2024年6月29日发(作者：哪个牌子的音响最好)
第３２卷第５期
三峡大学学报（自然科学版）
Ｊ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖ．（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ）
Ｖｏ１．３２ ＮＯ．５
０ｃｔ．２Ｏ１０
２０１０年１Ｏ月
基于ＡＮＳＹＳ的钢衬钢筋混凝土压力管道优化设计
陈振华
交易中心，山东日照 ２７６８００）
赵红红。
（１．中国海洋大学，山东青岛 ２６６００３；２．日照市城市排水管理处，山东日照 ２７６８００；３．日照市建设市场
摘要：钢衬钢筋混凝土压力管道的优化设计实际上是如何充分发挥钢材强度以达到即节省钢耗又
增加收益的目的．首先采用锅炉公式拟定经济直径，然后借助ＡＮＳＹＳ有限元优化技术，利用ＡＮ—
ＳＹＳ优化工具箱的零阶方法，设计在不同水压下钢衬钢筋压力管道的最优弹性模型，并通过与某
工程实例进行比较，验证该工程设计的合理性和经济性．
关键词：压力管道； 钢衬钢筋混凝土； 有限元优化技术； ＡＮＳＹＳ
中图分类号：ＴＶ７３２．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—９４８Ｘ（２０１０）０５—００４２—０３
Ｏｐｔｉｍａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ—ｌｉｎｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｐｅｎｓｔｏｃｋｓ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ
Ｃｈｅｎ Ｚｈｅｎｈｕａ ’。 Ｚｈａｏ Ｈ ｏｎｇｈｏｎｇ。
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｏｃｅａｎ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｑｉｎｇｄａｏ，Ｑｉｎｄａｏ ２６６００３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｄｅ ｏｆ Ｕｒｂａｎ
Ｓｅｗｅｒａｇｅ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ，Ｒｉｚｈａｏ ２７６８００，Ｃｈｉｎａ；３．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｔｒａｄｉｎｇ Ｃｅｎｔｒｅ Ｒｉｚｈａｏ，
Ｒｉｚｈａｏ ２７６８００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｔＯ ｍａｋｅ ｓｕｒｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｏｐｔｉｍａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｓｔｅｅｌ—ｌｉｎｅｄ
ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｅｎｓｔｏｃｋｓ ｉｓ ｎｅｅｄｅｄ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｐｉｐｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｂｏｉｌｅｒ ｆｏｒｍｕｌａ；ａｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ｈｅｌｐ ｏｆ ＡＮＳＹＳ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｅｌａｓｔｉｃ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｓｔｅｅｌ—ｌｉｎｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｐｅｎｓｔｏｃｋｓ ｉｎ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ ｉｓ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂｙ ｎｏｎ—ｓｉｎｇｕｌａｒ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ．Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ａ ｔｙｐｉｃａｌ ｐｒｏｊｅｃｔ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａ—
ｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｌｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｐｅｎｓｔｏｃｋ； ｓｔｅｅｌ—ｌｉｎｅｄ ｃｏｎｃｒｅｔｅ； ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ； ＡＮＳＹＳ
水电站压力管道是水电站建筑物的重要组成部
分之一，应用于各种水电站和抽水蓄能电站『】］．它将
分析，管道外包混凝土厚度一般不大＿３］，大概为管道
直径的１５ ９／６～３Ｏ ，故优化工作通常只针对３个方
面，一是经济直径的确定，二是钢衬壁厚的优化，三是
水从水库前池或调压室中的水在有压条件下引入水
轮机或其它设备，以满足发电供水要求，按结构特征
和受力特点分，压力管道可分为压力钢管（包括露天
钢管、箍管、双层管、多层管），地下理管，坝内埋管，钢
衬钢筋混凝土压力管道，钢衬一预应力混凝土压力管
道比］．钢衬钢筋混凝土压力管道优化设计的前提是最
大程度地提高材料的利用率，主要包括确定外包混凝
土的最小厚度、管道的经济直径、钢衬的最佳壁厚及
环向钢筋配筋量的优化．而实现这３方面优化的结果
是，在满足设计规范和设计要求的前提下，减少钢材
用量，增加发电能力，从而达到即减小投资，又增加收
益的双重目的．
１ ＡＮＳＹＳ优化设计的实现
１．１优化设计概述
环向钢筋最合理的配筋量等．从目前已建工程的资料
结构优化的任务是在给定的条件下从许多可行
收稿日期：２Ｏ１Ｏ—Ｏ８—３Ｏ
基金项目：博士点基金资助课题（２００８０２９４００１２）
通讯作者：陈振华（１９７８一），男，工程师，博士研究生，主要从事建筑工程项目管理．Ｅ—ｍａｉｌ：Ｃａｎａｎ—Ｃｈｅｎ＠１２６．ｃｏｍ
第３２卷第５期 陈振华等 基于ＡＮＳＹＳ的钢衬钢筋混凝土压力管道优化设计 ４３
的方案中寻求优化的方案，从数学上来看，是在给定
条件下的最优解ｌ３］．ＡＮＳＹＳ有限元分析的优化技术
就是在满足设计要求的条件下，从许多可行设计序列
中搜寻最优设计方案＿４］．它是一个满足所有设计要求
的最经济高效率的可行设计方案．
ＡＮＳＹＳ优化设计包含多个要素，如设计变量、
状态变量、目标函数、设计序列、分析文件、分析循环
与优化迭代、优化数据库等．其中设计变量、状态变量
和目标函数总称为优化变量，在ＡＮＳＹＳ优化中，这
些变量是必须由用户定义的参数来指定的；设计序列
是确定一个特定模型的参数的集合；分析文件是一个
ＡＮＳＹＳ的命令流输人文件，包括一个完整的分析过
程；循环是指优化分析周期，而迭代是指产生新的设
计序列的一次或多次分析循环；优化数据库则用来记
录当前的优化环境，包括优化变量定义、参数、所有优
化设定和设计序列集合等．
１．２优化设计过程
通常有两种方法可以实现ＡＮＳＹＳ优化设计：批
处理方法和通过ＧＵＩ交互式地完成．本文只简单介
绍通过批处理方式进行优化的过程．基于ＡＰＤＬ的
ＡＮＳＹＳ优化设计数据的流向，如图１所示 ］．ＡＮ—
ＳＹＳ优化设计一般可由８个步骤来完成，具体如下：
１优化设计数据流向
Ｓｔｅｐｌ：利用ＡＰＤＩ 的参数技术和ＡＮＳＹＳ的命
令创建参数化分析文件，用于优化循环所用的分析文
件，除包括整个分析过程外，该文件必须在前处理器
ＰＲＥＰ７中建立参数化模型，在求解器ＳＯＬＵＴＩＯＮ
中求解，在后处理器Ｐ（）ＳＴ１／Ｐ０ＳＴ２６中提取并指定
状态变量和目标函数．
Ｓｔｅｐ２：在ＡＮＳＹＳ数据库里建立与分析文件中
变量相对应的参数．这一步是标准的做法，但不是必
须的，可以省略．
Ｓｔｅｐ３：进入优化设计器ＯＰＴ，指定分析文件．
Ｓｔｅｐ４：声明优化变量，包括设计变量、状态变量、
目标函数．
Ｓｔｅｐ５：选择优化工具或优化方法．
Ｓｔｅｐ６：指定优化循环控制方式．
Ｓｔｅｐ７：进行优化分析．
Ｓｔｅｐ８：查看设计序列结果（ＯＰＴ）和后处理
（ＰＯＳＴ１／ＰｏＳＴ２６）．
２压力管道的优化设计
２．１经济直径的拟定
管径的选择直接影响钢材和混凝土的用量，同时
又影响水轮机的发电量．确切地说，对于确定的水头
和流量，直径越小，钢材和混凝土用量就越少，成本就
越低，但管中的流速变大，相同距离的水头损失也越
大，导致发电量的减少，因此合理选择管径是优化设
计的主要目的．目前，国内外学者对经济管径研究的
成果不少，下面是较为常用的计算公式．
Ｓａｒｋａｒｉａ提出的经验公式［５］
Ｄ一 （１）
式中，Ｄ为经济管径（ｍ）；Ｐ为水轮机设计容量
（ｋＷ）；Ｈ为设计水头（ｍ）．
ＢａｒｒＤＩＨ推荐的计算公式
Ｄ一 （２）
式中，Ｑ为设计最大流量（ｍ。／ｓ）；其余同上．
锅炉公式
一 ㈣
式中，ＧＯ为环向应力（ＭＰａ）；Ｐ。为径向均布压力（Ｎ／
ｍｍ ）；ｒ为钢管（钢衬）内半径（ｍｍ）；ｔ。为钢管（钢
衬）管壁计算厚度（ｍｍ）；计算结果取经济直径Ｄ一
２，．．
另外，刘宪亮还提出了一种计算机优化方法．其
优化的准则是：使管道维修、折旧年费用与因水头损
失造成的年发电收入损失之和为最小，具体公式和计
算参看文献Ｅ８３．
本文采用式（３）作为压力管道经济直径的计算
式，并对最后结果作适当调整．首先考虑工程的可靠
性，取某工程设计最大内水压力Ｐ 一１０ＭＰａ，钢板
