，將面板的局部彎曲應(yīng)力與主(次)梁的整體彎曲應(yīng)力按照第四強度理論進行疊加；水平次梁的荷載分配按相鄰間距的和之半法進行，再根據(jù)構(gòu)造按連續(xù)梁或簡支梁進行計算；豎直次梁承受的荷載有水平次粱傳來的集中荷

8、載和面板直接傳來的三角形分布荷載，一般豎直次梁可按懸臂梁或簡支梁進行計算。梁系的計算均要考慮面板兼作梁系翼緣的有效寬度，主梁和支臂相連構(gòu)成剛性承重結(jié)構(gòu)一主框架，主梁和支臂的結(jié)構(gòu)計算按這個主框架進行計算，此時主梁同時承受彎矩和框架水平推力產(chǎn)生的軸向壓力，它是一個偏心受壓構(gòu)件，需驗算主梁跨中和支座兩個斷面的強度和腹板的局部穩(wěn)定性，不需驗算整體穩(wěn)定性，支臂為一偏心受壓柱，除應(yīng)滿足強度要求之外，支臂還需驗算彎矩作用平面內(nèi)和彎矩作用平面外的穩(wěn)定。總之，整個閘門的結(jié)構(gòu)計算，按實際可能產(chǎn)生的最不