地下结构方法：连拱隧道衬砌结构厚度的优化结果

根据工程结构优化设计的基本原理，将其应用于地下工程的优化中，对一山区偏压连拱隧道的衬砌结构进行了优化。选取连拱隧道的衬砌厚度作为优化变量，利用通用有限元软件ANSYS进行了衬砌结构的初步优化，在此基础上借助数值计算软件MATLAB联合ANSYS进行了进一步的优化。基于工程结构可靠度设计的基本原理，对该连拱隧道衬砌结构的优化结果进行了可靠度分析，验证了优化成果的可靠性，源程序见附录B。

通过本次优化设计，得到以下基本结论：

1）ANSYS提供的几种优化方法，对于解决优化问题比较有效。当设计空间不确定时，一般可以先用随机方法确定设计空间；有确定的设计空间时，先选取零阶方法进行优化。随机方法得到的优化序列可以作为零阶方法的初始值，以加快迭代收敛。零阶方法可以解决大多数的工程问题，且得到的都是全局最优解。零阶方法计算效率高，应该为多数工程的首选，尤其是精度要求不高时。

2）当精度要求较高时，可以在零阶方法的基础上，进行一阶优化。一阶优化计算代价较大，得到的可能还不是全局最优解，所以在运用一阶方法之前，需要对该工程的优化值范围有大致的了解。

3）数值计算软件MATLAB具有很强的数值计算功能，其优化工具箱内置多种功能强大的优化算法。但对于实际工程问题往往难以写出约束条件的显式表达式，可以先利用ANSYS先得到有限元数值计算解，然后调用MATLAB的优化函数进行优化。(www.xing528.com)

4）总体上来讲，ANSYS的一阶算法精度高于零阶算法，而MATLAB的优化结果又优于ANSYS的一阶算法。如有实际监测数据，可以考虑使用神经网络等更为高级的优化算法。

5）基于安全系数优化设计结果和其他方法优化设计具有较高的一致性，随着可靠度要求的提高，结构优化设计成本逐渐增加。隧道结构可靠度指标随隧道衬砌几何参数增加而增加，而且对设计参数左洞厚度更为敏感。因此本隧道优化设计中需注意加强对左洞隧道衬砌厚度的调整。

6）结构设计成本均随安全系数以及可靠度指标要求的提高而增加；考虑参数变异性后，可靠度优化设计的成本一般高于安全系数优化设计的成本。

7）从优化结果来看，主洞衬砌结构的应力约束起了控制性作用。这主要是因为该连拱隧道采用的是整体式直中墙结构，衬砌在与中墙交汇处存在“尖角”，导致过大的应力集中。建议在实际工程中采用弧度更为缓和的三层曲中墙结构。