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构皮滩拱坝中孔预应力闸墩优化设计研究

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维普资讯 http://www.cqvip.com 第25卷第1期 红水河 V01.25.No.1 2006年第1期 HongShui River No.1.2006 构皮滩拱坝中孔预应力闸墩优化设计研究 胡清义 ,任旭华2,廖仁强 ,曹去修 (1.长江勘测规划设计研究院,湖北武汉430010; 2.河海大学水利水电工程学院,江苏南京210098) 摘要:为优化构皮滩拱坝中孔预应力闸墩锚索永存张拉吨位,首先采用方案优选的方法确定主次锚索永存张拉 吨位组合,但优选结果拉锚系数偏大,再对闸墩体型进行优化,然后采用基于参数化有限元的ANSYS优化设计模 块对主次锚索永存张拉吨位进行优化,优化结果满足应力控制要求,降低了拉锚系数。 关键词:预应力闸墩;拉锚系数;优化设计;参数化有t ̄;L,;ANSYS;构皮滩水利枢纽 中国分类号:Tv332 文献标识码:A 文章编号:1001—408X(2006)01—0029—04 构皮滩水利枢纽是长江上游南岸最大支流乌江梯 1 城 级开发中的最大水电站,坝址位于贵州省余庆县境内, 噩 装机容量3 000 MW,最大坝高232.5 m,上游来水丰 富,泄水量巨大。文献[1]指出:“……可用QH的乘积 来表达泄洪、消能、防冲的技术难度”,构皮滩工程的 一 l QH值为6.4×106 m4/s,居世界首位。综合考虑枢纽 \ 一 \ 布置各项因素后,泄水建筑物布置采用集中泄洪,集中 一一 消能的方式[ 。坝体设置溢洪表孑L、中孑L和放空底孑L, 共3层孔口。孔口布置经方案比较后取如下方案:6个 I 表孔,尺寸为12 mX 14 m;7个中孔,尺寸为7 mX6 m; 两个底孔,尺寸为4 mX 6 m。中孔采用弧形工作门,2 号、4号、6号中孔弧门推力P=44 050 l ,1号,3号,5 图1中孔闸墩及锚索布置图 号,7号中孑L弧门推力P=37 270 kN,考虑弧门推力巨 大,闸墩采用预应力闸墩结构,弧门支承体为三面嵌固 表1锚索永存张拉吨位对比研究方案表 深梁结构,闸墩及锚索布置如图1所示。锚索永存张 拉吨位原设计方案为每个闸墩上布置两排每排6根 3 O00 kN级预应力主锚索,支承大梁上设3排每排5 根2 000 kN级预应力次锚索。 选取4号中孔所在坝段建模,单元类型采用8 1锚索永存张拉吨位方案优选 节点等参单元。左右边界(即横缝)距孔口中心线 锚索永存张拉吨位是预应力闸墩设计的重要参 12.35 m,顶部和底部边界距闸墩顶部和底部均为 数,原方案为主锚索3 000 kN,次锚索2 000 kN。为 20 m,上下游边界分别为坝体上下游坝面。边界条 了研究主次锚索永存张拉吨位对关键部位应力的影 件选取:由于主要研究分析支承梁和闸墩应力状态, 响,并优化设计,制定如表1所示6组锚索永存张拉 计算模型左右边界、顶部底部边界取为固端,上下游 吨位比较研究方案。通过三维弹性有限元计算,依 边界为自由边界。共剖分12 280个单元,14 974个 据颈部1.5 MPa、支承梁跨中截面0.5 MPa的应力 节点。材料参数:混凝土材料密度p=2.45 x 10 控制要求,选择合适的方案。 kg/m3,弹性模量E=2.0×10∞Pa,泊松比U= 收稿日期:2oo5—12—17 作者筒介:胡清叉(1979一),男,湖南宁乡人,硕士,助理工程师,主要从事水工建筑物谩计工作,E—mail:hohaihuqingyi@126.㈣。 维普资讯 http://www.cqvip.com 红水河2006年第l期 0.167。荷载施加方式:自重以体力施加,重力加速 度g=9.8 N/kg;弧门推力以均布力施加于弧门支 座垫板上,垫板尺寸1.76×1.86 m2,4号孔单侧弧 门支座推力为22 025 kN,弧门推力均布力集度 6 728 kN/m2。锚索为无粘结预应力锚索,以作用 在锚索两端的集中力模拟。 表2各对比研究方案关键部位第一主应力表 Ⅳ a 主应力 部位 方案1 方案2 方案3 方案4 原方案 方案5 方案6 颈部 1.458 1.658 1.878 1.552 i.756 1.978 1 879 支承 粱跨 一O.oo2 一O.oo3 0.302 一O.oo2 一O.oo3 0.377 0.377 中顶部 由表可见,只有方案1满足应力控制要求,但该 方案锚索永存张拉吨位过高,对2号,4号,6号孔, 拉锚系数(所施加的锚索预压力与弧门推力之比)达 1.91。