第１３卷第３０期２０１３年ｌ０月 科学技术与工程 Ｖ０１．１３ Ｎｏ．３０ （）【、ｔ．２０１３ １６７１—１８１５（２０１３）３０—９１２２—０５ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ④２０１３ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｒｇ． 大跨度深水高桩码头纵梁形式优化设计研究 朱峰 耿颖 朱卫华 鲁子爱 （河海大学港口航道与近海工程学院 ，理学院 ，南京２１００９８） 摘要 针对深水高桩码头的纵梁结构形式进行了拓扑优化计算。首先针对在４００ ｋＮ／ｍ均布荷载作用、不同矢跨比条件下 进行了一系列拓扑优化计算；并对优化计算结果中的小矢跨比模型建立了精细有限元模型进行验证。与此同时，还计算了不 作加强处理的拱圈荷载响应和仅作简单加强的拱圈荷载响应。计算结果显示，优化计算结果可以更加有效地减小拱式纵梁 结构的最大挠度和大主应力值。 关键词拓扑优化 拱式纵梁 大跨度 高桩码头 Ａ 中图法分类号Ｕ４４２． ； 文献标志码改革开放以来，我国航运事业经历了突１｛Ｉ猛进 的发展过程，使得我国逐渐成为了航运大国。相应 与研究。 地，服务于航运的港口建设也取得了卓越成就。但 是尽管如此，我国的港口吞吐能力仍然制约着航运 能力，解决这一问题的关键在于建立深水大港和与 １优化问题 大跨度深水高桩码头 的坦拱式纵梁具有较 大跨度和较小矢跨比，除此以外，码头承受的荷载 也较大较复杂，导致其合理拱轴线选取与一般的拱 形结构相比较为困难 。码头最常作用荷载为自 重荷载和堆货荷载，两者的总荷载在纵梁上的分布 约为２００ ｋＮ／ｍ，考虑到梁宽一般为０．５ ｍ＿５ Ｊ，平面 应力问题中取荷载为４００ ｋＮ／ｍ。计算简图如图１ 所示，图中矩形为优化区域，对其划分网格进行离 散后再优化；长度 可以取不同值。优化区域下方 之配套的供给大型船舶停靠的码头。 ２０世纪８０年代，随着经济与技术方面的提升， 我国成功研制了预应力混凝土大直径管桩，由于大 直径预应力混凝土管桩的承载力大大提升，允许码 头排架问距适当扩大，如果此时仍然采用传统形 式，则将导致码头构件截面大幅增长，应力大幅增 加，总工程造价将呈现非线性增长趋势。因此码头 卜部结构形式必须发生转变。 针对上述问题，翟秋等¨ 提出了坦拱式纵梁结 的两个脚点设置全约束，上表面施加４００ ｋＮ／ｍ的 均布荷载。梁高取定为４ｍ，考察当梁长度不同时， 优化结果的差异。 ｑ（ｘ） Ｉ 构，采用二次多项式形式抛物线作为坦拱结构的合 理拱轴线，并对跨中作用集中荷载时不同失跨比下 的结构弯矩进行比较。文章中并未涉及其他荷载 作用下的结构响应也没有对拱轴线的形式作更深 入的研究与优化。本文结合拓扑分析的方法 Ｊ，基 Ｉ｛；Ｉ Ｉ ． Ｉ ｌ｛；’ ＼ 鞋 删丰＃甘群 犀 啦ｊ墨 鞋瑟 ｒ、、 擀擗群＃ ＃ ＿Ｌ１ ，４＃盈葺＿－｛ ｌ—工 ＿［＿ 一Ｌ掰 午＃ Ｉ ／ 于有限单元理论，对均布力作用下的坦拱式结构在 同失跨比下的优化形态进行了更深一步的分析 ’一 ＼ ， ０ 图１拓扑优化区域示意图 江苏省普通高校科研创新 计划（ＣＸＺＺ１３＿０２６０）资助 ２优化理论 均匀化方法 是拓扑优化法中典型的．种方 第一作者简介：米峰（１９９Ｏ一），男，研究 向：流围耦合作用机制。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｆｌ９９０９５＠１２６．ＣＯｎｌ。 ３０期 朱峰，等：大跨度深水高桩码头纵梁形式优化设计研究 式，第一主应力主要集中在如下图５所示的几个 区域。 Ｃ Ｃ 图５第一主应力集中区不意图 当拱形纵梁没有任何加强结构作用时，Ａ、Ｂ、Ｃ 三点处的第一主应力均较大，从云图上看： 、ｃ两 点处较大（３ ＭＰａ左右的拉应力）的主应力互相贯 穿，这意味着当在荷载作用下，这一块区域必然断 裂，跨中Ａ点产生最大拉应力，其数值约为１６ ＭＰａ， 该结构在荷载作用下损伤严重。 当拱形结构采用普通加强连接时，虽然 、Ｂ、ｃ 三点处的第一主应力仍然较大，但应力强度有所改 善，从云图上看：Ｂ、Ｃ两点处的较大主应力已经不 再相互贯穿，跨中 点的拉应力减至１２ ＭＰａ，整个 结构最大拉应力为２６．７ ＭＰａ，出现在两侧的竖直连 接杆上，但由于该杆件是加强杆件，可以选用除混 凝土以外的其他材料，所以该处的应力值大小对混 凝土材料拱梁的安全性没有显著影响。 当拱形结构采用优化加强连接时，Ａ、Ｂ、Ｃ三点 处的第一主应力依然较大，但是应力强度有了更进 一步的改善，从云图上看： 、ｃ两点应力强度有较 大幅度的减小，Ａ点的第一主应力也较小，其数值为 ９．６２ ＭＰａ。应力强度对比结果如表２所示。 表２结构跨中挠度对比 ４结论 本文通过拓扑优化的方法对深水高桩码头的 纵梁进行了优化计算，分析讨论了计算结果与现有 结构形式的差别，得到了以下结论供工程参考： （１）拓扑优化结果显示：大跨度情况下首选拱 形结构形式，该结构用料省，且刚度大。 （２）拓扑优化结果显示：在较小的矢跨比条件 下，拱结构需要有一定的连接系进行结构支持。 （３）有限元计算结果显示，经过优化的拱圈连 接系可以较为显著地降低拱结构的挠度和大主应 力。从而可以更有效地提高结构承载力。 参考文献 １ 翟秋．大跨度码头结构型式探讨及计算方法研究．河海大学， 南京，２００６ ２赵韩，钱德猛．