设计壁厚ｔ。＝＝＝６０ ｍｍ，钢材型号取６００ ＭＰａ级钢板，
屈服强度． 一 一４０２ ＭＰａ，由式（３）可得ｒ＝２．４１２
４４ 三峡大学学报（自然科学版） ２０１０年１Ｏ月
ｍ．为确保一定的安全系数，拟定该工程钢衬钢筋混
凝土压力管道的内径Ｄ为４．８ ｍ，用于下面的计算．
２．２弹性模型的结构优化设计
优化结构有限元模型如图２所示．压力管道直管
段内径４．８ ｍ，外包混凝土厚度０．６ ｍ，单元节点数共
８ ５３５个．
图２有限兀模型
２．２．１优化分析模型
设计变量：钢衬厚度ｔ、环筋的折算厚度ｄ，ｄ一
（Ａ×Ｎ）／ｌ，Ａ为环筋等效面积（ｍ ），Ｎ为直管段环
筋数量，ｌ为直管段长度（ｍ）．
状态变量：（１）各层钢筋的环向应力 不超过允
许应力｛Ｇｏ｝；（２）压力管道钢衬壁厚应满足外压稳定
性的要求，即设计外压值应小于临界外压Ｐ （ ）；（３）
考虑制作工艺、运输过程、安装等外界因素影响，要求
钢衬壁厚应大于最小厚度 ｉ ；（４）考虑施工条件的
限制，用设计最大厚度 限制环筋的最大折算厚
度．
目标函数：钢材总消耗量最小，即钢材总体积
（ｆ）最小，本文假定压力管道直管段长度ｚ不变，则优
化设计可简化考虑为钢衬的厚度（￡和ｄ）最小．
设计水压：为了充分利用钢材强度，节省成本，故
在最大设计水压１０ ＭＰａ下，分别以５个逐级增加的
水压进行优化计算，即分为２．０ ＭＰａ，４．０ ＭＰａ，６．０
ＭＰａ．８．０ ＭＰａ，１０ ＭＰａ．
优化实现：本文采用ＡＰＤＬ（ＡＮＳＹＳ Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ
Ｄｅｓｉｇｎ Ｉ ａｎｇｕａｇｅ）参数技术，创建ＡＮＳＹＳ命令流分
析文件，直接选用ＡＮＳＹＳ优化设计工具箱，采用随
机搜索法（Ｒａｎｄｏｍ Ｄｅｓｉｇｎｓ）和最优梯度法（Ｇｒａｄｉ—
ｅｎｔ）相结合的优化计算方法．
２．２．２优化设计结果
设计变量：０．０１０ ｍ≤ｆ≤０．０６０ ｍ；０．００１ ｍ≤ｄ≤
０．０１５ ｍ；状态变量：钢衬最大应力 …≤４０２ ＭＰａ，环
筋最大应力 ．ｍ ≤３８０ ＭＰａ；目标函数：钢材总体积
Ｖ 最小．
最大设计水压１０ ＭＰａ下的最优设计序列见表
１，设计变量钢衬厚度ｔ和环筋折算厚度ｄ，在满足状
态变量的前提下，随内水压力增加而增加，钢衬厚度
增加幅度较大，如图３所示．
表１最优设计序列
钢衬最大应力环筋最大应力钢衬厚度环筋折算厚度钢材总体积
／ＭＰａ ／ＭＰａ ｔ／ｍｍ ｄ／ｍｍ Ｙ／ｍ。
量
暑
世
器
内水压力／ＭＰａ
图３不同内水压力Ｆ的钢材厚度变化规律
２．２．３ 工程对比
某已建工程ｌ＿１ 压力管道直管段采用管道直径４．８
ｍ，外包混凝土厚度０．６ ｍ，钢衬厚度６０．Ｏ０ ｍｍ，环向
钢筋折算厚度约１０．１５ ｍｍ，钢筋总体积０．９１１ ５３ ｍ。，
设计最大内水压力ｌＯ ＭＰａ．该工程在采用相同直径
下，实际工程压力管道钢材的总用量比本文优化设计
的结果多０．１６２ ８ ｍ。，留有富余度，这有利于提高压
力管道的可靠度和耐久性，可知该工程直管段的设计
较合理．
３ 结 论
根据已知条件，运用锅炉公式对某工程压力管道
的经济直径进行拟定，并与已建工程进行比较可知，
运用锅炉公式获得的经济直径与实际工程最终采纳
的直径基本一致．利用ＡＮＳＹＳ有限元优化设计技术
及其优化工具箱对钢衬钢筋混凝土压力管道进行弹
性模型的优化，且优化结果与实际工程设计采纳的符
合很好．
由此可知，锅炉公式作为确定管道经济直径的计
算方法是可靠的．应用ＡＮＳＹＳ优化技术可以对压力
管道进行优化分析，其结果能准确反应工程实际，对
确保管道安全具有实际应用价值．
参考文献：
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（下转第５６页）
５６ 三峡大学学报（自然科学版） ２０１０年ｌＯ月
时刻，ｗ—Ｄ模型下渗高度总是比Ｄ模型高约０．６ ｍ．
可以知道，吸湿脱湿的影响对非饱和渗流存在显著影
响．
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因此在模拟实际降雨人渗的时候，要选择适当的
土水特征曲线模型，在非饱和入渗过程中，吸湿脱湿
的影响很大程度上控制了土体的人渗速率以及人渗
量，对土体的力学行为及变形存在很大程度的影响．
尤其是在野外工作条件下，更应该精确土水特征曲线
的吸湿脱湿曲线，以便做好各种安全防护及治理措
施．
栾茂田，李顺群，杨
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［责任编辑周丽丽］
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［责任编辑周文凯］
ｒ Ｄ Ｉ Ｈ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｎｄｕｉｔ Ｓｉｚｅｓ￣Ｊ］．
［６］
Ｂａｒ
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