钢筋混凝土输水箱涵结构优化设计
李胜军 ，陈华鸿 ，李 刚。
(1．天津市水利科学研究院，天津300061；2．天津市水利勘测设计院，天津300074；
3．天津市滨海水业集团有限公司，天津300381)
摘要：以输水箱涵结构造价为目标函数，取箱涵壁厚和受拉、受压钢筋面积以及受压区混凝土的高度为设计变量，采
用数学规划中的复合形法建立了钢筋混凝土箱涵优化计算方法。以正在建设的南水北调工程输水箱涵典型断面的
优化设计为例，比较了优化前、后输水箱涵的壁厚、配筋率和结构造价等主要技术指标，优化分析结果表明：在满足
结构强度的前提下，结构优化设计对降低工程造价具有重要的意义。
关键词：箱涵；结构优化设计；复合形法
中图分类号：TU755．7 文献标识码：A 文章编号：1672—1683(2011)001—0110—04
Structural Design Optimization for Reinforced Concrete Box Culverts
LI Sheng-jun ，CHEN Hua—hong。，I．I Gang。
(1．Tia in Hydraulic Research Institute，Tianjin 300061，Ckina；
2．Tianjin Water Conserwancy Survey& Design Institute，n＆ in 300204，China；
3．Tianjin Binhai Water Supply Co．LTD，Tia in 300381，China)
Abstract：The complex method is employed to optimize the structural design of reinforced concrete box culverts(RCBC)，with cost per unit
length as the objective function．The design variables include the wall thickness，the areas of the compressed and pulled reinforcing steel，and the
depth of compressive zone．A case study in South-to—North Water Diversion Project，currently under construction，is conducted by comparing the
main technical specifications of the RCBC，such as the wall thickness，reinforcement ratio，and structural cost，before and after an optimization for
the design of its typical section．The analysis shows that，with such an optimization，the RCBC can provide sufficient structural strength with a
more affordable construction cost．This suggests that the optimization for the structural design of RCBC is a significant cost reduction measure．
Key words：reinforced concrete box culverts；structural design optimization；complex method
传统的结构设计，要求设计者根据设计要求和实践经
验，参考类似的工程设计，通过判断去创造设计方案，然后利
用初始设计方案的设计参数对强度、刚度、稳定性能进行分
析计算，检查各项性能是否满足设计指标要求。如果不能完
全满足性能指标的要求，设计人员将凭借经验或直观判断对
参数进行修改。这样反复进行分析计算一性能检验一参数
修改，直到性能完全满足设计指标的要求为止。这种重复设
计方法有两方面缺陷：一是工作繁复、效率低；二是由于时间
和设计者经验的限制，确定的最终方案往往不是理想的最优
方案，而仅为可行方案。而采用结构优化设计可以避免上述
诸多不利。目前进行箱涵设计时，工程中常用的方法是根据
经验初步拟定尺寸，然后进行强度及抗裂计算，所设计出的
箱涵虽然可以满足安全使用的要求，但往往不一定是最经济
的。为此采用结构优化技术，在满足规范和规定的前提下，
按设计者预定的要求，利用数学手段，从全部可能的箱涵结
构设计方案域中，选出一个不但可行而且最好的设计方案是
设计者追求的最终目标。因此，结构优化设计是结构设计的
新发展、新成就，具有重要的工程意义和广阔的发展前景。
结构优化设计包括两方面内容[1 ：首先建立数学模型，
即用数学语言来描述最优化问题，把一个工程结构的设计问
题转化为一个数学问题。模型中的数学关系式反映了最优
化问题所要达到的目标和各种约束条件；其次是数学求解。
模型建立好以后，选择合理、有效的计算方法，编制通用的计
算机程序对问题进行求解、结果检讨与最后决策。可见通过
结构优化设计才能使结构各部分材料受力分布达到合理的
状态，从而使结构设计达到经济与安全的要求。
1 钢筋混凝土箱涵结构配筋设计方法
箱涵结构设计步骤包捂_ ：初拟箱涵的断面尺寸、外荷
载计算、内力计算、强度计算和抗裂度验算。箱涵的孑L径由
水力计算确定，其断面尺寸及配置钢筋数量则需通过结构设
计确定。作用于箱涵的外荷载通常有垂直土压力、活荷载、

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