新疆尼勒克沟渡槽槽身静动力分析及结构优化

摘要

预应力钢筋混凝土矩形渡槽是我国渡槽建设常用的结构形式之一,但是,随着渡槽结构规模的增大,渡槽纵、横向各承载构件之间受力的复杂性将随之增加,需要研究认识其中的变化规律,使各构件充分发挥其自身的受力特性,达到结构安全、经济、合理的设计目标。
　　结构优化设计作为一种寻找最优设计方案的技术,一直是结构设计理论和方法研究领域中的热门课题。通过结构优化设计才能使结构各部分材料受力分布达到合理的状态,从而使结构设计达到经济与安全的要求。因此,结构优化设计是结构设计的新发展、新成就,具有重要的工程意义和广阔的发展前景。
　　本文结合新疆尼勒克沟矩形预应力渡槽工程,对遗传算法的优化设计理论、优化前后的渡槽结构静、动力受力状态展开一系列的对比分析研究,其研究的主要内容如下:
　　1)预应力渡槽三维有限元非线性静力分析。通过利用大型商用有限元分析软件ANSYS对渡槽进行三维非线性静力分析,在渡槽无水、槽内设计水深及满槽水深(温升)和满槽水深(温降)四种工况下对渡槽进行三维静力计算分析,计算结果表明:渡槽结构优化前即原设计方案下,渡槽结构的应力、应变指标满足规范要求,并存在三向预应力钢筋及截面尺寸的优化可能性。
　　2)预应力渡槽三维有限元动力分析。利用ANSYS软件对渡槽进行单点响应谱分析,提取渡槽结构在渡槽无水、槽内设计水深及满槽水深三种工况下的前十阶模态分析及谱分析。计算结果表明渡槽原设计方案下能满足抗震要求,并通过对原设计方案的静、动力分析结果提出在设计中做到经济建槽,安全运行的优化方案。故对渡槽结构进行优化设计,使其结构尺寸及配筋更为合理。
　　3)采用改进遗传算法对渡槽结构进行预应力配筋量及截面尺寸的优化。简述了遗传算法的基本思想,提出改进遗传算法应用于本渡槽工程,编制了改进的遗传算法程序对本渡槽结构进行了优化。并再次利用ANSYS软件对优化方案进行静、动力三维有限元分析。通过对比原设计方案与优化方案的结构安全性能及经济效益的差异,得出优化方案较原方案在结构的安全基础上具有更优的经济性。

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1 绪论

1.1 预应力钢筋混凝土结构在国内外的研究状况

1.2 渡槽结构优化研究进展

1.3 遗传算法在工程结构优化中的研究现状

1.4 存在的问题

1.5 本文研究的主要内容及意义

2 预应力混凝土渡槽三维非线性有限元分析理论

2.1 有限元非线性求解

2.2 预应力渡槽结构材料的本构模型分析

2.3 预应力钢筋混凝土结构的有限元模型

2.4 小结

3 新疆尼勒克预应力渡槽静动力三维有限元分析

3.1 工程简介

3.2 计算模型建立

3.3 计算参数与工况

3.4 静力分析

3.5 动力分析

3.6 静、动力对比研究

3.7 小结

4 遗传算法基本原理

4.1 标准遗传算法及其原理

4.2 改进的遗传算法研究

4.3 小结

5 基于改进遗传算法的渡槽结构优化应用研究

5.1 基于改进遗传算法槽身在结构优化中的应用研究

5.2 静力分析

5.3 动力分析

5.4 对比研究

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 对今后工作的建议

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间发表的部分学术论著