布局结构和方法

布局结构和方法（精选5篇）

布局结构和方法 第1篇

结构布局优化设计包括结构拓扑优化、结构形状优化和结构尺寸优化[1]。多数的优化方法是在概念设计阶段进行拓扑优化,在详细设计阶段进行尺寸和形状优化。此类优化算法由于设计空间的隔离,可能无法获得最优解[2]。连续体结构尺寸和拓扑组合优化是在优化运算中同时考虑结构尺寸和拓扑变量,存在着变量类型和尺寸度量上的差异,直接对它们进行同时处理有一定困难。现有的组合优化主要针对桁架结构。Steven等[3]应用渐进优化方法(ESO)对离散结构进行了拓扑和尺寸的组合优化。刘涛等[4]提出了一种桁架拓扑、形状和尺寸组合优化的渐进优化方法,该方法采用拓扑优化和形状尺寸优化两个子问题分层处理。Rajan等[5]利用遗传算法(GA)分别进行了6节点桁架和14节点桁架的优化。Chan等[6]采用准则法和遗传算法的混合算法对钢框架结构进行了拓扑和尺寸优化。在桁架形状与尺寸组合优化方面,常用的方法可以分为数学规划法[7]和渐进优化方法[4]两类。在连续体组合优化方面,Afonso等[8]提出了基于准则优化法的盘类结构拓扑和尺寸的分级优化策略。王伟等[9]为解决机翼结构布局优化设计问题,提出了一种两级三层优化设计方法。荣见华等[10]基于ESO方法,提出了板梁组合的连续体结构优化方法。Zhou等[2]提出了一种拓扑、尺寸和形状集成的优化算法,由于没有考虑变量尺寸度量上的差异,提出的算法存在不足。

本文提出一种连续体结构组合优化方法,同时考虑了设计变量类型和尺度上的差异,实现了拓扑和尺寸变量的协同优化。

1 组合结构拓扑变量及优化数学模型

在初始设计域中,整个结构被分成两大类区域。在一类子区域中,单元的尺寸(如厚度)作为设计变量,即尺寸设计变量;在另外一类子区域中,进行拓扑设计,拓扑设计单元的拓扑变量作为设计变量。在尺寸设计区域,不能进行拓扑设计的单元用p(p=1,2,,P)编号,尺寸设计变量用z(z=1,2,,H)编号,Pz和Sz分别表示第z个子区域的单元数量和面积,尺寸设计变量用hz表示。在拓扑设计区域,Q表示拓扑设计变量的个数,拓扑设计单元用q(q=1,2,,Q)编号,Sq表示其单元面积,它们的拓扑变量用ρq(q=1,2,,Q)表示。

1.1拓扑变量和尺寸变量

类似于SIMP(solid isotropic microstructure with penalization)方法,采用材料属性的有理近似模型(rational approximation of material properties,RAMP)的过滤方法,将离散的拓扑变量转换成[0,1]区间的连续变量。通过惩罚因子对设计变量在(0,1)之间的中间密度值进行惩罚,使连续变量的拓扑优化模型能很好地逼近传统的0/1离散变量的拓扑优化模型。使用RAMP过滤函数fk(ρiq)识别单元刚度,用过滤函数fv(ρiq)识别单元体积,单元特性参数识别采用如下公式:

$f{}_{\text{k}}(\rho {}_q)=\frac{\rho {}_q}{1+\upsilon (1-\rho {}_q)}$

式中,Vq、Kq分别为拓扑变量为ρq对应的单元q的体积和单元刚度矩阵;V(0)q、K${}_q^{(0)}$分别为单元q的固有体积和固有刚度矩阵;υ为惩罚系数,文中取υ=0.5。

对于两类变量在尺寸度量上的差异,采用归一化处理方法将尺寸变量转化成[0,1]区间的连续变量优化问题。即,用$h{}_z/\overline{h}{}_z$代替厚度变量hz,这样厚度变量的约束区间变为$[h{}_z/\overline{h}{}_z,1]$。

1.2优化数学模型

位移约束的最小体积的布局优化问题可以表示为

式中,V为结构体积;u(f)j为在第f个载荷工况下第j个自由度的位移;Uj为位移约束限;J为每组载荷工况下位移约束的数量;L为载荷工况数;hz为尺寸设计域单元的厚度;$\underset{¯}{h}{}_z$为厚度下限;$\overline{h}{}_z$为厚度上限;h0为拓扑设计域单元的厚度;$\underset{¯}{\rho }{}_q$为拓扑变量ρq的下限,在本文中取$\underset{¯}{\rho }{}_q=0.00001$,与SIMP方法相似,这里取非零的下限以确保结构优化非奇异。

2 近似优化模型和求解方法

2.1变位移约束限的序列近似优化模型

为了使式(2)中的位移近似函数在每次迭代循环中保持近似成立,建立了变位移约束限的近似系列模型。这些变化的位移约束限起到了设计变量的置信区间的作用。通过这个方法,能够保持设计变量的小量变化,从而确保迭代过程求解的有效性[9,10]。模型如下:

$\begin{array}{l}\min V={\displaystyle \sum _{q=1}^{Q}S}{}_{q}h{}_0\rho {}_q+{\displaystyle \sum _{z=1}^{{\rm H}}S}{}_{z}h{}_z\\ \text{s}.\text{t}.|u{}_j^{(f)}|U{}_j^{(lf)}\\ j=1,2,\cdots ,J;f=1,2,\cdots ,L;l=1,2,\cdots \\ \underset{¯}{\rho }{}_q\rho {}_{q}1q=1,2,\cdots ,Q\\ \underset{¯}{h}{}_z/\overline{h}{}_{z}h{}_z/\overline{h}{}_{z}1z=1,2,\cdots ,{\rm H}\end{array}\}(3)$

这里U(l f)j表示如下:

其中,β是位移渐进系数,一般取β=0.01。u(kf)j表示在第k步循环迭代时,第f组载荷下,第j个自由度的位移。U(l f)j(j=1,2,,J)表示序列约束限,l表示序列约束限的序号,与迭代循环次数k同比例变化。

2.2近似优化模型的求解方法

定义

$x{}_i=\{\begin{array}{l}1/\rho {}_{i}i=1,2,\cdots ,Q\\ \overline{h}{}_i/h{}_{i}i=Q+1,Q+2,\cdots ,Q+{\rm H}\end{array}$

那么结构位移uj在x(k)i(i=1,2,,Q+H)的一阶近似展开如下:

