复杂结构的预应力优化设计研究

复杂结构的预应力优化设计研究

张骞阎瑾

机械工业第六设计研究院有限公司河南郑州450000

摘要：预应力优化设计是一项非常重要的工作，这项工作是否科学合理将会直接影响到整个工程的质量。为了能够真正满足需要，在今后就应该从实际出发来对进行科学分析。本文以杭州大剧院预应力优化设计为例进行了详细分析。通过本文的分析就会发现，在今后工作中必须要高度重视预应力设计变量以及预应力超静定结构受力分析。

关键词：复杂结构；预应力；优化设计

复杂建筑结构逐渐成为当前建筑工程必不可少的组成部分，复杂按结构受力复杂，设计相对较难。采用预应力结构能够提升结构的稳定性，为了确保预应力设计满足规范要求，需要根据结构需求设计预应力结构，并且在简单设计的基础上，进行预应力优化设计。

一、复杂结构预应力概述与方法

1.复杂结构预应力概述

预应力是设计人员进行建筑设计所施加的压力，主要是为了抵消建筑的荷载，提升建筑结构的稳定性。复杂结构预应力主要是为了应对建筑复杂结构荷载等应力所施加的压力，能够提升工程施工质量，减少复杂结构安全隐患，避免出现建筑结构安全问题。当前的建筑预应力设计主要采用混凝土结构设计，能够提升建筑结构的稳定性与整体性。建筑结构设计过程中，除了计算结构的自重之外，还需要对其拉应力进行分析，采用预应力结构设计，能够提防建筑的拉应力，从而提升构建的耐久性，确保建筑结构的性能与质量。

2.复杂结构预应力设计方法

复杂结构预应力的设计方法包括简化分析法、有限元分析法、预应力超级固定结构受力等方法，具体如下：

1）简化分析法，简化分析法是复杂结构应力设计的传统方法，在设计的过程中，能够对复杂建筑结构进行简化设计，提升其预应力设计的效率，通过软件计算配筋方案，从而获得简化预应力，但是简化分析法不能全面展现建筑结构的细节，设计误差较大；

2）有限元分析法，该方法是采用有限元分析软件进行建筑结构预应力设计的方法，通过构建建筑结构空间计算模型，对其预应力钢束位置以及张拉力等边界条件进行分析，从而得到相应的预应力，有限元分析能够了解建筑构建的预应力体系，从而为建筑结构设计提供参数，但是有限元分析法的工作量较大，对于软件质量要求较高；

3）预应力超静定结构受力分析，建筑构建受到两种力系的影响，主要包括结构功能决定的工作力系，与外界预应力的调整力系，工作力系有对结构产生破坏的趋势，调整力系能够改善结构的受力，采用预应力超静定结构设计分析，能够将设计参数限制在一定范围内，确保工作力系与调整力系作用下的参数都能够符合规范要求。

4）设计变量分析。对预应力设计变量进行深入分析有着非常重要的意义，对于这方面的工作具体而言就是要分析承载能力的极限状态、极限状态等。这些方面在设计过程中都必须要能够符合实际要求及规范。此外对于承载力、变形、应力以及抗裂等也应该进行专门验算。只有不断进行验算才能够满足要求，为了能够实现对变形的有效控制，工作中主要是要利用结构高跨比来实现。采用这样一种方式将有助于实现对变形的有效控制。对于抗裂的控制则是要采用预应力配筋的方式来进行处理。对于非预应力钢筋的增配，往往是要在承载力不能够满足预应力尽量的条件下才要开展这项工作的。为了能够实现科学合理地设计，在预应力初步设计过程中就要高度重视抗裂，对于预应力配筋应该是按照人们对抗裂性的要求来进行设计。通过这样的设计将非常有助于满足要求。在今后工作中对于这方面情况必须要加强研究，要从实际出发来采取措施。在设计过程中最为常用的方式是混合式曲线与直线配筋以及单独曲线配筋。这两种方式的应用将有助于满足实际要求。在设计过程中对于沿力筋的预应力是可以视为不变的，对于其造成的损失也不用进行考虑。在工作中对于结构所受曲线预应力则是可以根据等效荷载法看作把它看成调整力系的作用。

