鋼筋混凝土矩形沉井結(jié)構(gòu)取水泵站建筑物設(shè)計探討

【摘 要】河道、湖泊、水庫取水泵站水泵管理用房應(yīng)用最多的鋼筋混凝土矩形沉井結(jié)構(gòu)來作優(yōu)化設(shè)計分析，推導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計公式和優(yōu)化程序。

【關(guān)鍵詞】 鋼筋混凝土;矩形沉井;結(jié)構(gòu);泵房;優(yōu)化設(shè)計

The reinforced concrete rectangle sink well structure to take water pump station building design study

Ma Zhi-jun，Li Gang

(Yili state water conservancy electric power survey design research institute Yili Xinjiang 333200)

【Abstract】The course of river， lake， reservoir take water pump station water pump management to use building application most of the reinforced concrete rectangle sink well structure to make excellent turn design analysis， deduce excellent turn design formula with excellent turn procedure.

【Key words】Reinforced concrete;The rectangle sink well;Structure;Pump house;Excellent turn design

一般取水泵站所處的環(huán)境比較復(fù)雜，修建時，采用的施工方法及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)形式多種多樣。筆者選擇取水泵房應(yīng)用最多的鋼筋混凝土矩形沉井結(jié)構(gòu)來作優(yōu)化設(shè)計分析，推導(dǎo)優(yōu)化設(shè)計公式和優(yōu)化程序。

1. 優(yōu)化設(shè)計思路

優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)是使設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)在滿足安全使用的條件下，造價最低，這樣的結(jié)構(gòu)才是最優(yōu)結(jié)構(gòu)。對鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)，若設(shè)計出的每一構(gòu)件的材料強(qiáng)度都得到充分利用，則這樣的整個結(jié)構(gòu)是最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

基于上述的思路，可以把凍結(jié)內(nèi)力方法和0.618法結(jié)合起來，進(jìn)行沉井結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。首先對擬設(shè)計結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行一次內(nèi)力分析，再把內(nèi)力凍結(jié)起來，用0.618法對各個構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，得到新的方案;然后再進(jìn)行內(nèi)力重分析，重復(fù)上述步驟，直至前后兩次計算結(jié)果充分接近為止。

2. 結(jié)構(gòu)部件的優(yōu)化設(shè)計

鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)水泵房為板式結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)和井字梁結(jié)構(gòu)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(gòu)件分類，可分為純彎板、偏壓板、純彎梁、偏壓柱4種構(gòu)件，下面就對此4種構(gòu)件作優(yōu)化設(shè)計推導(dǎo)。

2.1 純彎板構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計。純彎板優(yōu)化可采用分單位板寬度來分析。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)。取目標(biāo)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(biāo)函數(shù)有關(guān)的變量有板厚、鋼筋面積、模板面積。

2.1.2 約束條件。應(yīng)考慮抗彎方面的強(qiáng)度約束:(1)最大正彎曲強(qiáng)度;(2)板條兩端最大負(fù)彎曲強(qiáng)度;(3)最大剪力強(qiáng)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(biāo)函數(shù)的最小值。可以理解為:當(dāng)造價值最小時，材料用量應(yīng)該最省。考慮約束條件，在內(nèi)力一定的條件下，對應(yīng)于每一個板厚值X，可以算出配筋面積，故目標(biāo)函數(shù)屬一維搜索問題，用0.618法可以簡便地求出最優(yōu)解X，步驟如下:

(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)、(3)，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[Xl、Xu]區(qū)間搜索，與求出最小的目標(biāo)函數(shù)所對應(yīng)的X及對應(yīng)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(yīng)的配筋量，再以約束條件(4)、(5)檢驗這4個量，取滿足要求的值。然后以所取的配筋量的值代入約束條件(1)求目標(biāo)函數(shù)。

計算中，彎矩、剪力內(nèi)力均作為已知條件給出，這是根據(jù)計算簡圖預(yù)先算好的。

2.2 偏壓板構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計。偏壓板構(gòu)件優(yōu)化同樣采取1m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，只是在約束條件中，須計入軸向力的作用。