基于ＡＮＳＹＳ的汽车结构轻量化设计．机械设 计与制造，２００５；（４）：１—３ ３麦远俭．关于我国港口建设中长期发展的思考．土木工程学会 港口工程分会．技术交流论文集．北京：人民交通出版社，２００５ ４浙江交通局．新型的高桩梁板码头．水运工程，１９７８；（３）：２２— ２５ ５中交第三航务工程局．高桩码头上部结构改革．水运工程， １９７６；（５）：１２—１３ ６马野，袁志丹，曹金凤．ＡＤＩＮＡ有限元经典实例分析．北京：机 械工业出版社，２０１２ ７卓家寿．弹性力学中的有限单元法．北京：高等教育出版 社，１９８７ ９１２６ 科学技术与工程 ｌ３卷 Ｏｐｔｉｍｕｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｔｒｉｎｇｅｒ ｉｎ Ｌａｒｇｅ Ｓｐａｎ Ｈｉｇｈ－ｐｉｌｅ Ｗｈａｒｆ ｉｎ Ｄｅｅｐｗａｔｅｒ ＺＨＵ Ｆｅｎｇ ，ＧＥＮＧ Ｙｉｎｇ ，ＺＨＵ Ｗｅｉ—ｈｕａ ，ＬＵ Ｚｉ—ａｉ’ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ ｈａｒｂｏｒ ｃｏａｓｔａｌ ａｎｄ ｏｆｆｓｈｏｒｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ， Ｈｏｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９８，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ） ［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｉｒｎｇｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｐｉｌｅ ｗｈａｒｆ ｉｎ ｄｅｅｐｗａ— ｔｅｒ．Ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ ｆｏｃｕｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐａｎ ｒａｔｉｏ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ４００ ｋＮ／ｍ ｕｎｉｆｏｒｍｌｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｌｏａｄｓ，ａｎｄ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｔｈｅ ｒｅｆｉｎｅｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｖａｌｉｄａｔｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｓｐａｎ ｒａｔｉｏ ｍｏｄｅ１．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｌｏａｄ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｏｆ ａｒｃｈ ｗｉｔｈｏｕｔ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｎｅ ｏｎｌｙ ｂｒｉｅｆｌｙ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ ａｒｅ ａｌｓｏ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃａｎ ｂｅ ｍｏｒｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｄｅｆｌｅｃ— ｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｓｔｒｅｓｓ ｖａｌｕｅｓ ｏｆ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ａｒｃｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｔ ｔ ≯ ： ； ｔ； ｔ： ； ｌｒｇｅ ｓａｐａｎ ａｒｃｈ ｓｔｉｒｎｇｅｒ ｔ ｈｉｇｈ ｐｉｌｅ ｗｈａｒｆ ｐ ≯ ； ；ｐ （上接第９ｌ２１页） ５邓继辉．ＧＭ—ＥＮＮ组合模型在滑坡变形预测中的应用．人民长 ，９曾耀，李春峰．基于ＲＢＦ多变量时间序列的滑坡位移预测研 ２０１１；４２（１７）：３７—３９ 究．长江科学院院报，２０１２；２９（４）：３０—３４ ｌ０丁胜祥，杨新意．宜昌站月经流时间序列的混沌特性分析．人 民长江，２００９；４０（２２）：３２—＿３４ １１范干，花向红．基于相空间重构与支持向最机预测滑坡 移 ６陈益峰，吕金虎，周创兵．摹于Ｌｙａｐｕｎｏｖ指数改进算法的边坡位 移预测．岩士力学Ｌｊ ｒ稃学报，２００１；２０（５）：６７ｌ—＿６７６ ７魏玉明，党星海．ＢＰ神经网络在不等时距滑坡变形预报中的应 用．科学技术Ｌｊ ｌ：程，２０１０；１０（１２）：２９５９－－２９６２ 的一种新方法．武汉大学学报・信息科学版，２００９；３４（２）： ２４８～２５１ ８万智，董辉，刘 琛．基于正交没计下ＳＶＭ滑坡变形时序回 归预测的超参数选择．