另外,从各对比方案的计算结果看,若保持主 锚索永存张拉吨位不变,次锚索永存张拉吨位每提 高500 kN( ̄ll方案3、2、1),颈部拉应力降低约0.2 MPa;若保持次锚索永存张拉吨位不变,主锚索永存 张拉吨位每提高500 kN(如方案6、原方案、方案 2),颈部拉应力降低约0.1 MPa,可见,锚索(特别是 主锚索)的预压效果不够理想。 2闸墩体型优化 为了提高锚索的预压效果,对闸墩体型进行优 化,适当降低闸墩高度,使支承梁突出于闸墩之上, 以减小闸墩对锚索张拉的约束作用,如图2所示,虚 线为原闸墩轮廓线,实线为体型优化后闸墩轮廓线。 主锚索永存张拉吨位取3 500 kN,次锚索永存张拉 吨位取2 500 kN(即方案1),计算后关键部位第一 主应力与体型优化前对比如下表3所示。。 囤2闸墩体型优化图 表3闸墩体型优化前后关键部位第一主应力对比表 关键部位 支承梁与闸墩连接处 支承粱跨中顶部 体型优化前 1.458 一O.oo2 体型优化后 1.369 一O.oo3 由表可见,体型优化后,闸墩应力状态明显改 善,支承梁与闸墩连接处主应力比优化前降低0.09 MPa,可见闸墩体型的优化后有效增加了锚索的预 压效果,改善了关键部位应力状态。 3基于参数化有限元的锚索永存张拉 吨位优化 闸墩体型优化后,锚索预压效果得到了提高,为 了使预应力分布更加合理,降低拉锚系数,还需对主 次锚索永存张拉吨位进行优化。由于方案优选法效 果不理想,采用基于参数化有限元的ANSYS优化 设计模块进行锚索永存张拉吨位的优化。 3.1 ANSYS结构优化设计原理 3.1.1参数化有限元及ANSYS结构优化设计基 本过程 参数化有限元是指先用一组参数来定义几何图 形(体素)尺寸数值并约束尺寸关系,然后提供给设 计者进行几何造型使用。它的主题思想是用几何约 束、数学方程与关系来说明产品模型的形状特征,从 而得到一簇在形状或功能上具有相似性的设计方 案_3 J。利用ANSYS优化设计模块进行结构优化设 计,在执行优化分析前必须创建一个分析文件,它是 一个基于APDL参数化有限元分析过程的命令流 输入文件,包含一个完整的分析过程:前处理、求解 和后处理,其中必须包含一个参数化的模型,定义有 设计变量、状态变量和目标函数。ANSYS中优化设 计流程如图3【4l。 3.1.2 ANSYS的优化方法l5 ANSYS中求解最优化问题有子问题法,一阶方 法等,在此介绍常用的子问题法的优化原理。子问题 法是一个高级的零阶优化方法,只需要用到目标函数 和状态变量本身的值,而不需要它们的导数。使用序 列无约束最小化技术(SI rr)内点法,将约束优化问 题转变成无约束优化问题。首先将目标函数和状态 变量进行拟合,最复杂的拟合是完全二次多项式: ‘ n f=a0+ 口 + 6f f (2) 维普资讯 http://www.cqvip.com 胡清义,任旭华,廖仁强。等:构皮滩拱坝中孔预应力闸墩优化设计研究 图3 ANSYS优化设计流程图 在函数拟合前,必须存在一定数量的设计序列,可 以用扫描工具、单循环工具等生成,否则程序将自动随 机生成设计序列,ha<,z+2时随机产生设计序列, ≥,z+2时进行拟合( 为当前设计序列个数)。接下 来就应用序列无约束技术( 】Ⅳfr)将原约束优化设计 问题(1)转换为无约束优化问题,目标函数变为: 月 册l F(X,P )= +厂0P ( Ex (zf)+EG (自)+,. J l 卅2 埘3 ∑H(hf)+∑W(啦)) (3) 其中,右边部分为惩罚项,X为设计变量罚函 数,G,H。w为状态变量罚函数,分别用来加强设 计变量和状态变量的约束作用, 是响应面参数, 厂0的引进是为了使单位一致,下标k表示子问题的 迭代次数,所有罚函数都是内点型碰壁函数。若第 k步迭代求出 (』)对应的最优点为三(",使用以下 迭代格式求下一步目标函数使用的设计向量: z( 1)=z(6)+c( (j)一z(6)) (4) 其中:z(6)为当前最优设计序列,c是与不可行序列 个数有关的参数,在0到1之间取值。 若当前设计序列满足收敛准则,则停止迭代。 