$\begin{array}{l}u{}_j=u{}_j^{(k)}+{\displaystyle \sum _{i=1}^{Q+{\rm H}}(}u{}_j{)}^{\prime }{}_{x{}_i}|{}_{x{}_i^{(k)}}(x{}_i-x{}_i^{(k)})=\\ (u{}_j^{(k)}-{\displaystyle \sum _{i=1}^Q(}{}^j\mathit{u}{}^{(i)}){}^{\text{Τ}}\mathit{{\rm K}}{}_0^{(i)}\mathit{u}{}^{(i)}\frac{1+\upsilon }{[(1+\upsilon )x{}_i^{(k)}-\upsilon ]{}^2}x{}_i^{(k)}-\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm H}}{\displaystyle \sum _{n=1}^{{\rm P}{}_i}(}}{}^j\mathit{u}{}^{(n)}){}^{\text{Τ}}\mathit{{\rm K}}{}_0^{(n)}\mathit{u}{}^{(n)})+\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^Q(}{}^j\mathit{u}{}^{(i)}){}^{\text{Τ}}\mathit{{\rm K}}{}_0^{(i)}\mathit{u}{}^{(i)}\frac{1+\upsilon }{[(1+v)x{}_i^{(k)}-v]{}^2}x{}_i+\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm H}}{\displaystyle \sum _{n=1}^{{\rm P}{}_i}\frac{1}{x{}_i^{(k)}}}}({}^j\mathit{u}{}^{(n)}){}^{\text{Τ}}\mathit{{\rm K}}{}^{(n)}\mathit{u}{}^{(n)}x{}_i(5)\end{array}$

这里ju(i)表示在第j组载荷作用下,第i号单元的位移矢量。

对于式(5),省略常数项,则式(3)转换成:

这里

$\begin{array}{l}C{}_{ij}^{(f)}=\\ \{\begin{array}{l}\frac{1+\upsilon }{[(1+\upsilon )x{}_i^{(k)}-\upsilon ]{}^2}({}^j\mathit{u}{}^{(i)}){}^{\text{Τ}}\mathit{{\rm K}}{}_0^{(i)}{}^f\mathit{u}{}^{(i)}\text{s}\text{i}\text{g}\text{n}(u{}_j^{(kf)})\\ i=1,2,\cdots ,Q\\ {\displaystyle \sum _{n=1}^{{\rm N}{}_i}\frac{1}{x{}_i^{(k)}}}({}^j\mathit{u}{}^{(n)}){}^{\text{Τ}}\mathit{{\rm K}}{}^{(n)}\mathit{u}{}^{(n)}\text{s}\text{i}\text{g}\text{n}(\mathit{u}{}_j^{(kf)})\\ i=Q+1,Q+2,\cdots ,Q+{\rm H}\end{array}\\ A{}_{ij}^{(f)}=\\ \{\begin{array}{l}\frac{1+\upsilon }{[(1+\upsilon )x{}_i^{(k)}-\upsilon ]{}^2}({}^j\mathit{u}{}^{(i)}){}^{\text{Τ}}\mathit{{\rm K}}{}_0^{(i)}{}^f\mathit{u}{}^{(i)}\text{s}\text{i}\text{g}\text{n}(u{}_j^{(kf)})x{}_i^{(k)}\\ i=1,2,\cdots ,Q\\ {\displaystyle \sum _{n=1}^{{\rm N}{}_i}(}{}^j\mathit{u}{}^{(n)}){}^{\text{Τ}}\mathit{{\rm K}}{}_0^{(n)}\mathit{u}{}^{(n)}\text{s}\text{i}\text{g}\text{n}(u{}_j^{(kf)})\\ i=Q+1,Q+2,\cdots ,Q+{\rm H}\end{array}\end{array}$

将目标函数用二阶泰勒展开近似代替,那么式(6)的求解能够转换成对下式的求解:

其中

$a{}_i=\{\begin{array}{l}(-\frac{3S{}_{i}h{}_0}{x{}_i^2})/\underset{i=1,2,\cdots ,Q+{\rm H}}{{\displaystyle \max (S{}_i)}}i=1,2,\cdots ,Q\\ (-\frac{3\overline{h}S{}_i}{x{}_i^2})/\underset{i=1,2,\cdots ,Q+{\rm H}}{{\displaystyle \max (S{}_i)}}\\ i=Q+1,Q+2,\cdots ,Q+{\rm H}\end{array}$

$b{}_i=\{\begin{array}{l}\frac{S{}_{i}h{}_0}{x{}_i^3}/\underset{i=1,2,\cdots ,Q+{\rm H}}{{\displaystyle \max (S{}_i)}}i=1,2,\cdots ,Q\\ \frac{\overline{h}S{}_i}{x{}_i^3}/\underset{i=1,2,\cdots ,Q+{\rm H}}{{\displaystyle \max (S{}_i)}}i=Q+1,Q+2,\cdots ,Q+{\rm H}\end{array}$

根据对偶理论,类似于文献[11,12],式(7)转换成下面的对偶规划问题:

这里

x=(x1,x2,,xQ+H)T

λ=(λ1,λ2,,λLJ)T

$d{}_{ij}^{(f)}=C{}_{ij}^{(f)}/\underset{i=1,2,\cdots ,Q+{\rm H}}{{\displaystyle \max }}(|C{}_{ij}^{(f)}|)$

e(f)j=(U(l f)j-u(kf)jsign(u(kf)j)+

${\displaystyle \sum _{i=1}^{Q+{\rm H}}A}{}_{ij}^{(f)})/\underset{i=1,2,\cdots ,Q+{\rm H}}{{\displaystyle \max }}(|C{}_{ij}^{(f)}|)$

这里采用交互式的循环迭代策略来近似求解式(7)和式(8)的最优解x*i(i=1,2,,Q+H)和拉格朗日乘子λ。为了求解拉格朗日乘子,将目标函数ϕ(λ)≈L(x*,λ)进行近似二阶泰勒展开。对L(x*,λ)求关于λ的一阶和二阶导数:

$\begin{array}{l}\frac{\partial \text{ϕ}(\mathit{\lambda })}{\partial \lambda {}_{(f{}_1-1)J+j}}|{}_{\lambda {}_y=0}={\displaystyle \sum _{i=1}^{Q+{\rm H}}d}{}_{ij}^{(f{}_1)}x{}_i^{*}-e{}_j^{(f{}_1)}+\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^{Q+{\rm H}}(}2b{}_{i}x{}_i^{*}+a{}_i)\frac{\partial x{}_i^{*}}{\partial \lambda {}_{(f{}_1-1)J+j}}(9)\end{array}$

$\begin{array}{l}\frac{\partial {}^2\text{ϕ}(\mathit{\lambda })}{\partial \lambda {}_{(f{}_1-1)J+j}\partial \lambda {}_{(f{}_2-1)J+k}}|{}_{\lambda {}_y=0}=\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^{Q+{\rm H}}2}b{}_i\frac{\partial x{}_i^{*}}{\partial \lambda {}_{(f{}_2-1)J+k}}\frac{\partial x{}_i^{*}}{\partial \lambda {}_{(f{}_1-1)J+j}}+\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}+1}(}2b{}_{i}x{}_i^{*}+a{}_i)\frac{\partial {}^{2}x{}_i^{*}}{\partial \lambda {}_{(f{}_1-1)J+j}\partial \lambda {}_{(f{}_2-1)J+k}}+\\ {\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}+1}d}{}_{ij}^{(f{}_1)}\frac{\partial x{}_i^{*}}{\partial \lambda {}_{(f{}_2-1)J+k}}+{\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}+1}d}{}_{ik}^{(f{}_2)}\frac{\partial x{}_i^{*}}{\partial \lambda {}_{(f{}_1-1)J+j}}(10)\end{array}$

