[发明专利]基于拓扑优化理论的分子域复合地基布桩设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合地基布桩的设计方法，更具体地说，涉及一种拓扑优化理论的分子域布桩优化设计方法。

背景技术

复合地基布桩优化中，结构由浅基础、桩和土体组成。通常对于水平方向跨度远大于桩长的复合地基，如机场，高速公路路基，如果直接将其看做一个整体结构进行布桩优化设计，则存在两个方面的问题：一是计算量庞大，另一个是优化结果未必可用。对于连续体拓扑优化问题，计算量由两个部分组成，一是结构变形分析，而是设计变量更新。此外，如果直接将整体结构进行布桩优化，则容易出现桩分布极为不均匀现象，无法为工程实际所接受。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于拓扑优化理论的分子域复合地基布桩优化设计方法。在满足工程要求的情况下，能够得到最优材料布局方案，避免了结构分析复杂，计算量庞大的问题，以及最终结构中布桩的不均匀性问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于拓扑优化理论的分子域复合地基布桩设计方法，包括以下步骤：

a)  按照工程确定桩的尺寸；

b)  整体地基进行子域划分；

子域的划分需要考虑整体结构尺寸、土体性质、荷载特点、桩尺寸及总工程量等因素。复合地基的子域可以分为三种类型，即拐角的角子域，边界中部的边子域及中部的内子域。不同的子域有不同的对称边界。角子域含两条对称边界，边子域含三条对称边界，内子域的边界全部为对称边界。对于沿水平方向性能变化大的土体，为了降低计算量，可事先绘制土体性能等值线图，按照等值线图归类子域，将内子域按照性能归类为若干个内子域进行优化计算。

c)  给出子域内桩初始布局，建立有限元模型，并参数初始化；

为了降低计算量，在优化过程中保持土体材料始终保持不变，但桩的材料模量须由实体桩材料模量与桩间土模量进行插值。在优化前若不指定复合地基中桩的初始布局，而是将整个子域设定为设计域，将桩与桩间土的模量进行插值并优化获取最终材料布局，则得到的结果往往无法在工程实际中采用，其原因在于桩材料横截面及尺寸沿厚度方向变化，在同一面内也不一致，即群桩不具有统一规格形状尺寸。为此，将待优化的子域进行初始化设计，即结构中桩和土分开定义。

d)  使用有限元软件进行结构变形分析；

e)  对目标和约束进行敏度分析；

复合地基中布桩优化属于典型的拓扑优化问题。根据实际，假设材料均处于线弹性阶段，且变形中浅基础与所有桩始终保持相互作用。目标可以以刚度最大化进行布桩设计并指定总桩数，也可以以指定地基中包含的桩的总数最少，而满足沉降（最大沉降小于最大容许沉降）为优化模型。若土体性能沿水平方向变化大，为了使整体沉降均匀，建议使用最小化桩总数并满足沉降要求的方式进行优化。使用SIMP方法进行拓扑优化，建立中间密度（桩）单元的材料弹性模量与密度之间的关系。

f)  设计变量更新；

g)  收敛判断，若不收敛，则返回到第d)步重分析，否则到第h)步；

h)  停止迭代；

i)  将各个子域布桩方案拼装成整体布桩方案。

在上述优化设计方法中，所涉及到的建模，优化软件均为ANSYS软件。

本发明的有益效果是，可以在满足实际工程条件的情况下，优化后的复合地基在荷载作用下满足沉降要求，避免了计算量庞大且最终结构中布桩极不均匀的问题。从而证明该方法可为此类工程实践提供具有理论基础的参考设计。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

在图1中，复合地基子域划分为三种类型。颜色最深的为角子域，其次是侧边图分布在复合地基区域外围，颜色最浅的区域为边子域，分布于角子域之间，中间的深灰色区域为内子域。侧边土宽度可以取约一倍子域边宽。

图2中，角子域模型及边界条件。黑色区域为设计域，灰色为侧边土。1、2边为对称边界。

图3为边子域模型及边界条件。浅灰色区域为设计域，深灰色为侧边土。1、2、4边为对称边界。

图4为内子域模型及边界条件。整个区域为设计域。边界全部为对称边界。

图5为地基土体性能不均匀时的复合地基子域划分示意图。该图中将内子域根据水平方向变化的土体性能等值线图划分为若干个内子域。该图中内子域被分为四个子区域，分别为内子域1、2、3、4。设计时，不同的内子域使用不同的土体性能参数优化计算。