简析复杂建筑结构预应力优化设计分析-

论文导读：衡荷载计算.建筑结构学报，1933，（6）2-9.徐金声，薛立红.现代预应力混凝土楼盖结构.北京：中国建筑工业出版社，1998，112-114.
摘要：随着社会经济的发展，建筑设计行业也得到了蓬勃的发展。一幢又一幢的高楼拔地而起，也耗费了相当大的财力、物力以及人力。就其建筑的结构体系而言，本文对建筑的复杂结构的预应力的设计做了一定的分析，力图预应力的优化设计。
关键词：建筑结构；预应力；优化设计
随着建筑设计的不断发展，一些大型的复杂建筑得到了大规模的建设。这些建筑，如体育馆、歌剧院、展览馆等，其建筑的结构体系都非常的复杂。作为广泛应用的后张预应力超静定结构，在建筑设计中，一般具有两种预应力的配筋方案，其结构简化的方案的计算并不有效，而另一种有限元程序的工作量有非常的繁重。因此，面对这一难题，本文对预应力筋对结构的影响做了分析，提出优化设计方法与有限元计算方法的结合，进行设计变量的有效计算，使得预应力设计可以达到最佳的方案。

一、预应力优化设计的分析

(一)对预应力超静定结构的受力分析

利用锚具和预应力筋对混凝土结构产生作用，被称为调整力系；利用设计荷载对结构产生作用，这种作用由结构的功能来决定，被称作为工作力系，而所说的调整力系和工作力系也是后张预应力混凝土受力的两种形式。作为其中的工作力系，对混凝土的结构会产生破坏，但调整力系则可以对工作力系之下的结构受力进行改善，使得通过人为的施加力得到自身内力的调整。有两个方面可以影响到预应力对结构的作用效果，也就是预应力筋的布束形式和张拉力形式。如结构中的控制断面的内力要同时被调整到所需的条件状态，就要在合理的预应力筋的布束形式下进行。假使预应力筋的布束形式不够合理，预应力筋的数量就会有所增加，其对结构控制断面的内力调整的效果也是有差异的。所以，预应力筋的曲线几何位置是要在常规中进行反复调整的，除此之外，因受到梁截面面积的大小限制，梁端的锚具布置就会出现障碍，此时，就要进行粱下的直线预应力筋的布置。当设计荷载设定以后，混凝土的工作力系值就固定了下来，加之结构的设计要求，结构的设计参数都被限制在一定的程度内，通过这样的设定，预应力的设计也就拥有了一个合理的调整力系，使得结构的各项内容的检验都能够符合规定的要求。

(二)对预应力设计变量的分析

极限状态以及承载能力的极限状态是预应力结构中配筋设计所要满足的规范和规定，并对此进行变形、抗裂、承载力、和应力的验算。在实际设计中，一般利用结构的高跨比对结构的变形进行主要的控制，预应力筋的配筋则对抗裂进行控制。如果出现承载力的要求不能被预应力筋量满足时，就要进行对非预应力钢筋的增配工作。所以，作为预应力的初步设计，预应力配筋则可受到结构抗裂性的要求进行控制。混合式的曲线与直线配筋和单独的曲线配筋是预应力设计中常用的两种布束方式，在初步设计中，预应力的沿力筋可视为不变，其损失也就不需要进行考虑。依据等效荷载法，结构所受的曲线预应力作用可以被视为调整力系的作用。

二、工程应用实例

(一)工程概况

位于杭州市的杭州大剧院是该市的一项重大工程，作为杭州市的标志性建筑，杭州大剧院的高度为46.4米，面积可达5万平方米，地上有十层，地下有四层，具备多功能厅、大厅、主舞台、左右舞台、后台、音乐厅等较多的附属结构。对于建筑结构尺寸和结构布置而言，其建筑设计的要求非常严格，杭州大剧院的结构非常复杂，直柱、剪力墙、曲柱、梁、板组成等超静定结构是它所采用的结构体系。为了满足大剧院使用功能对空间的要求，其建筑使用了预应力混凝土梁结构，并且跨度很大。其中，该建筑的大厅的预应力梁跨度为25米，设计荷载也是比较的大。上方预应力梁现浇和剪力墙是该剧院大厅所采用的结构，高位24米，侧墙长31米，厚度为500毫米。为了满足建筑管道的布置要求，沿墙长方向还设有7道竖向间隔缝，宽度为500毫米，墙体由此被分为8个薄壁墙肢。为使得结构的稳定性有所增强，其它结构体系还与前后剪力墙相连。由于设计荷载的作用，侧墙的薄壁墙肢所要承受的弯矩非常的大，使得处于受压的偏心状态。但因为剪力墙7彩论文网学位论文www.7ctime.com
的梁高和厚度已有了规定的要求，因此预应力设计的关键则是预应力的梁体设计的抗裂性要求的满足方式，其还要能够使得剪力墙所承受的巨大弯矩有所减小，使预应力的钢束能够得到合理的配置。
（二）就大剧院的大厅预应力结构的优化设计而言，其实际结构是所建立的空间三维的计算模型的有限元软件ANSYS所建立的结构。计算表明，预应力设计被薄壁墙肢上端的弯矩所控制，为此，建筑的三个控制截面分别为薄壁墙肢上端、梁端截面以及梁的跨中截面。
结束语
总的来说，就建筑的复杂结构来说，设计方案和要求将预应力的配筋设计限制了起来，常规的简化方法并不能有效的对其问题进行解决，但在后张预应力的设计中，因为预应力能够得到良好的调整，因此，建筑的设计目标就更加的明确起来。作为预应力的初步设计，梁、墙刚度比会影响到预应力筋的布束，而布束位置在确定以后，又受到了设计荷载的影响，为此，通过优化设计与有限元计算的结合，才可以创建一个合理的预应力设计的方案来。
参考文献：
陈永春，单荣民，焦彬如.预应力超静定结构的平衡荷载计算[J].建筑结构学报，1933，（6）2-9.
徐金声，薛立红.现代预应力混凝土楼盖结构[M].北京：中国建筑工业出版社，1998，112-114.