对式(8)应用K-T条件,有

$\begin{array}{l}\frac{\partial L(\mathit{x},\mathit{\lambda })}{\partial x{}_i}=2b{}_{i}x{}_i^{*}+a{}_i+\\ {\displaystyle \sum _{f{}_1=1}^L{\displaystyle \sum _{j=1}^J\lambda }}{}_{(f{}_1-1)J+j}d{}_{ij}^{(f{}_1)}=\{\begin{array}{l}\text{非}\text{负}\text{数}x{}_i^{*}=\overline{x}{}_i\\ 01<x{}_i^{*}<\overline{x}{}_i\\ \text{非}\text{正}\text{数}x{}_i^{*}=1\end{array}(11)\end{array}$

设${\rm I}{}_a=\{i|1<x{}_i^{*}<\overline{x}{}_i(i=1,2,\cdots ,Q+{\rm H})\}$,将Ia作为式(8)的激活变量集,将x*i=x*i(λ)代入到式(11)的第二式,得到

$2b{}_{i}x{}_i^{*}+a{}_i+{\displaystyle \sum _{f{}_1=1}^L{\displaystyle \sum _{j=1}^J\lambda }}{}_{(f{}_1-1)J+j}d{}_{ij}^{(f{}_1)}\equiv 0$ (12)

对式(12)两边求关于λ(f1-1)J+j的导数,有

$\frac{\partial x{}_i^{*}}{\partial \lambda {}_{(f{}_1-1)J+j}}=-\frac{d{}_{ij}^{(f{}_1)}}{2b{}_i}$ (13)

对式(13)两边求关于λ(f2-1)J+k的导数,有

$\frac{\partial {}^{2}x{}_i^{*}}{\partial \lambda {}_{(f{}_1-1)J+j}\partial \lambda {}_{(f{}_2-1)J+k}}=0$ (14)

并且,由式(11)的第一式和第三式,有

$\frac{\partial x{}_i^{*}}{\partial \lambda {}_{(f{}_2-1)J+k}}=0$ (15)

根据式(9)～式(15),容易得到下面的方程:

$\begin{array}{l}\frac{\partial \text{ϕ}(\mathit{\lambda })}{\partial \lambda {}_{(f{}_1-1)J+j}}|{}_{\lambda {}_y=0}={\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}+1}d}{}_{ij}^{(f{}_1)}x{}_i^{*}-e{}_j^{(f{}_1)}-\\ {\displaystyle \sum _{i\in {\rm I}{}_a}(}2b{}_{i}x{}_i^{*}+a{}_i)\frac{d{}_{ij}^{(f{}_1)}}{2b{}_i}(16)\end{array}$

$\frac{\partial {}^2\text{ϕ}(\mathit{\lambda })}{\partial \lambda {}_{(f{}_1-1)J+j}\partial \lambda {}_{(f{}_2-1)J+k}}|{}_{\lambda {}_y=0}=-{\displaystyle \sum _{i\in {\rm I}{}_a}\frac{d{}_{ij}^{(f{}_1)}d{}_{ik}^{f{}_2}}{2b{}_i}}$ (17)

如果ϕ(λ)用其二阶近似表达,同时省略常数项,我们能够得到下面的二次规划方程:

这里,H为LJ阶向量;D为(LJ)(LJ)矩阵。

通过二次规划法求解式(18),得到拉格朗日乘子。然后通过式(12)得到变量x*i(i=1,2,,Q+H)的新的近似值。用新的x*i(i=1,2,,Q+H)更新系数矩阵D和H。再次求解式(18),得到新的x*i(i=1,2,,Q+H)。这个循环过程一直反复进行,直到满足收敛条件‖x(s+1)-x(s)‖/‖x(s)‖ε3(s是求解二次规划的循环迭代次数)。

3 优化策略和设计空间调整

3.1优化策略

在本文研究的方法中,整个优化过程被分成两个优化调整阶段和一个相变转换阶段。在第一个阶段获得包括灰色区域和尺寸改变的拓扑结构,当设计结构到达优化目标的邻域,如果满足下式优化进入相变转换阶段:

dlimdcon (20)

其中,$d{}_{\lim }=\underset{j,f}{{\displaystyle \min }}((U{}_j-|u{}_j^{(f)}|)/U{}_j)‚d{}_{\text{c}\text{o}\text{n}}$是一个小的收敛条件值。

在此阶段,进行设计空间调整,移除部分灰色区域,然后优化进程进入第二个优化调整阶段,在此阶段,进一步移除灰色区域,在满足位移约束的前提下,如果满足收敛准则,则迭代终止。收敛准则为

$\tau {}_V=\frac{|{\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}}(}V{}_{k-i+1}-V{}_{k-{\rm N}-i+1})|}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{{\rm N}}V}{}_{k-i+1}}\tau {}_{V\text{m}\text{a}\text{x}}$ (21)

这里k表示当前循环迭代步,τVmax是最大允许误差。N是一个整数,在本文中N=3。这意味着在6个收敛迭代步中达到稳定[13]。

优化流程如图1所示。

3.2设计空间调整

为了移除灰色区域,同时为了易于求解具有较大规模有限元网格模型的优化问题,这里采用在一些优化迭代步将拓扑变量很小的单元从结构上去掉,而其他单元拓扑变量不变的策略。即设置ρ*d,使得$\underset{¯}{\rho }{}_i^{(1)}<\rho {}_{\text{d}}^{*}\underset{¯}{\rho }{}_i^{(1)}+\epsilon (i=1,2,\cdots ,Q)‚\epsilon$为一小量。把每个可设计的保留单元的拓扑变量与阈值ρ*d相比较来确定单元是否存在的状态,基于式(22),挑选用于单元删除的候选单元,即将这些单元看成将要消失的单元。

Nd={i|ρ(k)i<ρ*d} (22)

为了确保优化迭代中的结构非奇异,同时结构优化时具有设计空间的扩展(增添单元)功能,这里采用在结构边界和孔洞周围附加人工材料单元的办法[11,14]来确保结构刚度矩阵非奇异。将人工材料单元的弹性模量设为占据该空间的原始材料单元的弹性模量,仅将人工材料单元的拓扑变量取为$\underset{¯}{\rho }{}_q$。人工材料单元参与结构参数计算和优化迭代。根据人工材料单元拓扑变量的变化情况,进行设计空间的扩展。设增添单元的阈值为ρ*a,基于式(23),挑选出用于单元增添的候选单元,即将这些单元看成将要增添的单元。