3.2锚索永存张拉吨位最优化模型的建立 3.2.1设计变量 不同部位的锚索对关键应力的影响不同,依据 主次锚索的布置方式,将锚索永存张拉吨位分为3 个参变量:①主锚索永存张拉吨位z;②上两排次锚 索永存张拉吨位Y;③下面单排次锚索永存张拉吨 位 。将不同部位的锚索分开考虑,可以使预应力 的分布更加合理。 3.2.2 目标函数 依据费用最小的原则,假设主次锚索每米长度每 增加1 kN,锚索永存张拉吨位的费用相同,即1 kN・m 锚索造价相同,设为C。每个闸孔两个闸墩主锚索总 长度为452 m,上两排次锚索总长度为182 m,下面单排 次锚索总长度为91 m,故主次锚索总造价如下: f(z,Y, )=452C,z+182Cx+91C (5) 3.2.3状态变量 在本课题中,需要约束的条件为关键部位拉应 力,结构应力控制的要求取为:支承梁与闸墩连接处 最大拉应力不超过1.5 MPa,支承梁跨中截面顶部主 应力不超过0.5 MPa。故提取支承梁与闸墩连接处 节点第一主应力值并赋给状态变量S ,提取支承梁跨 中截面顶部节点第一主应力值并赋给状态变量S2。 综上所述,本优化设计问题可抽象成以下最优 化问题: min: obj=4.967x+2y十 s.t. z>0 v>0 0 (6) l<1.5 ,<0.5 3.3优化结果 用子问题法经过8步迭代计算收敛到最优解,主 次锚索永存张拉吨位最优组合为:主锚索3 133.4 kN,上面两排次锚索2 498.8 kN,下面单排次锚索 1 699.3 kN。将锚索永存张拉吨位取整:主锚索 3 000 kN,上两排次锚索2 500 kN,下面单排次锚索 2 000 kN,重新计算以考查关键部位应力及整个结构 的应力分布是否满足要求。关键部位第一主应力如 下表4。 表4锚索永存张拉吨位优化前后 结构关键部位第一主应力表 MPa  I关键部位 支承梁与闸墩连接处1 支承梁跨中顶部  l优化后 1.486 l —O.003  l优化前 1.369 I —O.003 由表可见,优化后颈部最大拉应力有所提高, 但满足1.5 MPa的应力控制要求,支承梁跨中顶部 最大压应力没有变化。这时目标函数值为21 901 kN,比优化前(主锚索3 500 kN,次锚索2 500 kN) 减小2 983.5 kN,减小比例达13.6%。 4结语 对构皮滩拱坝中孔预应力闸墩体型优化后,支 31 维普资讯 http://www.cqvip.com 红水河2006年第1期 承粱突出于闸墩之上,提高了锚索压效果;就锚索永 [2]韩继斌,袁玲玲,肖兴斌.从高拱坝的工程实践看构皮 存张拉吨位的优化而言,基于参数化有限元的AN— 滩泄洪消能设计的可行性[J].长江科学院院报,1997, l4(1):7一儿. SYS优化设计方法利用数学优化理论,在更大的设 [3] 王鹰宇,姚进,成善宝.基于ANSYS环境的参数化 计变量空间中搜索最优解,比方案优选法更有效、合 有限元建模[J].机械,2003,30(4):12一l4. 【4 l Yanyan.Design of Sturcture Optimization with APDL 理,这种方法在结构优化设计中有广阔的应用前景。 [C].The Hilton Pittsburgh&Towers:2004 Interna— tional ANSYS Conference.2004.5. 参考文献: 1 5 l ANSYS,Inc.Theory Reference.ANSYS 7.1 HTML [1]陈椿庭.高坝大流量泄洪建筑物[M].北京:水利电力 Online D3cumentation.2003. 出版社,1988. Study on the Optimization Design of Prestressed Pier of Goupitan Arch Dam HU Qing—yi ,褂 Xu-hua2,LL Ren—qiang ,0 QU—xiu (1.Changjiang Institute of Survey Planning Design and Research,Wuhan 430010,China; 2.Water Conservacy and Hydropower Engineering Institute of Hohai University,Nanjing 210098,China) Abstract:In order to optimize the perpetuation