二、案例分析

某大剧院是杭州市内大型的市政工程，同时也是典型的复杂建筑结构。以大剧院为例来进行分析更具有现实意义。从该工程的实际情况来看，大剧院高度是50m左右，面积为5.2万m2。这样一栋建筑，具有主舞台、音乐大厅、左右舞台以及后台等附属结构。为了能够满足需要，在工作中就应该对其进行严格设计。在对其结构进行设计过程中高位设计在25m，侧墙设计为32m，厚度设计则四600mm。对于管道的设计则是要按照墙的长度来增设7道竖向缝，为了能够真正满足需要还应该把墙体分割成8个墙肢。为了能够真正满足需要，建筑跨度就应该比较大。对于预应力的设计，重点是要保证预应力梁能够满足抗裂要求。这样才能够真正适应实际工作要求。对于预应力钢束应该进行科学发恩锡，要对其进行科学合理地配置。这样才能够满足实际要求。对于这样一种结构，工作人员利用有限元软件ANSYS进行专门分析之后发现。在预应力设计过程中是要受到墙肢上端弯矩影响的。这种影响是人们在工作中必须要引起注意的。针对这种情况，在今后工作中就要对墙肢上端、垮中界面以及梁端进行严格控制。这样才能够满足要求。这是我们在工作中应该引起高度重视的。要采取专门措施来对其进行优化。

为了满足剧院多功能设计的要求，在空间布局的情况下进行预应力优化设计。采用有限元分析的方式对其预应力进行分析，构建大厅以及预应力梁的三维整体计算模型，根据约束条件方程进行计算，最终进行设计，确保预应力设计满足约束条件。在预应力优化设计中，需要满足建筑结构稳定、降低剪力墙承受弯矩等方面的需求，为预应力钢束配置提供依据，从而设计出合理的预应力设计方案。

在设计过程中对主要控制条件进行定性分析，从而达到的优化目的。变形主要通过结构的高跨比控制，抗裂主要由预应力配筋控制。若以小跨度梁截面为主布置通长预应力钢筋，大跨度梁增加一组短预应筋在该跨内张拉，这种方法最经济但施工难度较大；若采用两组预应力筋，在大跨度梁内形成交叉且张拉端设置于梁端，这种施工方法则较为经济且施工便利。复杂建筑结构的预应力设计、优化当中，对不同的项目要求采取不同的控制条件展开分析，能够得到具体的优化路径，对优化方案的健全，具有较大的积极意义。

在预应力梁设计时，可通过以下几种方法进行优化：

①大跨度预应力梁配筋计算时，预应力筋应以合理的力度参与强度的计算，与普通钢筋共同承担抗裂和极限承载的要求，这样可以减少普通钢筋的配筋量，也更符合实际的受力情况。

②对于结构自重和活荷载都很大的预应力梁，由于支座弯矩较大，需要配置大量的预应力筋甚至出现超筋现象，这样既不经济且承载力富余过大，这种情况可以通过适当弯矩调幅，降低支座控制内力，这种做法不但可以节约成本，且承载力、挠度和裂缝仍能满足规范要求。

③当预应力筋数量较多时，可根据预应力梁在外荷载作用下的支座负弯矩与跨中正弯矩的比值调整预应力筋的分布，就是采用多种预应力筋曲线组合，调整支座及底面预应力筋的布置，可提高预应力梁的延性和刚度。

结束语

对于复杂性的建筑结构来说，在设计方案与设计功能要求的诸多限制下，对预应力配筋设计有非常严格的要求，常规的设计简化方法无法对问题进行有效解决，达到满意的设计效果。但通过后张预应力设计的方式，能够起到合理调整预应力水平的目的，使复杂建筑结构的设计目标更加明确，在优化设计中与有限元计算相互结合，使最终得到的预应力设计方案更加的有效与可靠。本文即围绕复杂建筑结构预应力设计的优化思路进行分析，望引起重视。

参考文献：

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[2]周臻，孟少平，吴京。考虑预应力实施过程的预应力钢结构全过程优化设计[J].土木工程学报，2010（02）.