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摘要：快速发展的航运贸易量，对交通以及运输系统的设计提出越来越高的要求。沉管隧道具有降低周围环境影响、有效处理道路穿越以及航运问题的重要作用。但是造价较高、成本较大，加之受到技术以及设计的双重影响，沉管隧道并没有得到大面积的普及与应用。如何控制工程造价是工程以及设计人员重点思考的问题。为此，文章基于结构优化在沉管隧道中的应用进行了探究，希望借助结构优化的方式突破沉管隧道设计与技术上的障碍。
关键词：结构优化；沉管隧道；质量控制
结构优化设计属结构力学，是结构力学的重要分支。结构设计原有的分析和功能，经由结构设计的转化，逐步朝向综合与优化的方向发展。这不仅是是设计思想做出的创新，也是设计手段进行的改革，具备极高的经济价值与意义。要想深入了解结构优化设计，必须从实际工程入手，判断其中的问题，围绕其特征与核心，寻找最实用的设计，予以优化。为此，各专家学者不断加大对结构优化的研究力度，希望利用结构优化的优势，完善沉管隧道。
一、沉管隧道发展历程
早在19世纪末，西方国家就已经开始建设沉管隧道，而我国在20世纪90年代才开始建设，这是城市交通发展的必然趋势，也是人们对交通事业提出的客观需求。我国于1993年自行设计、并完成沉管隧道施工，这意味着我们初步掌握了沉管隧道的建造技术，虽然在核心环节上有所不足，但是有了良好的开端。2003年，我国利用先进的系统与技术，建成了亚洲最大的沉管隧道，该工程的规模位于世界第二，建设时引进大量的设备与技术，突出表现为卫星定位系统以及二维测控施工技术。这标志着我国沉管隧道施工技术的进步，经过不断的努力，已经达到世界先进水平，对综合国力以及国际影响力的提升都有积极意义。
沉管法具备方式先进，操作性强的优势，是水下大型隧道建修的首选方法，经过长期的实践与摸索，已经形成完善的技术体系。无论是设计方法，还是施工工序，都做出了明显的改变，在处理配套工程时也可发挥自身的优越性能，对大型工程施工工作的顺利开展有积极意义，确保工程维持良好的施工秩序。但是世界各国以及专家学者并没有停止对沉管法的研究，仍旧围绕沉管法的经济性能、施工技术以及制作工艺等方面进行创新，希望在防水技术以及基础工艺上取得长足的进步，降低工程对周围环境的影响，最大限度协调自然环境与工程之间的关系。
二、结构优化在沉管隧道中的应用
1.结构优化设计的应用
现有结构优化设计由以下三个方面组成，分别为设计变量、约束条件以及目标函数。这意味着要想优化设计问题，应综合考虑上述三个因素。
（1）应用设计变量
各个构件的横截面尺寸、面积以及惯性矩是结构设计的重要组成部分，这些内容均属于几何参数，也是用于描述结构设计方案的变量。描述结构设计的参数不仅与结构整体有关，还与结构材料参数之间密切关联。可将设计变量取值的性质作为依据划分结构设计，划分结果为离散变量以及连续变量两种。相对于离散变量而言，连续变量的研究更为广泛，体系更为成熟。但是在实际使用过程中，与土木工程实际情况之间有一定的区别，具体视情况而定。离散变量也可以称之为离散集。因离散变量的影响，目标函数以及约束函数的性质发生改变，一般会利用近似解法解决这类问题。
结构优化问题的复杂程度取决于设计变量的个数。伴随着设计变量个数的增加，结构优化问题的复杂程度也有所改变，需要投入更长的时间、耗费大量的人力、物力进行计算。因设计变量个数的影响，设计自由度也会发生变化。设计变量个数增加后，自由度会越来越大，使得优化结果的目标成为可能。因此，设计者需要慎重选择设计变量。将设计变量作为核心，优化结果。
（2）应用约束条件
结构优化设计要想达成预定的目标，应严格遵循相关标准和条件执行工作内容，这一过程中遵守的条件就是约束条件。设计工作者的设计意图以及工程构造方面的需求，都会在约束条件中体现出来。现行约束条件的种类相当丰富，大致分为稳定性约束、动力性约束以及应力约束几种。主要是基于可靠性，对结构进行优化。
（3）应用目标函数
目标函数也是评判标准，是衡量评价设计方案质量的重要指标。从个数上划分目标函数，可获得单一目标以及多目标两种形式。单一目标只会设定一个目标用于优化，而多个目标最低为两个目标函数，各个目标之间会有一定的矛盾。只能再平衡问题的矛盾后，取得“满意解”。
2.应用结构优化算法的注意事项
算法是优化问题中研究最为活跃的领域，学者们应用各种各样的理论，创造出各种各样的寻优方法。大致概括为以下几种经典优化方法、数学规划法、最优准则法、智能方法后三种属于现代优化方法等。经典优化方法世纪年代以前，用于解决优化问题的数学方法仅限于经典微分法和变分法，称为经典优化方法。其所受局限很大，适用范围很小，作为一项技术已远不能适应发展需要。数学规划法从力学基本原理出发，将结构优化问题抽象成数学规划形式来求解，即把问题归结为在设计空间中，由等式约束超曲面和不等式约束半空间所构成的可行域内，寻求位于最小目标等值面上的可行点，它便是问题的最优解点。数学规划法有严格的理论基础，在一定条件下能收敛到最优解，但它要求问题能显式表示，大多数还要求设计变量是连续变量，目标与约束函数连续且性态良好。当然，动态规划可适用于离散变量问题。对于大型结构的优化问题，收敛性并不好且迭代次数过多，使结构重分析的工作量过大，从而效率不高。
3.应用效果
（1）结构各截面内力基本上随截面厚度的变化而呈现相同的变化趋势。由沉管底部承受的荷载要比其它构件大得多，因此，随迭代次数的增加其厚度非但不减小反而增加，而其它构件厚度基本上呈现随迭代次数增加而递减的趋势。
（2）从整个结构断面来说，内力的分布基本上随迭代次数的增加而趋于均匀，这是由于构件线刚度的变化造成了内力的从新分配。
（3）整个结构的造价随迭代次数的增加而下降速度趋于缓慢。迭代控制精度取为，如若提高精度，则必然得到更好的内力分配结果和造价优化值，但这是以增加计算量为代价，其结果对工程经济效益的改善也不是很明显。程序中迭代精度为即复形产生的各种设计方案造价均方差控制在元内时，迭代次数为次，调用有限元计算程序和配筋程序各次迭代精度为时，即均方差控制在元内，迭代次数为，调用有限元计算程序和配筋程序各次，而两者的目标函数差值为约元。如若再提高精度，则耗时更大，结果由于计算机本身数值精度原因也不是很可靠。
结语
本文通过对某沉管隧道的结构分析，编制了适用于荷载结构受力模式的杆系有限元复形优化程序，得出了较好的优化结果。程序也适用于类似的受力模式的工程优化问题。
参考文献：
[1]张玉成，杨光华，胡海英.格栅式连续墙在沉管隧道护岸工程支护中的应用[J].岩土工程学报，2012，34（s1）：440-446.
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