Na={i|ρ(k+1)i>ρ*a} (23)

设计空间缩减和扩展的准则表为

Δk≥3 nd+na≥0 (24)

式中,nd、na分别为集合Nd和Na的单元个数,上述ρ*d和ρ*a都是小的经验参数值。

如果式(24)成立,则执行以下操作:

当执行式(25)和式(26)的操作后,非零的ρ*i所对应的单元材料特性参数编号变为保留单元的特性参数编号,为零的ρ*i所对应的单元材料特性参数编号变为无材料单元所对应的特性参数编号。这一轮的拓扑优化就完成了设计空间的减缩和扩展,否则,该轮拓扑优化不进行设计空间的减缩和扩展。对于相变转换阶段的设计空间调整参照式(25)和式(26)进行。

当拓扑设计区域发生改变时,如果不调整厚度,将会使两类变量变化不一致,因此有必要拟定厚度调整方案。根据迭代过程中拓扑变化区域和厚度变化区域体积小量变化以及相关变量在前后迭代步的连续性原则,可以建立以下近似式:

$\frac{V{}_t^{(k-1)}}{V{}_{h{}_j}^{(k-1)}}=\frac{V{}_t^{(k)}}{V{}_{h{}_j}^{(k)}}$ (27)

$h{}_j^{(k)}=h{}_j^{k-1}\frac{{\displaystyle \sum _{i=1}^{Q}S}{}_{i}h{}_{i}t{}_i^{(k)}}{{\displaystyle \sum _{i=1}^{Q}S}{}_{i}h{}_{i}t{}_i^{(k-1)}}$ (28)

这里j(j=1,2,,H)表示厚度区域编号,V(k)t、V(k)hj分别表示当前迭代步拓扑区域总体积和厚度j区域体积,V(k-1)ρ、V(k-1)hj分别表示前一迭代步拓扑区域总体积和厚度j区域体积。在优化迭代的过程中,如果出现了拓扑区域单元调整的操作,则在相应迭代步中,厚度变量的值采用式(28)的值代替。

4 算例

4.1算例1立柱

初始的结构模型和最大的设计域如图2所示。整个结构被分成了8个子区域,其中子区域6～8为拓扑设计区域,其单元采用四节点平面应力单元,子区域1～5为尺寸变量设计区域,四节点平面应力单元厚度作为设计变量,且在一个子区域中单元厚度变量相同。两组载荷被施加到底部固定的结构上。一组载荷P1=500N,方向沿水平向右,施加到结构左上角;另一组载荷P2=500N,方向水平向左,施加到结构右上角。最大设计区域1.0m3.0m0.002m (Lx=1.0m,Ly=3.0m)离散成50150共7500个四节点平面单元,它们的初始厚度是0.002m,允许的最小厚度是0.0002m。位移约束点在结构顶部的中间位置,水平方向的初始位移是0.153mm,允许值是0.400mm。弹性模量E=210GPa,泊松比ν=0.3。在第一阶段单元删除阈值ρ*d和增加阈值ρ*a都为0.001,在第二阶段单元删除阈值ρ*d和增加阈值ρ*a都为0.01,在阶段转换迭代步删除阈值ρ*d为0.1。

(a)模型初始结构 (b)厚度区域编号

结构的拓扑优化历程如图3所示。在第70步满足收敛条件式(20),优化迭代进入相变转换阶段,移除部分拓扑优化的灰色区域并调整厚度,图3b为执行相变转换后的结构拓扑。在第90步(图3c)满足收敛条件式(21),优化迭代结束,其约束点的位移是0.400mm。

(a)第70步 (b)第71步 (c)第90步

结构的体积和约束点优化历程如图4、图5所示。

当第一个优化调整阶段结束的时候,得到的拓扑构型接近最优结构,通过阶段转换步的操作,结构设计区域中的黑/白分布清晰,最优结构布局在第二阶段获得。最优解的结构体积是0.002 538 7m3,结构位移是0.400mm,结构的厚度分布如表1所示。结构的厚度优化历程见图6。

mm

1.厚度1 2.厚度2 3.厚度3 4.厚度4 5.厚度5

4.2算例2简支梁

初始的结构模型和最大的设计域如图7所示。整个结构被分成了9个子区域,其中子区域7～9为拓扑设计区域,其单元采用四节点平面应力单元,子区域1～6为尺寸变量设计区域,四节点平面应力单元厚度作为设计变量,且在一个子区域中单元厚度变量相同。一组载荷P=-2000N被施加到结构中部(如图7a所示),方向向下。结构底部左端固定,右端简支。最大设计区域1.0m3.0m0.002m (Lx=1.0m,Ly=3.0m)离散成501501共7500个四节点平面单元,它们的初始厚度是2mm,允许的最小厚度是0.2mm。位移约束点在结构顶部的中间,垂直向下初始位移是-0.0647mm,允许值是0.300mm。在第一阶段单元删除阈值ρ*d和增加阈值ρ*a都为0.001,在第二阶段单元删除阈值ρ*d和增加阈值ρ*a都为0.01,在阶段转换迭代步删除阈值ρ*d为0.05。

结构的拓扑优化历程如图8所示。在第135步满足收敛条件(式(20)),优化迭代进入相变转换阶段,移除部分拓扑优化的灰色区域并调整厚度,图8b为执行相变转换后的结构拓扑。在第296步(图8c所示)满足收敛条件(式(21)),优化迭代结束,其约束点的位移是0.300mm。

结构的体积优化和约束点优化历程如图9、图10所示。

当第一个优化调整阶段结束的时候,得到的拓扑构型接近最优结构,通过阶段转换步的操作,结构设计区域中的黑/白分布清晰,最优结构布局在第二阶段获得。最优解的结构体积是0.002 538 7m3,结构位移是-0.300mm,结构的厚度分布如表2所示。结构的厚度优化历程见图11。

mm

1.厚度1 2.厚度2 3.厚度3 4.厚度4 5.厚度5 6.厚度6

5 结论

本文研究了拓扑变量和尺寸变量组合的结构优化设计方法。采用材料属性的有理近似模型的过滤方法,将离散的拓扑变量转换成[0,1]区间的连续变量;通过归一化的处理方法使两类变量变成同一尺度。将组合优化问题转化为单一类型变量优化问题。采用变位移约束限和二次规划法求解优化问题,通过设计空间调整的方法移除灰色区域,同时调整厚度,得到了清晰的拓扑构型和优化的厚度值。给出的算例说明了本文方法的正确性和有效性。

摘要：研究了一种同时考虑拓扑优化和尺寸优化的连续体结构优化方法。在提出的方法里,结合材料属性的有理近似模型,采用归一化处理方法将两类变量的组合优化问题转化成[0,1]区间的连续变量优化问题。基于对偶优化方法,提出了一套优化模型的求解算法。利用该方法能对拓扑设计空间进行调整,并调整尺寸变量。提出的方法具有较好的收敛性,能够获得具有较好0-1分布的拓扑结构。

