水泵房的優(yōu)化設計探析

1、水泵房的優(yōu)化設計探析【摘要】隨著工業(yè)和社會生活需求的發(fā)展，供水工程日益增 多，修建取水泵房也增多，但取水泵房造價較高。據(jù)有關文獻介 紹，泵房結采用優(yōu)化設計，可以使工程造價降低5 % 2 5 %。 可見，探討水泵房優(yōu)化設計，具有顯著的經(jīng)濟意義?？凇娟P鍵詞】鋼筋混凝土 ；矩形沉井；結構；水泵房；優(yōu)化設 計口analysis of optimal design of pump housedwang zhen-yed(turpan prefecture institute of water conservancy and hydropower survey and designturpanxinjia

2、ng838000)abstract with the demand for in dustrial developme nt and social life, in creasing water supply projects, constructio n of water pump also increased, but the high cost of water pumping stations. according to the literature description, pump knot optimized design, the project cost reduced by

3、 5% to 25%. can be seen, optimal design of pump house, has significant economic significance.dkey words reinforced concrete;rectangularcaisson;structure;pump house; optimization口一般水泵房所處的環(huán)境比較復雜，修建時，采用的施工方法 及相應的結構形式多種多樣。筆者選擇江河和海邊取水泵房應用 最多的鋼筋混凝土矩形沉井結構來作優(yōu)化設計分析，推導優(yōu)化設 計公式和優(yōu)化程序?？?優(yōu)化設計思路優(yōu)化設計的目標是使設計出來的結構在滿足安

4、全使用的條件 下，造價最低，這樣的結構才是最優(yōu)結構對鋼筋混凝土沉井結構，若設計出的每一構件的材料強度都 得到充分利用，則這樣的整個結構是最優(yōu)結構基於上述的思路，可以把凍結內力方法和0.618法結合起來， 進行沉井結構的優(yōu)化設計。首先對擬設計結構方案進行一次內力 分析，再把內力凍結起來，用0.618法對各個構件進行優(yōu)化，得 到新的方案；然後再進行內力重分析，重復上述步驟，直至前後 兩次計算結果充分接近為止?？?. 結構部件的優(yōu)化設計口鋼筋混凝土沉井結構水泵房為板式結構、框架結構和井字梁 結構的混合體。其受力工況很多，計算簡圖也依部位、工況而不 同。但按鋼筋混凝土構件分類，可分為純彎板、偏壓板.純

5、彎梁、 偏壓柱4種構件，下面就對此4種構件作優(yōu)化設計推導。口2.1純彎板構件的優(yōu)化設計。純彎板優(yōu)化可采用分單位板寬度來分析?？?.1.1目標函數(shù)。取目標函數(shù)為單位板寬、單位長度的材料和模板造價之和。與目標函數(shù)有關的變量有板厚、鋼筋面積、模板 面積?？?.1.2約束條件。應考慮抗彎方面的強度約束:(1 )最大正彎 曲強度；(2 )板條兩端最大負彎曲強度;(3 )最大剪力強度;(4 )最小、最大配筋率；(5)板厚最小要求。2.1.3優(yōu)化方法及步驟。板條的優(yōu)化就是要尋求滿足上述全部約束條件的目標函數(shù)的最小值?？梢岳斫鉃椋寒斣靸r值最小時, 材料用量應該最省?？紤]約束條件，在內力一定的條件下，對應 於每

6、一個板厚值x，可以算出配筋面積，故目標函數(shù)屬一維搜索 問題，用0.618法可以簡便地求出x的最優(yōu)解x ,步驟：口(1 )求x的上、下限作為一維搜索的區(qū)間：x的上限：取板的端部彎矩和跨中彎矩的最小值代入約束條件(1 x( 2 ),再利用最小配筋率條件得x的上限值x的下限：與上面類似，取板的端部彎矩和跨中彎矩的最小值代入約束條件(1,(2),再利用最大配筋率條件得x的下限值?？?2) 用0.618法在xi、 xu區(qū)間搜索，與求出最小的目標函數(shù)所對應的x及對應的配筋量即為最優(yōu)解。在優(yōu)化 計算中，對每一給定的x值，可由約束(1 )(3)取等式，求 得相應的配筋量，再以約束條件(4,(5)檢驗這4個量，

