基于Workbench的混凝土重力壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

黃海兵，吳云星

(南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；水利部大壩安全管理中心，江蘇 南京 210029)

1 概述

由于混凝土材料的出現(xiàn)，各種混凝土結(jié)構(gòu)建筑的建設(shè)方興未艾。在此期間，混凝土重力壩得到了快速的發(fā)展，迅速成為一種主要的壩型[1]。由于很多結(jié)構(gòu)所使用的混凝土量巨大，造成投入資金也十分龐大，因此從經(jīng)濟方面考慮，簡潔可靠的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計始終是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要工作[2- 4]。而混凝土重力壩作為一種大體積混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計更是重中之重[3]，所以對混凝土重力壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究頗豐。如崔乃文等利用混凝土損傷和斷裂力學(xué)的兩個評價指標(biāo)對重力壩體型進行優(yōu)化設(shè)計研究[5]；李斌等提出了雙層復(fù)形法來優(yōu)化重力壩斷面[6]；蔣繪靜則通過ANSYS與MATLAB嵌套并聯(lián)構(gòu)建出一個自動尋優(yōu)的方法，以此實現(xiàn)了對重力壩斷面的優(yōu)化[7]等。由上述研究成果可以發(fā)現(xiàn)混凝土壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化趨于高精度化、復(fù)雜化，同時也給一線設(shè)計人員的優(yōu)化設(shè)計帶來較大的困難，所以簡便快速高效的混凝土壩優(yōu)化研究依然很有必要。

目前，基于Workbench的鋼屬結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計較多[8]，應(yīng)用方便并且可靠性較高，如張明等利用Workbench對B型轉(zhuǎn)向架構(gòu)進行全面優(yōu)化設(shè)計并進行了試驗驗證[9]，王園通過Workbench對齒輪進行有限元分析并對其進行應(yīng)力分布及優(yōu)化研究[10]等。但詳細闡述基于Workbench的混凝土重力壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程和評價標(biāo)準(zhǔn)的研究不多，本文將通過Workbench軟件進行混凝土重力壩優(yōu)化，應(yīng)用設(shè)計變量的方法將壩體中某幾個截面參數(shù)設(shè)置為變量，利用改變該參數(shù)的方法計算得到滿足評價要求的最優(yōu)解，最后通過具體實例優(yōu)化計算驗證該方法的可行性。

2 混凝土重力壩建模與優(yōu)化流程

2.1 Workbench結(jié)構(gòu)優(yōu)化工具

Ansys Workbench有5個常用的優(yōu)化模塊[11]：①Direct Optimization(Beta)：輸入優(yōu)化目標(biāo)并通過優(yōu)化默認參數(shù)，可以得出期望的組合方案；②Goal Driven Optimization：在研究的樣本中，計算最優(yōu)點；③Parameters Correlation：由圖表反映輸入與輸出之間的關(guān)系；④Response Surface：能夠計算某一輸入?yún)?shù)對應(yīng)響應(yīng)曲面影響的大??；⑤Six Sigma Analysis：利用6個標(biāo)準(zhǔn)誤差理論計算對象的可靠性概率，并且驗別對象能否符合六西格瑪準(zhǔn)則。

2.2 確定材料的屬性

在確定了混凝土壩各材料分區(qū)的屬性之后，通過engineering date在軟件中添加新材料，設(shè)置材料屬性如彈性模量、密度、泊松比等。然后在material assignment中賦予各個分區(qū)選中的模型之前所設(shè)置的單元屬性，以便進行后續(xù)的第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力、混凝土重力壩應(yīng)變與單軸安全系數(shù)的計算。

2.3 Workbench建模

利用已知壩體數(shù)據(jù)，如壩高、壩頂寬度、壩底寬度對壩體的截面部分設(shè)計完成以后，將要變量化的參數(shù)進行變量設(shè)置，使之可以在后續(xù)的步驟中不斷改變，并自動選取最優(yōu)解。然后進行mesh網(wǎng)格劃分，最后添加重力、水壓力以及固定端等荷載條件。

2.4 結(jié)果分析與評價標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)置計算要求取的結(jié)果，并在本次計算結(jié)束后使用design exploration中response surface optimization工具開始進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。優(yōu)化設(shè)計過程的結(jié)果采用綜合評價標(biāo)準(zhǔn)[12]，包括混凝土重力壩靜定計算的第一主應(yīng)力最大值最小、第三主應(yīng)力最小值最大、所用混凝土質(zhì)量最少，壩頂處的變形最小[13- 14]。進而設(shè)置評價優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)變量的變化范圍選擇合適的計算工具，迭代計算得出最優(yōu)解，并再次代入模型中求解，并與之前所得模型結(jié)果對比是否滿足經(jīng)濟實用性以及安全性能的要求。