tensioning tonnage of prestressed pier anchor wire of Goupitna arch dam,first the scheme contrast method is adopted to define the perpetuation tensioning tonnage combination 0f the primary and secondary anchor wire.but the optimization result is that the pull—anchor coefficient is tOO big;then the body form of the pier is optimized;finally the nachor wire perpetuation tensioning tonnage is opti— mized by using ANSYS optimization design module based on parametric FEM,the optimization result is accept— able and the Pull—anchor Coefficient is lowered down. Key words:prestressed pier;pull—nachor coefficient;optimization desing;parametric FEM;ANSYS;Goupitan hydro ocmplex (上接第28页) 墙变形观测点,每周观测一次。 垫层料的摊铺和碾压。垫层料层厚40 CITI,采用18 t 振动碾密实,靠近边墙20~30 cm区域内采用BW 5结语 一75S小型手扶式振动碾碾压或手扶式夯板夯实。 根据国内外面板堆石坝工程的施工经验,采用 4施工质量检测 混凝土挤压边墙施工技术,不仅简化了施工程序,加 快了大坝施工进度,保证和提高了垫层的施工质量, 4.1现场取样检测成果 而且有利于坝前区坡面的防护,有利于防止暴雨冲 为了进一步验证挤压边墙各项性能指标是否符 刷及大坝安全度汛,避免了上游边坡滚石和斜坡碾 合设计要求,在挤压边墙施工过程中,每10层(4 m 压高边坡作业,提高了施工安全性,有利于坝前趾板 高)进行一组干密度和强度检测,每2O层(8 m高) 区帷幕灌浆的安全施工,同时还降低了施工成本,有 进行一组弹性模量、渗透性检测。 广泛的市场前景。因此建议有关部门切实关注混凝 4.2变形监测 土面板堆石坝挤压边墙施工技术的发展,及早组织 力量编制挤压边墙施工技术规范或相关试验规程, 为了掌握挤压边墙在施工过程中和成型后大坝 以规范指导施工。 上升阶段的变形情况,在坝前每20 m高埋设挤压边 Construction Technique on Extrusion Side Wall of Concrete Face Rockfill Dam GUAN Yun—hang,WANG Zhang—zhong,X NG Hong-wei (hCina Gezhou Dam Group Corporation,Yichang 443002,hCina) Abstract:This paper relatively systematically intrdouces the original basic principles,construction craft,special- ized equipment,quality inspection method,domestic application situation and prospects 0f construction technique on extrusion side wal1 of concrete face rockfill dam;shows the wide appliaction prospects of consturction tceh— nique on extrusion side wal1. Key words:concrete face rockfil1 dam;extrusion side wal1:construction technique 32 

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