布局结构和方法 第2篇

“转变经济发展方式，优化产业结构和布局，全面实施”桥头堡”战略

清远要实施好“桥头堡”发展战略，必须深入贯彻落实科学发展观，坚持解放思想，锐意改革创新，坚持统筹对内发展和对外开放，增强基础设施支撑保障能力，着力构建大通道；必须加快产业和人口集聚，提高城市化水平，建设规模城市，提高区域影响力和辐射带动能力，着力培育大平台；加强对外经贸交流和合作平台建设，全面提升开放水平，打造特色优势产业，着力打造大基地。同时，要继续加强生态建设和环境保护，增强可持续发展能力，着力发展社会事业，促进基本公共服务均等化。

一要大力调整优化产业结构，加快转变经济发展方式。二要加快新型城镇化进程，提升宜居城乡建设水平；三要以建设幸福清远为核心，让人民群众充分享受改革发展成果；四要着力构建长效机制，不断巩固和提升扶贫开发成果；五要全面落实主体功能区规划，促进城乡区域协调发展；六要进一步深化体制机制改革，增强科学发展的动力和活力；七要着力建设文化强市，全面提升文化软实力；八要加强和创新社会管理，确保社会和谐稳定。

布局结构和方法 第3篇

黄河宁夏段实行休渔制度

为保护和合理利用黄河渔业资源，宁夏决定自今年起每年休渔３个月，休渔时间为每年５月１日至７月３１日，在规定的休渔范围和时段内禁止一切捕捞作业，同时禁止任何单位和个人收购、贩运和销售在黄河非法捕捞的渔获物。（宁夏杜峻晓）

甘肃民工不再担心领不到工资

甘肃省将推行民工工资预留制度，要求私营企业和个体工商户在申领营业执照时，工商行政管理部门根据其注册资金，按比例预留民工工资，交由劳动保障部门监督发放；城建单位从工程费中按比例预留民工工资，交由劳动保障部门监督发放给民工个人。（甘肃汪训波）

山西农村中学毕业生先拿“绿色证书”再还乡

从今年起，山西省将在回乡务农的应届初高中毕业生中，强力推出绿色证书培训工程，今年将有３０万毕业生先拿证书再去务农。绿色证书工程就是让回乡青年参加农业部门或职业学校组织的农林畜牧和信息等方面的实用技术培训，经过一定的学习并考试合格后，颁发相关培训内容的合格证书。（山西韩群）

农业部开展外来入侵生物灭毒除害试点行动

农业部前不久决定在辽宁省、云南省、四川省组织开展以豚草、紫茎泽兰为重点的“外来入侵生物灭毒除害试点行动”。在辽宁全省以豚草为重点，在云南省开远市、腾冲县及四川省凉山州西昌市、宁南县和攀枝花市仁和区以紫茎泽兰为重点，在试点省和县（区、市）敏感地区，分别使豚草、紫茎泽兰的铲除率达到６０％以上。（北京林菲）

江西取消七种农产品生产环节特产税

布局结构和方法 第4篇

一、高校布局结构变革的理论回溯

变革是普遍存在和持续不懈的, 它经常出现在我们面前[2] 。赫拉克里特斯说, “除了变革以外, 没有什么是持久的”。现代社会的变迁涉及社会发展的方方面面。变迁已经成为人们的注意中心, 而且人们相信变迁是不可逆转、不可抗拒和不可消除的。在任何一个社会, 都存在技术变迁、人口变迁、快速的生态变迁, 以及由经济和政治模式内在的不一致和相互冲突的意识形态所导致的变迁[3] 。西方社会学界就变革或变迁问题进行了广泛而深入的研究, 先后形成了多种流派的社会变迁理论。高等教育是社会系统的子系统之一, 其变革属于社会变迁的范畴, 也是十分复杂的问题, 涉及价值取向、结构、形态、制度等诸多方面。从过去到现在甚至未来, 对高等教育变革问题的探讨一直是历久弥新的话题。

既然变革是高等教育永恒的话题, 那么就需要一种历史的方法或整体的方法论来揭示高等教育的变迁与演进。高等教育变革问题是一项十分复杂的系统工程。从不同的研究角度会形成不同的研究成果与结论, 由此形成对高等教育变革问题不同的解释框架。伯顿克拉克的三角协调理论、克拉克克尔提出的“对抗三角图”以及弗兰斯F范富格特对三角协调理论的发展等, 都是经典的关于高等教育变革问题的理论探讨。在国内, 史静寰教授运用“研究过去的整体论”方法, 从影响高等教育发展的最基本要素入手, 构建起能说明高等教育变迁所具有的普遍性特征的“四要素环绕互动型”分析框架, 对高等教育变革问题也具有较强的解释力。笔者认为, 社会变迁理论和高等教育变革的理论能为审视高等教育系统诸要素的变化提供重要的理论支撑与方法论指导, 对高校布局结构变革的研究提供了理论启示与借鉴, 归纳起来主要体现在以下三点:

第一, 高校布局结构变革作为社会系统变革中的一部分, 遵循教育的内外部关系规律, 受社会系统诸多因素的影响。各种因素的整合构成高校布局结构变革的宏观背景, 而不同时期社会环境和背景的不同, 即约束条件的变化, 催生布局结构的变革。

第二, 高校布局结构变革虽离不开人的社会活动的主观控制, 但仍不以人的意志为转移, 它在变革过程中涉及多个利益群体, 包括政府、市场和高校自身三大主体。高校布局结构变革是它们之间的相互作用过程, 并最终在社会变迁的宏观背景中实现。

第三, 高校布局结构作为高等教育与社会发展联系的纽带, 能否从高教系统本身反映社会的变化, 在很大程度上取决于变革手段或方式的选择。不同社会发展理念下高校布局结构变革方式的实施, 是高校布局结构变革得以实现的必要途径。

二、高校布局结构变革的条件、动力和途径

(一) 高校布局结构变革的约束条件:适应系统环境的变化

任何事物的发展变化都有一定的约束条件。对高校布局结构变革而言, 其约束条件就是系统环境的变化。建国后, 随着社会制度的变迁, 政治、经济、文化等各方面都纳入社会结构与形态发展的范畴, 并受到社会结构分化程度的影响。建国初期, 在计划经济体制下, 高等教育被理解为范围更广、层次更高的政治经济活动中的一个组成部分, 具有浓厚的政治意义和意识形态色彩[4] 。这一时期高等教育与国家的关系突出表现在建国初期对大学的改造, 使大学在短时期内成为国家行政机构的组成部分, 成为国家进行社会发展与改革的重要工具。