7、取滿 足要求的值。然後以所取的配筋量的值代入約束條件(1 )求目 標函數(shù)?？谟嬎阒校瑥澗?、剪力內力均作為已知條件給出，這是根據(jù)計 算簡圖預先算好的。口2.2偏壓板構件的優(yōu)化設計。偏壓板構件優(yōu)化同樣采取1 m寬的板條來分析，其優(yōu)化方法與上述純彎板的優(yōu)化方法基本相 同，隻是在約束條件中，須計入軸向力的作用?？?.2.1目標函數(shù)。取目標函數(shù)為單位長度板條的材料和模板造價的和?？?.2.2約束條件?？?.2.2.1最大彎曲壓縮強度(1 )大偏心情況(即b時)(2 )小偏心情況(即學§ b時)2.2.2.2最大剪切強度?？?.2.2.3最小配筋率、最大配筋率。2.2.2.4最小板厚度偏壓板條的

8、優(yōu)化過程與純彎板條相同，同樣可通過對約束條 件(1x( 2 )取等代，使得對應於截面高度x的每一取值可算出 配筋量，再利用條件(3 ' ( 4 )以確定符合所有條件的配筋量最 小值，以代入求目標函數(shù)。實際上也是隻有一個設計變量乂的一 維搜索問題?？?.2.3求x的上、下限偏壓板條的x上、下限求法與純彎板條不同，應分大偏心和 小偏心兩種情況計算(1 )大偏心情況。此時x的上、下限x u、x i分別求解,即約束條件(1 )相應於最小及最大配筋率的情況(2)小偏心的情況。也取約束(1 )相應於最小及最大配筋率的情況，x u、x i分別求解。與約束(4)比較，取其較大者為x i o 2.3矩形

9、截面梁的優(yōu)化設計。同上述類推：口2.3.1目標函數(shù)。以梁本體材料和模板的造價為目標函數(shù)?？?.3.2約束條件(1 )最大正彎曲強度 (2)梁兩端最大負彎曲強度(3) 最大剪應力強度 (4 )最小、最大配筋率 (5)構造要求鋼筋最小截面積(6 )梁最小截面高度要求。口2.3.3優(yōu)化方法及步驟。優(yōu)化方法及步驟與上述基本相同。2.3.4矩形截面柱的優(yōu)化設計，優(yōu)化方法與上述基本相同口2.3.4.1目標函數(shù)。以柱本體材料和模板的造價為目標函數(shù)。234.2約束條件(1)最大彎曲壓縮強度a大偏心情況(即時)b小偏心情況即gvgb時)(2)最大剪切強度 (3 )縱筋最小、最大配筋率(4) 最小截面高度要求(5

10、) 構造要求鋼筋最小截面積?？?.4優(yōu)化方法及步驟。優(yōu)化方法及步驟與偏壓板條基本相同。3. 優(yōu)化設計程序沉井結構水泵房結構的總體佈置一般都受工藝流程和施工要 求控制。結構設計是在滿足工藝要求和施工要求的條件下，佈置 合理的結構形式，並依此設計出各構件的尺寸。然而，板的跨度 及梁柱的寬度往往也根據(jù)工藝或施工要求而定。由此可見，結構 優(yōu)化的主要任務是對板厚和梁、柱截面高度作優(yōu)化優(yōu)化程序依據(jù)前面思路：將凍結內力法與0.618法結合 起來，對沉井結構水泵房進行優(yōu)化設計具體步驟。口3.1給定結構的幾何尺寸、荷載、材料性質參數(shù)；擬定各板 厚度、梁截面高度、柱截面高度的初始值x0 ;根據(jù)初擬定的結 構幾何尺寸對結構在各種工況下進行內力分析，求出各荷載工況 下所產(chǎn)生的內力，從中選取各構件中最不利的內力作為下一步優(yōu) 化計算的內力。口3.2用06 1 8法對每一純彎板條、偏壓板條、梁、柱構件進行優(yōu)化，求得各構件的最優(yōu)截面高度x及相應的鋼筋面積。計算每一個結構的