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内河架空直立式框架码头结构优化探讨 　　摘要： 随着西部大开发战略的实施，西部地区内河港口发展迅速，斜坡式码头已经不能满足长江上游航运量迅速增长的需求。为了满足内河码头急需提高装卸效率的需求，长江上游出现大量的架空直立式码头结构型式。在这些结构的设计工作中都要不停的对结构进行反复的修改和验算。因此需要找到一种适合于架空直立式结构的目标函数，用科学的优化方法去有哪些信誉好的足球投注网站，直至达到最优的目标。 　　关键词： 架空直立式；码头；结构优化 　　 　　一、结构优化的层次与分类 　　优化设计是根据既定的结构类型和形式、工况、材料和规范所规定的各种约束条件（例如强度、刚度、稳定、频率、尺寸以及结构构件许用的离散集等等），提出优化的数学模型（目标函数、约束条件和设计变量），其模式是根据优化设计的理论和方法求解优化模型，最后达到材料的合理分配，使结构设计满足经济与安全性的要求。概括结构优化的步骤为：建立数学模型（目标函数、约束条件和设计变量），把一个工程结构的工程问题变成一个数学问题；选择一个合理、有效的优化计算方法；编制通用计算机程序。 　　由研究对象、目标函数、约束条件、变量和寻优策略的不同而派生出不同的优化方法。由优化层次又将结构优化分为截面（尺寸）优化、形状优化、拓扑优化、布局优化和结构选型优化。以上各层次按顺序难度依次增加，收益依次增大。 　　1）尺寸优化 　　尺寸优化的设计变量可以是：杆的截面面积、惯性矩、板的厚度或者是复合材料的分层厚度和材料的方向角度等。 　　2）形状优化 　　结构形状优化是指在给定约束条件下求结构的边界，使得由这些边界构成的结构，其某种性能最佳。 　　3）拓扑优化 　　结构拓扑优化包括了离散结构的拓扑优化和连续结构的拓扑优化。在一般的连续体结构拓扑优化问题中，通常假定外力、支撑和设计域已经给定，要求确定设计域内部有无孔洞，以及孔洞的位置、数量和形状等，使结构的重量或者造价最小，同时满足应力、频率、节点位移和结构柔顺性等要求。 　　二、架空直立式码头结构 　　本文以某一集装??码头为原型，建立架空直立式码头参数化的模型。该模型桩基间距6.5m，码头下部结构采用嵌岩桩，上部结构为横梁、横撑、纵撑及面板组成；码头设计高低水位差达34m，码头平台前方共设7层系靠船平台。 　　该结构模型是目前世界上所建水位差最大的架空直立式集装箱码头，国外出于缺乏类似的河流条件，几乎未见相应的研究，罕见相应的研究成果报道。这样的框架结构较之全直桩或有叉桩的高桩码头，其结构在受力上更为复杂，直接套用现有的设计理论进行码头结构稳定性、构件受力及强度计算，显然不符合实际，同事也存在巨大的安全隐患，因而要合理确定码头结构的平面布置和码头结构主要的构件的尺寸，就必须了解在船舶荷载和集装箱荷载等作用下，架空直立式码头结构的力学性能。 　　专家对该工程进行了结构计算分析，可以发现，结构还存在不合理的地方，例如结构整体刚度很大，结构整体受力不协调等，因此有必要对结构进行优化，在目前内河架空直立式码头结构的研究中，虽然考虑到多种工况和多目标，但其设计方法依然是传统的方法，凭经验设计出几种方案，比较其优劣后选取一种方案作为推荐方案。这种方法不能得到所有可行方案的最优解，而且费时费力。本文建立参数化的模型，采用有限元方法对结构进行力学分析，为进一步的优化提供可靠的依据和对比。 　　三、优化方法及设计变量的选择 　　本文采用ANSYS有自带的优化模块进行分析，模块中主要有一阶优化方法和零阶优化方法，由于零阶优化方法不易陷于局部最优解，能解决大多数的优化问题。因此本文选取ANSYS零阶优化方法进行优化计算，该方法只用到因变量而用不到它的偏导数，是通用的函数逼近优化方法，其本质是采用最小二乘法逼近，求取一个函数面来拟合解空间，然后再对该函数面求极值。 　　架空直立式码头结构复杂，由于优化设计中要进行大量的结构重分析，计算工作量较很大，因此，设计变量的选取的原则是在能满足结构优化的前提下，避免设计变量的数量太多而影响优化的效率，为了不影响结构的总体特征，也减少优化设计变量的数量，本章固定各构件轴向长度，仅对为各构件截面尺寸进行优化，对于圆形截面的构件，设计变量为截面直径，对于矩形截面的构建，设计变也较多，因此不考虑倒T型截面的优化。 　　3.1约束条件的确定 　　由于受到使用条件的限制和相应规范的限制，截面尺寸不可能任意选取，只能在一定的范围内选用；当使用材料确定以后，可以根据相应的强度条件和杆件截面尺寸范围确定杆件所能承受的最大内力和位移。框架结构在给定载荷作用下，通过有限元方法计算的各杆件的分配内力应该小于所能承受的最大内力，这就形成了相应的约束条件。 　　3.2优化过程及结果分析 　　码头结构各构件优化次序为：前排桩基