改革开放后, 随着经济体制由计划经济向市场经济转变, 我国经济环境、体制以及增长方式等发生了重要变化, 高校面临新的社会背景。一方面, 现代社会对高校学科的交叉与融合提出了新的要求, 计划经济时期以苏联模式为蓝本, 在学科专业“分解”基础上建立的单科性院校已不能适应新形势下的社会需求;另一方面, 高校财政和经费问题在市场经济时期突显, 通过“联合”、“合并”等方式整合高校现有资源, 降低办学成本, 提高办学规模和效益的呼声不断高涨。特别是世纪之交, 随着区域经济一体化的发展, 通过布局调整实现高校与区域社会经济发展互动已成为必然的趋势。

由此可见, 在不同的社会背景下, 高校布局结构需要做出相应调整以适应新的社会环境。总体上看, 高校布局结构经历了计划经济时期向市场经济时期的转型和过渡, 在这两种典型的不同约束条件下, 高校布局结构在速度或程度上表现出突进式和渐进式两种截然不同的变革特征。

计划经济时期, 高校布局结构表现为突进式变革, 变革的速度较快, 程度较大, 范围较广, 一定程度上是“质”变的过程。一般地, 突进式变革通常在政治、经济等外界环境产生重大变化时发生, 致使高校布局结构出现根本性变化。这种突进式变革体现了高等教育结构的战略性调整方略。这种战略性调整区别于适应性调整的根本特点在于其创新性。战略性调整多在社会转型时期, 需要建立新的结构秩序来代替已不适应社会发展的旧秩序。战略性调整有着特定的历史契机, 一旦调整过后, 就要在相当长时间里起作用。建国初期的院校调整由于其规模庞大、涉及面广、内容深刻, 属于典型的战略性调整, 对我国高等教育产生了长达几十年的影响[5] 。

在市场经济时期, 高校布局结构更多的是渐进式变革, 变革的速度较慢, 程度较小, 范围较窄, 一般是局部的“量”变。高校布局结构变革多数时期都是渐进性的, 一定程度上体现了高等教育结构的适应性调整战略。这种适应性调整着眼点是如何维持高等教育结构间合理的比例关系, 是高等教育系统自身体系的调整, 具有一定的应时性和封闭性。从调整的力度看, 它主要是在量的范围内的调整, 并且不是全方位的调整, 主要偏重于系统要素关系的调整[5] 。改革开放以来, 我国高校在办学体制和管理体制等方面所做的新一轮院系调整, 就是典型的适应性调整, 是高等教育的“自我调节”与“修复”。

(二) 高校布局结构变革的动力源泉:各主体之间的交互作用

高校布局结构变革是多方利益主体之间交互作用的过程。伯顿克拉克认为, 高等教育的变革是与系统内部的利益集团力量消长密切相关的。他指出, 变革“主要属于内部的利益集团的斗争, 是系统的动力的核心”[7] 。在伯顿克拉克的高等教育三角权力关系中, 多方力量形成一股指向市场的合力, 从而推动权力重心向市场一极的移动[8] 。这种作用力的变化最终导致市场力量以及学术力量逐渐介入到高校布局结构变革之中, 从而使各方利益主体的角色及其作用发生变化。

高校布局结构的形成与变化最终由三方利益主体之间的交互作用共同影响和决定, 即以政府为代表的国家力量、以社会组织为代表的市场力量和以高校为代表的学术力量, 多重力量之间的博弈决定着高校布局结构变革的方向。在三种力量中, 国家力量是高校布局结构变革的主导力量, 但随着社会的转型以及外界环境的变化而发生变化。从总体上看, 三种力量之间的关系由计划经济时期国家力量“绝对”主导向市场经济时期三种力量交互影响、共同作用于高校布局结构变革过渡。

在计划经济时期, 社会组织和高校被纳入国家发展的行政框架之中, 以国家、社会和高校为代表的政府力量、市场力量与学术力量对高校布局结构变革的影响力处于极不平衡状态, 政府力量在高校布局结构的变化上起着“绝对”的主导地位, 而市场力量与学术力量所起的作用是在政府力量作用范围之内, 处于几乎可以忽略的地位。

在市场经济时期, 国家、社会和高校三个主体随着社会形态与结构的变化在布局结构变革中所发挥的作用有明显的改变。国家力量由“绝对”主导变为“相对”主导, 在社会转型中有所减弱;社会力量逐渐崛起 (如民办高校的兴起、大学城的形成等) , 对高校布局结构的变化起到重要的补充作用;高校则实现由“被动”向“主动”与“被动”相结合的双重角色转变, 对布局结构的变化也发挥着较为重要的作用。政府、社会组织和高校自身三个主体之间的相互作用构成了高校布局结构变革的动力源泉。政府的方针、政策使高校空间系统发生结构性变化, 社会组织是高校布局结构演变的重要促进者, 高校为了维护其自身发展的利益而积极参与其中, 三种主体性力量的相互制衡共同塑造了高校的空间布局。

(三) 高校布局结构变革的实现途径:不同手段或方式的实施

高校布局结构变革的实现途径是其形成机制的重要组成部分。高校布局结构变革如何实现以及能否适应社会及高校自身发展的需要, 关键在于选择何种途径, 即通过实施怎样的手段或方式达到变革的目的。不同手段或方式的选择与历史传统及政治、经济、文化的发展密切相关, 并最终决定着高校布局结构变革实现的可能。

建国以来, 我国高校布局结构变革的实现途径主要有新建、迁移、撤销和重组等, 从而在不同时期直接或间接地影响着高校的布局。具体地表现在以下四方面:一是通过迁移促进高校流动, 延伸学校时空范围。从程度与幅度上看, 我国高校主要有两种迁移形式:一种是异地搬迁, 主要指学校向政治、经济、文化、交通等发达的地方实行整体 (或部分) 迁移, 旨在获取更多有效的行政资源以实现学校的长远发展;另一种是校区置换, 主要是世纪之交为解决学校现有办学规模受限而另择校址新建校区, 并在新校区建成之后逐步实现主体搬迁。二是通过撤销使高校消亡或倒闭。如“大跃进”之后对高校的压缩、“文革”时期对高校的撤销等, 在短时期内影响高校布局结构的空间变化。三是通过新建影响高校布局结构变革。建国以来, 我国高校出现了几次新建热潮:其一是20世纪50年代初, 在院系调整中新建了一批单科性院校;其二是20世纪50年代末在“大跃进”思想影响下大量高校的成立;其三是改革开放初期高校的快速复兴。三次新建热潮使高校布局在地理结构上发生了较大变化。四是通过重组实现布局结构的变化与资源的优化配置。从重组的重点、对象以及内容来看, 主要包括“共建、合作、合并、划转、协作”等方式, 每种方式对高校布局结构的变革都起到重要的影响作用。如通过共建整合中央与地方的高教资源, 克服低层次、小而全等办学现状, 合理布局高校的地区分布;划转的目的是加强地方政府对高等教育的统筹, 改革因“条块分割”而导致的重复办学及教育资源严重浪费的现象, 为区域高等教育资源的优化配置提供基础;而合并则是对建国初期院系调整的积弊如单科性院校不能满足新形势下社会发展需要等问题进行的调整与革新, 实现高校布局结构的优化。