岩土力学，２０１０；３１（２）：５０３—５１２ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＳＯ—ＲＢＦ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｍｏｄｅｌ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｃｈａｏｓ Ｔｈｅｏｒｙ ｉｎ Ｆｏｒｅｃａｓｔ Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ＹＡＮＧ Ｈｕ．ＷＵ Ｂｅｉ—ｐｉｎｇ ．ＷＡＮＧ Ｌｉ （Ｆａｃｕｌｔｙ ｏｆ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ） ｌ Ａｂｓｔｒａｃｔ ｊ Ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ ｉｓ ｄｉｉｃｕｌｆｔ ｔｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｉｔ ｗｉｔｈ ｓｉｅｒ— ｐｉｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅ１．Ｒａｄｉａｌ ｂａｓｉｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ（ＲＢＦ）ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｄｙｎａｍｉｃａｌｌｙ ｆｏｒｅ— ｃａｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｆｏｒ ｉｔｓ ｇｏｏｄ ｆｉｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｇｅｎｅｒａｌｉｚａｔｉｏｎ ａｂｉｌｉｔｙ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｆ ＲＢＦ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｉｓ ｄｉｆｉｃｕｌｔｆ ｔｏ ｓｅｌｅｃｔ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈａｏｓ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｔｈｅ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｗａｒｍ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ（ＰＳＯ）ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｔｒａｉｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ＲＢＦ ｎｅｕｒｌａ ｎｅｔｗｏｒｋ，ａｎｄ ａ ＰＳＯ—ＲＢＦ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｈａｏｓ ｔｈｅｏｒｙ ｉｓ ｇｉｖｅｎ ｆｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ．Ｉｔ ｉｓ ｔｅｓｔｉｉｆｅｄ ｂｙ ｉｎｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ＲＢＦ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ＢＰ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｗｉｔｈ Ｐａｎｉｃｌｅ Ｓｗａｒｍ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅｄ ＲＢＦ ｎｅｕｒａｌ ｎｅｔｗｏｒｋ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＳＯ ｉｓ ｍｏｒｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ａｎｄ ｈａｓ ｂｅｔｔｅｒ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ． ［Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］ｌａｎｄｓｌｉｄｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｃｈａｏｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈａｓｅ ｓｐａｃｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｗａｒｍ ｒａｄｉａｌ ｂａｓｉｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｎｅｕｒａ１ ｎｅｔｗｏｒｋ
