特大断面公路隧道结构的断面优化研究.doc

特大断面公路隧道结构的断面优化研究 黄成造1，严宗雪1，骆晓2 (1. 广州珠江黄埔大桥建设有限公司，广州 510735；2. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092) 图1 隧道断面示意图 隧道的几何模型包括：(1)隧道限界；(2)隧道的内轮廓形状；(3)隧道二衬的外轮廓形状；(4)隧道初衬的外轮廓形状。 图2 隧道的几何模型 对于结构对称的隧道断面，可取隧道结构的一半进行分析即可。取隧道的左侧，隧道左侧内轮廓由五段圆弧拼接而成，而且圆弧与相连的圆弧相切，每段圆弧需要五个参数来确定。由于圆弧之间需要满足一定的约束条件，只要八个独立的参数即可。程序根据输入的八个参数，就可得到如图2所示的几何模型。 二、 计算模型的建立 隧道计算模型的建立基于上面建立的几何模型。计算模型包括：(1)基于隧道二衬结构的闭合框架；(2)作用于框架上的荷载；(3)附着于闭合框架上的弹性支撑。 研制的计算程序首先将几何模型转化成闭合框架；接着根据隧道的围岩状况、隧道埋深等情况，按照不同的围岩压力计算理论计算出作用在隧道上的围岩压力，最后把荷载和围岩的弹性约束作为边界条件施加于隧道边界上，并最终得到隧道的计算模型如图3所示： 图3 隧道的计算模型 三、优化约束条件 隧道优化的约束条件包括：(1)判断隧道的受力是否满足要求；(2)判断隧道变形是否满足要求；(3)由隧道纵向钢筋配筋造价、隧道开挖及混凝土造价，计算得到的断面总造价（即每长延米的隧道造价）。下面，逐一阐述各项约束条件的细节。 (1)模型根据隧道配筋率大小来间接判断隧道的受力是否满足要求。隧道的配筋方式采用隧道全周通配对称钢筋的方方式，也就是说，模型中选取隧道中最危险的截面作为配筋的基准截面来选配钢筋。对隧道断面进行配筋的过程如下：首先计算隧道受力状况即梁单元的M、N、Q，对所有梁单元进行配筋。配筋过程中，如发现有梁单元配筋超筋，则判断隧道受力不合理，进而认为该隧道模型不符合要求，必须进行优化调整；若所有梁单元配筋都在合理范围内，则取配筋率最大的单元为基准，将隧道全周衬砌配筋率都取为这个值，并据此计算隧道断面钢筋用量。 (2)通过有限元计算，程序可以得到每个有限元节点的位移情况。我们对计算模型的每个节点逐个进行分析，若有节点的位移超过用户指定值，则判断该隧道模型不合理，并在优化有哪些信誉好的足球投注网站中进行调整。 (3)隧道造价主要包括开挖、砼造价、仰拱回填及钢筋造价。 1）开挖造价 隧道断面上单位长度上的挖方体积（如图4） 单位体积的开挖价格（包括临时支护的综合单价） 图4 开挖面积 2）砼造价 、 隧道断面上的初衬混凝土及二衬混凝土面积 、 单位体积初衬混凝土（包括初期支护的综合单价）及二衬混凝土单价。 图5 初衬混凝土面积 图6二衬混凝土面积 3）仰拱回填的造价 隧道断面上的回填混凝土的体积 单位体积回填混凝土的价格 图7 仰拱回填面积 4）二衬混凝土中配筋造价 道断面上的二衬混凝土所配钢筋的重量，根据隧道结构后处理的结果所得。 单位重量钢筋的价格 5）综合上述各项造价，得到总造价函数为： 优化模型的建立及实现 一、优化算法的选择 在隧道的断面的优化分析中，影响隧道造价的因素错综复杂，变量与隧道的最终造价的关系不明朗，尤其是在采用有限元计算分析优化断面，使得优化变量与输出结果间的关系体现出高度的非线性。要解决这些困难，必须在优化前选取合适的优化参数，并采用高效的优化手段以取得良好的优化结果。 综合上述因素，本优化模型采用全局有哪些信誉好的足球投注网站能力？极强而且对目标函数没有严格数学要求的遗传算法对隧道结构进行优化分析。遗传算法优化的过程如图8所示。在进行遗传算法计算时，遗传算法的具体策略如下： 图8 遗传算法流程图 (1)编码策略选择 选择算子的选择 交叉算子的选择 变异算子的选择 群体规模的设置 图9 优化流程图 (1)优化变量 考虑到各个因素对隧道受力、变形及造价的影响，模型选取三个对这些因素影响最大的变量作为优化的设计变量： 1)顶拱净高；2)二衬厚度；3)仰拱深度； (2)目标函数 人们总希望建造最经济但又满足人们使用要求的隧道。基于这点，本优化模型的目标函数确立为隧道造价，其具体计算见第三小节。隧道的使用、受力及变形的合理性体现在优化的约束条件中。 (3)约束条件 本优化模型的约束条件是隐式的，不能用函数简单地表达出来，在程序内部可以通过相应的优化算法机制体现，具体有：1)净空保证隧道上方风机的安装；2)隧道二衬内轮廓线不侵入隧道的限界；4)隧道内部配筋不超筋、少筋；5)隧道变形不超出用户给定的范围或规范许可。 优化实例 龙头山隧道单洞总长2016 m，开挖宽度21.6m，开挖高度13.60 m，隧道净宽18.0 m，断面高跨比0.654，是特大断面扁平隧道。在隧道的设计中，5级浅埋