以上促成高校布局结构变革的主要方式中, 有的使布局结构在短时间内发生较大的变化;有的使布局结构在一定范围内作出微调和修复;有的以自上而下的行政性命令为主, 在布局调整中注重国家和社会发展的需要, 难以突显高校自身发展的诉求;有的则是自上而下与自下而上的结合, 除了适应社会经济发展的需要外, 还兼顾了高校自身发展的需要。总体上讲, 这些方式的实施, 是一定时期高等教育与社会经济发展共同作用的结果, 使高校布局结构随着社会转型与环境的变化而变化, 反映了高教系统本身与社会发展的契合程度。这些方式与手段的选择与实施, 最终使高校布局结构变革得以实现。

三、结语

高校布局结构变革是在高教系统内外各种因素的影响下, 通过空间或地区分布上的发展变化以符合社会和高校自身发展的要求。高校布局结构变革涉及三个基本命题:为何变革, 如何变革以及变革什么。“变革什么”主要涉及布局结构的要素及其相互关系;“为何变革”和“如何变革”则是高校布局结构变革的形成机制问题。

高校布局结构变革的形成机制包括三个方面, 即约束条件、动力源泉和实现途径。第一, 高校布局结构变革受到来自社会系统诸要素的影响。从计划经济到市场经济的不同时期, 社会环境对高校布局结构变革的影响作用大小和强弱各不相同, 高校布局结构变革的外部环境由过去的相对封闭逐渐走向开放。第二, 高校布局结构变革过程涉及多个利益群体, 其中国家、社会和高校三大主体之间的互动过程是高校布局结构变革最终得以实现的内在动力。第三, 不同社会历史背景下, 高校布局结构变革的实现途径各有不同。计划经济时期, 其实现途径主要以迁移、撤销、新建等方式为主, 市场经济时期, 则主要以共建、合并、划转等重组方式为主。不同途径的选择是一定社会形态下, 政府、社会以及高校等主体在其力量此消彼长的博弈中所采取的手段或方式组合, 它们共同促成了高校布局结构变革的实现。

摘要：高校布局结构变革是高等教育系统内外各要素之间相互作用的过程。基本范畴包括约束条件、动力源泉和实现途径三个方面, 三者相互作用, 相互影响, 构成其形成机制。高校布局结构变革的约束条件是系统环境的变化, 其动力源泉来自国家、社会和高校三大主体不同时期的相互制约和制衡, 实现途径是不同历史时期变革手段或方式的实施。高校布局结构变革最终在这种相互影响和作用的机制下得以实现。

关键词：高等学校,布局结构,变革,机制

参考文献

[1]张人杰.大教育学[M].广州:广东高等教育出版社, 2003:118.

[2][加]迈克尔.富兰.变革的力量——透视教育改革[M].北京:教育科学出版社, 2004:1.

[3][美]史蒂文.瓦戈.社会变迁[M].王晚黎, 等译.北京:北京大学出版社, 2007:3.

[4]张烨.重读五十年代的院系调整[J].华东师范大学学报 (教育科学版) , 2007, (1) :88.

[5][6]戚万学.高等教育学[M].济南:山东大学出版社, 2008:221.

[7][美]伯顿.克拉克.高等教育系统——学术组织的跨国研究[M].王承绪, 等译.杭州:杭州大学出版社, 1994:8.

布局结构和方法 第5篇

广深港客运专线ZH-1标位于广州市番禺区和南沙区, 起于建设中的新广州站, 止于狮子洋海底隧道, 起讫里程为DK1+600~DK33+000, 全长31.4公里, 设计速度为线下350 km/h, 线上250 km/h及以上。标段内共有桥梁8座29 420延米, 其中特大桥4座、大桥4座, 均为高架桥梁;隧道1座2 056延米, 桥隧比为98.54%。

在29公里多的桥梁工程中, 需预制架设的32 m和24 m后张预应力混凝土整孔箱梁共计421片。其余287孔双线整孔箱梁和60孔单线整孔箱梁采用移动模架或支架进行原位现浇。

2 梁场选址

经对线路两侧地质情况和周边建筑物等反复调查比选, 最终确定在线路里程DK26+250线路右侧建立梁场, 该位置原为耕地, 远离村庄, 地势平坦, 交通方便。并且处于简支箱梁梁群较集中部位, 运梁距离较短, 水、电供应方便。是ZH-1标梁场建设较理想的位置。

3 方案比选

考虑采用千斤顶移梁台车或采用现有的900轮胎式搬运机的条件下最初形成了三个方案:横移方案一 (矩形场地方案) , 横移方案二 (L形场地方案) , 横移、搬运混合方案。

3.1 横移方案一 (矩形场地方案) 只考虑用千斤顶台车横移, 场地因成矩形, 根据地形貌情况不可避免要征用鱼塘和香蕉地、甘蔗地。同时需投入4套横移台车, 50型、60型钢轨209 t。根据现场情况设计11列存梁台座, 22条横移轨道基础。450 t提梁龙门吊轨道设计长度为430 m。

3.2 横移方案二 (L形场地方案) 只考虑用千斤顶台车横移, 场地为L形, 可以避免征用鱼塘而只征用香蕉地、甘蔗地。需投入4套横移台车、1套纵移台车, 50型、60型钢轨239 t, 共需设计11列存梁台座, 22条横移轨道基础。450 t提梁龙门吊轨道设计长度为160 m;纵移轨道基础为420 m。

3.3 横移、搬运混合方案是考虑采用现有的900 t轮胎式搬运机, 场地为L形, 可以避免征用鱼塘, 只征用香蕉地和甘蔗地。需投入1套横移台车, 50型、60型钢轨121 t。地基处理考虑900 t轮胎式搬运机的轨道基础 (即移梁区共11条通道, (10横1纵) 横向通道宽6 m, 总长度约1 600 m, 纵向通道宽16 m, 总长度420 m。450 t提梁龙门吊轨道长度设计为160 m。

通过从征地费用、地基处理费用、设备工装购置及改造费用、存梁能力以及工期保证等方面进行技术经济比较, 最终确定横移、搬运混合方案是最佳方案。

4 梁场总体布局

梁场总体布局见图1, 2。

梁场占地约185667 m2, 本梁场设计产量为1.5~2孔/d, 最大存梁110孔, 正常存梁66孔。根据工期要求及运架梁速度最终确定在制梁区共设计8个台座, 其中1个台座可预制32 m, 24 m梁, 1个台座为静载试验台座, 其余台座为32 m梁专用台座, 存梁台座共设计66座, 其中可兼存放24 m梁的台座共9个。根据生产工艺要求及生产任务安排情况, 为缩短作业时间, 钢筋绑扎采用整体绑扎工艺, 共配备钢筋整体绑扎台座4个。梁场总体布局如梁场平面布置图和断面图。

