高架水塔结构优化设计研究

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翻新时间：2022-12-17

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高架水塔结构优化设计研究

摘要：水塔是城市生命线工程的重要组成部分，抗震地区（尤其是强震区域）的水塔必须考虑地震作用对水塔的影响。水塔结构优化设计应利用概念设计理念进行结构选型，然后进行尺寸优化和形状优化，依据现行抗震规范借助有限元软件进行安全验算。最后通过高架水塔模型的加载试验验证了水塔结构优化理论。

关键词：高架水塔、水平地震、结构优化设计

中图分类号：S611 文献标识码： A

一、引言

供水工程作为生命线工程中的重要组成部分，是人民生活、城市工业生产用水的保障，是保证城市功能正常运行的重要环节。若遭受严重的震害，会带来抢险、救灾、生产、生活上的巨大困难[3]，如1906年发生在美国洛杉矶的8.3级地震造成三条输水干管破坏，全市50多处起火，消防用水断绝，导致市区10余平方公里化为灰烬，造成了严重的次生灾害。水塔作为城市供水工程的重要组成部分，为了保证供水系统有足够的压力，供水水塔一般建筑位置较高或者建成高架水塔，且水塔因为库存了大量自来水，增加了结构自重，在同样震级地震作用下，水塔结构比自来水管网更容易遭到破坏。在我国，由于特殊的经济背景，水塔的支承系统采用砖筒结构的数量庞大，从唐山地震和汶川地震的震害分析来看，砖筒水塔的破坏相当严重，而且还造成了一定的次生灾害，因此，对水塔的结构体系的优化研究具有较强的现实意义。

二、工程结构优化设计理论[6]

结构优化设计的目的在于寻求既安全又经济的结构形式，优化的目标通常时求解具有最小重量的结构，同时必须满足一定的约束条件，以获得最佳的静力或动力等形态特征。结构形式包括了关于尺寸、形状和拓扑等信息，因此结构优化也分为尺寸优化、形状优化

1.尺寸优化

尺寸优化中的设计变量可能是杆件的横截面积、截面惯性矩、板的厚度、或是材料的分层厚度和材料方向角度，在利用有限元计算结构位移和应力时，尺寸优化直接利用敏度分析和合适的数学规划方法就能完成尺寸优化。

2.形状优化

结构形状优化的主要特征是，待求的设计变量是所研究问题的控制微分方程的定义区域，所以是可动边界问题，它主要研究如何确定结构的边界形状或者内部几何形状，以改善结构特性，确定结构边界形状的目的在于满足工程要求的前提下寻求用材最省的结构形状。确定内部几何形状如结构内部开孔尺寸和形状的选择，其目的是降低应力集中、改善应力分布状况。对于具体的工程结构而言，形状优化分为两部分，一是结构的整体截面形状优化，通过优化使结构的整体性较好、整体受力效果达到最优化；二是对组成结构的杆件的截面形状优化，确保单根杆件受力合理。

三、高架水塔结构设计研究现状

四、高架水塔结构优化设计的方法

1.结构体系的选型

震害分析表面，砖支承的水塔在6度地震作用时就有轻微震害，需要控制使用，因此，对于抗震设防烈度在6度及以上的区域建设水塔，不宜采用砖支承的结构形式，而应选用抗震性能较好的柔性结构，比如延性框架结构或钢结构作为水塔的支承结构，因为钢支承结构具有较大的抗震耗能性能，故钢支承结构水塔的抗震性能最好[5]。在进行结构体系选型过程中，应充分利用概念设计理念，结合我国现行《建筑抗震设计规范》的相关要求进行设计，确保高架水塔的支承体系满足三水准抗震设防目标，即“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

2.形状优化

结合已选取的结构体系，依据使用功能要求确定水塔支承结构的总高度，然后选择合适的整体截面形式及结构的边界形状，并且通过多方案必选，确保所选整体截面形式和结构边界形状在满足工程要求的前提下用材最省。然后确定结构内部各个杆件的几何形状，避免应力集中，确保杆件应力分布均匀。

3.尺寸优化

依据尺寸优化中的设计变量可能是杆件的横截面积、截面惯性矩、板的厚度、或是材料的分层厚度和材料方向角度，在利用有限元计算结构位移和应力时，尺寸优化直接利用敏度分析和合适的数学规划方法就能完成尺寸优化。

4.水平地震作用的计算

五、高架水塔结构模型的制作与加载试验

通过对加载数据的收集整理得知，在地震作用下，水平地震作用在结构作用效应中起控制性作用，因此，对于地震频发区域修建的水塔，必须进行抗震设计。另外，通过对不同模型的受力情况进行分析得知，水塔结构的支承体系的延性好坏直接决定了水塔的抗震性能，而且合理的隔震与耗能措施也有利用提高水塔的抗震性能，减少地震作用对水塔的病害。