2.2.1 目標(biāo)函數(shù)。取目標(biāo)函數(shù)為單位長度板條的材料和模板造價的和。

2.2.2 約束條件。

(1)最大彎曲壓縮強(qiáng)度。

a)大偏心情況(即ξ≤ξb時)。

b)小偏心情況(即ξ≥ξb時)。

(2)最大剪切強(qiáng)度。

(3)最小配筋率、最大配筋率。

(4)最小板厚度。

偏壓板條的優(yōu)化過程與純彎板條相同，同樣可通過對約束條件(1)、(2)取等代，使得對應(yīng)于截面高度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(biāo)函數(shù)。實際上也是只有一個設(shè)計變量X的一維搜索問題。

2.2.3 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(yīng)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Xu、Xl分別求解，即約束條件(1)相應(yīng)于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(yīng)于最小及最大配筋率的情況，Xu、Xl分別求解。

與約束(4)比較，取其較大者為Xl。

2.3 矩形截面梁的優(yōu)化設(shè)計。同上述類推:

2.3.1目標(biāo)函數(shù)。以梁本體材料和模板的造價為目標(biāo)函數(shù)。

2.3.2 約束條件。

(1)最大正彎曲強(qiáng)度。

(2)梁兩端最大負(fù)彎曲強(qiáng)度。

(3)最大剪應(yīng)力強(qiáng)度。

(4)最小、最大配筋率。

(5)構(gòu)造要求鋼筋最小截面積。

(6)梁最小截面高度要求。

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。

2.4 矩形截面柱的優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化方法與上述基本相同。

2.4.1 目標(biāo)函數(shù)。以柱本體材料和模板的造價為目標(biāo)函數(shù)。

2.4.2 約束條件。

(1)最大彎曲壓縮強(qiáng)度。

a)大偏心情況(即ξ>ξb時)。

b)小偏心情況即ξ<ξb時)。

(2)最大剪切強(qiáng)度。

(3)縱筋最小、最大配筋率。

(4)最小截面高度要求。

(5)構(gòu)造要求鋼筋最小截面積。

2.4.3 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(shè)計程序

沉井結(jié)構(gòu)取水泵站水泵管理用房建筑物結(jié)構(gòu)的總體布置一般都受工藝流程和施工要求控制。結(jié)構(gòu)設(shè)計是在滿足工藝要求和施工要求的條件下，布置合理的結(jié)構(gòu)形式，并依此設(shè)計出各構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化的主要任務(wù)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(jié)內(nèi)力法與0.618法結(jié)合起來，對沉井結(jié)構(gòu)取水泵站進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

具體步驟如下:

(1)給定結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、荷載、材料性質(zhì)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(jié)構(gòu)幾何尺寸對結(jié)構(gòu)在各種工況下進(jìn)行內(nèi)力分析，求出各荷載工況下所產(chǎn)生的內(nèi)力，從中選取各構(gòu)件中最不利的內(nèi)力作為下一步優(yōu)化計算的內(nèi)力。

(2)用0.618法對每一純彎板條、偏壓板條、梁、柱構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化，求得各構(gòu)件的最優(yōu)截面高度X 及相應(yīng)的鋼筋面積。計算每一個結(jié)構(gòu)的目標(biāo)函數(shù)。

C=Ci

這一步驟中，認(rèn)為各構(gòu)件的內(nèi)力不變，即凍結(jié)上一次結(jié)構(gòu)分析所得的各構(gòu)件內(nèi)力。

(3)進(jìn)行內(nèi)力重分析——用各構(gòu)件的X作為新的X0進(jìn)行內(nèi)力重分析。

(4)將重分析的內(nèi)力凍結(jié)轉(zhuǎn)入第二步。

(5)檢查前后兩次迭代結(jié)果是否充分接近，若滿足要求則結(jié)束計算，優(yōu)化任務(wù)完成。

[文章編號]1619-2737(2010)05-30-208