梁场主要工装设备计划采用2台50 t的龙门吊主要用来吊钢筋和端模 (其中钢筋骨架采用整体式绑扎) , 1台10 t的龙门吊用来辅助安拆端模等;1台900 t轮胎式搬运机进行搬运梁, 2台450 t龙门吊提梁上桥;设立2套150 m3的混凝土搅拌站, 2台80型的混凝土输送泵和3台半径18 m覆盖的布料机 (液压平动式) 用于高性能混凝土的拌和与灌注;采用“一站一泵”管道输送的方式灌注混凝土;设置2台500k VA的变压器, 1台5 t的无塔供水设备;制作至少3套拼装式彩钢棚罩作为雨季和炎热季节的施工措施。

5 梁场主要结构设计

5.1 工程地质

根据地质勘察揭示, 场区的岩土层按其成因分类主要有:第四系人工填土层 (Q4ml) , 全新统海陆交互相沉积层 (Q4mc) 、白垩系细砂岩 (K) 。具体地质分布如下表 (表1) 。

5.2 结构设计

设计采用主要技术标准:制梁台座均匀沉降不大于20 mm。存梁台座均匀沉降不大于30 mm, 存梁两端支点间不均匀沉降不大于5 mm。移、吊、存、提梁期间, 各个吊点、支点高差不得大于2 mm。为了更加直接有效的控制重要结构物如制梁台座、存梁台座的沉降, 施工中采取了1.2倍设计载荷的预压预应力混凝土管桩, 通过预压消除塑性和非弹性变形, 确保了预制梁体的良好受力性能。

5.2.1 制梁台座

两种类型的制梁台座均长33.4 m, 宽5.5 m。恒载计入了结构自重、覆土重。以32 m制梁台座为例, 设计过程中, 梁体按900 t计, 模板按200 t计。承梁台:采用C30混凝土。预应力混凝土管桩:采用基桩长13 m A型桩, 桩径为400 mm, 壁厚95 mm。台座端部12根桩单桩承载力设计值1 215 k N, 中部21根桩单桩承载力设计值500 k N。根据单桩承载力计算和静载试验结果, 端部12根桩桩长设计为39 m, 中部21根桩桩长设计为26 m (如图3) 。

单桩承载力特征值Ra=qpaAp+upΣqsinli;

式中:Ra (k N) :桩体竖向承载力特征值;

qpa, qsin:桩端端阻力、桩侧阻力特征值;

Ap:桩体截面积, Ap=0.1256;

up:桩周长, up=1.256;

li:第i层岩土厚度。

5.2.2 存梁台座

存梁支点距梁端1.4 m, 梁端横向两支点置于同一承台梁上, 地基加固按预应力混凝土管桩复合地基进行设计, 单桩承载力取1350 k N, 安全系数按K=1.5取值。在存梁桩基设计时, 考虑双层叠梁的荷载。存移梁台座必须有足够刚度和承载力, 不均匀沉降相互差值应控制在2 mm以内, 设计成预应力混凝土管桩复合桩基础。根据静载试验结果, 存梁台座两端桩基同样各设计10根39 m长、桩径为400 mm、壁厚95 mm的A型预应力管桩 (如图4) 。

5.2.3 移梁区和架梁区

轮胎式搬运机地基采用水泥搅拌桩处理, 路面为普通混凝土结构;双层钢筋网片做加强处理。设计为桩板式结构。根据《建筑施工计算手册》 (5-71) 规定的公式进行计算。

单桩承载力Rkd=qsUp L+αApqp=129.5 k N;

式中:qs:桩周土平均摩阻力 (k Pa) , qs=10;

Up:桩周长 (m) , Up=1.256;

L:桩长 (m) , L=8;

α:桩端土承载力折减系数, 可取α=0.4~0.6;

Ap:桩的截面面积 (m2) , Ap=0.1256;

qp:桩端土地基承载力标准值 (kPa) , fk=4;

桩的面积置换率:m1= (fsp, k1-βfs, k) / (Rkd/Ap-βfs, k) =15.07%;

根据单桩竖向承载力标准值Rkd=129.5 k N, 复合地基承载力标准值fsp, k1=130 k Pa。

900 t轮胎式搬运机行走通道路面路面宽度为6.0 m, 以16 m长度来计算, 面积为96 m2。最少计算桩数N1=m1A1/Ap=74。每15 m长度路基中, 路纵向桩距为1.0 m, 布16列, 路横向桩间距为0.9 m, 布7排, 布桩总数为N1=112。大于所需计算桩数74根, 满足设计要求。

复合地基承载力的验算由公式fsp, k=ζm Rkd/Ap+β (1-m) fs, k计算得fsp, k1=142.4 k Pa>130 k Pa。

其中实际面积置换率m=112Ap/A=29.3%, ζ=0.8, β=0.9。

通过以上计算可知, 复合地基的承载力满足设计要求。

架梁区龙门吊地基加固同样按水泥搅拌桩复合地基进行设计, 桩长13 m, 桩径500 mm。恒载计入了结构自重、覆土重。单台龙门吊车自重300 t, 架设的梁体重为900 t, 采用两台龙门吊进行吊装。复合地基承载力设计值为199 k Pa。单桩承载力设计值为165.8 k N。龙门吊轨道梁的单侧长度为160 m, 走行钢轨直接安装在轨道梁上。轨道梁及枕块采用C30混凝土。

5.2.4 混凝土供应区

拌和站地基加固分胶凝材料储罐地基和其它设备地基;储罐地基按预应力混凝土管桩复合地基进行设计, 管桩桩径500 mm, 桩长30 m, 按独立桩基础进行校核〈此时单桩承载力安全系数按K=1.5-1.6取值〉。其它设备设计为明挖扩大基础。砂石料场场地等特殊区域采用填筑80cm片石夯实后浇筑30cm厚C25混凝土面层进行处理。主要施工道路采用1m厚毛石填高并经压路机碾压密实。

6 结束语

客运专线中桥梁工程所占比重大, 同时桥梁上部结构大量采用32m, 24 m整孔箱梁, 一般采用“集中预制、架桥机架设”方法, 而制梁场的设计和合理布置, 对桥梁构件的预制生产能力、生产工期和资金设备投入有很大影响, 梁场位置的选择、布局对标段整体施工组织设计具有决定性的影响。本文结合广深港客运专线ZH-1标梁场进行了介绍, 并总结了一些施工经验和体会, 希望能为同类工程提供借鉴参考。

摘要：客运专线整孔预制箱梁是一种新型箱梁, 其制、移、运、架等过程控制困难, 对基础及设备要求极高。本文通过广深港客运专线ZH-1标箱梁预制场在梁场选址、方案比选以及在珠江三角洲地基承载力低、土的压缩性大情况下梁场总体布局和结构设计进行介绍。