3 案例分析

3.1 工程概況

某混凝土重力壩，可以按照平面應(yīng)力問題來進行結(jié)構(gòu)的靜力條件計算分析。已知該壩的壩高為100m，壩底寬79m，壩頂寬10m。重力壩壩體的混凝土彈性模量為2.4×104MPa，密度為2400kg/m3，泊松比為0.167?；炷凛S心抗壓強度設(shè)計值fc=18MPa，抗拉強度設(shè)計值ft=1.8MPa。根據(jù)以上已知的條件可建立基礎(chǔ)的模型如圖1所示。

圖1 某混凝土重力壩截面示意圖

3.2 重力壩力學(xué)狀態(tài)計算

在上游面水壓力與混凝土重力壩自重的作用下，計算混凝土壩的應(yīng)變、第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力與單軸安全系數(shù)。計算結(jié)果如圖2—5所示，建基面主應(yīng)力及其安全系數(shù)與上游面距離的改變關(guān)系見表1。

圖2 重力壩的應(yīng)變

圖3 第一主應(yīng)力

圖4 第三主應(yīng)力

圖5 單軸安全系數(shù)

表1 大壩建基面主應(yīng)力及其安全系數(shù)

3.3 優(yōu)化分析計算

由以上計算數(shù)據(jù)可知：該混凝土重力壩在壩頂處的變形較小，整體安全度系數(shù)始終較高，在此基礎(chǔ)上可對V2、H4進行變量化處理，使之能夠在后續(xù)過程中自由取值搭配。并選取混凝土重力壩靜定荷載結(jié)構(gòu)分析計算過程中第一主應(yīng)力最大值最小、第三主應(yīng)力最小值最大、所用混凝土質(zhì)量最少、壩頂處的變形最小作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的評價標(biāo)準(zhǔn)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。根據(jù)重力壩初始計算結(jié)果，綜合選擇評價標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化指標(biāo)和控制指標(biāo)。一般以評價標(biāo)準(zhǔn)中的最安全指標(biāo)為優(yōu)化指標(biāo)，最不利指標(biāo)為控制指標(biāo)進行迭代計算。迭代過程中，所出現(xiàn)的部分優(yōu)化方案的情況見表2。

表2 部分結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案情況

由于該混凝土重力壩原模型的安全系數(shù)較高，所以本算例以使用的混凝土質(zhì)量因素為優(yōu)化指標(biāo)，最終優(yōu)化結(jié)果為H4=9m，V2=81m。

3.4 優(yōu)化結(jié)果分析

結(jié)構(gòu)優(yōu)化后混凝土重力壩的應(yīng)變、第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力與單軸安全系數(shù)計算后所出的云圖結(jié)果如圖6—9所示，優(yōu)化后建基面上的主應(yīng)力及單軸安全系數(shù)見表3。

圖6 混凝土重力壩的應(yīng)變

圖7 第一主應(yīng)力

圖8 第三主應(yīng)力

圖9 單軸安全系數(shù)

由圖6—8中可知：大壩的變形主要是集中在大壩頂處，第一主應(yīng)力的最大值5.75MPa與第三主應(yīng)力的最小值-2.72MPa都是集中在壩踵處，因此危險點仍然集中在壩踵處，符合重力壩應(yīng)力分布的基本規(guī)律。并且由圖9及表3可知：該混凝土重力壩在建基面上距離上游面越遠安全系數(shù)越大，滿足上述推論并與原本的混凝土重力壩情況相同，且大部分截面的安全系數(shù)都大于1，只有很少部分在1以下，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化后壩踵處的安全度系數(shù)改變不大，所以整體上結(jié)構(gòu)仍然足夠的安全。

表3 優(yōu)化后大壩建基面主應(yīng)力及安全系數(shù)

通過計算可得：優(yōu)化前、后單寬壩段需混凝土分別為4105、3735m3，優(yōu)化后單寬壩段減少了370m3混凝土，節(jié)省了9.01%的混凝土用量。為混凝土費用占工程費用較高的重力壩降低了工程造價。

4 結(jié)語

通過Workbench進行混凝土重力壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，得到結(jié)論如下：

(1)通過Workbench進行混凝土重力壩結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后所得結(jié)果仍然滿足重力壩的安全條件，計算得出的應(yīng)力發(fā)布結(jié)果也與原本結(jié)構(gòu)模型較為一致，可以為工程節(jié)省大量的混凝土，帶來較大的經(jīng)濟利益。該方法為混凝土重力壩優(yōu)化設(shè)計提供了一種簡便高效的優(yōu)化方法。

(2)通過混凝土重力壩實例計算結(jié)果可知，若初始混凝土重力壩本身的安全系數(shù)較高，則在此基礎(chǔ)上能夠有很大程度的優(yōu)化余地。

(3)本文的算例優(yōu)化設(shè)計的是非溢流壩段，而對于溢流壩段的優(yōu)化則需要進一步研究。