浅谈复杂建筑结构的预应力优化设计

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摘要：

中国经济的大幅上涨，经济渠道的拓宽，中国各行各业的发展势头可谓是百尺竿头，更进一步。而近年来中国建筑业的发展也同样是一路高歌猛进，各省各城市内建筑物更是雨后春笋，星罗密布一般的拔地而起。成为中国建设和经济发展一项极具代表性的事业。与此同时，中国各个大型复杂建筑物的发展势头也是同样惊人，大型复杂建筑物不仅是一个城市的重要代表，也是彰显一个城市文化的精神支柱。因此，在大型复杂建筑物的建设上，所投资的人力，物力，财力是相当惊人的。而本文就复杂建筑结构时预应力的优化设计的使用来逐步逐条进行分析和讲述。

关键词：应力；优化设计；工程实例

一项大型，复杂建筑的拔地而起，必然与之相对应是这个城市对此投入的巨大经济支持和人力资源。而且，大型复杂的建筑物相对来说各种设计应用繁芜复杂。因此，稍微的疏忽，都会给建筑的建设和发展带来不容忽视的影响和瑕疵。所以在大型复杂建筑物的建设，生产过程中，每一步都必须如履薄冰，小心谨慎。每一次材料的使用，工程结构的规划，计算务必都有做到精益求精，宏大美观的基础上，做到坚固牢靠，才能真正的算的上是成功的建筑物。本文，笔者就对复杂建筑结构的预应力优化设计来做一个简单的探讨，从自己的认识和认知，以及多年的经验着笔，希望大家可以阅读和参考。

一、应力

中国经济飞速发展的几年来，跟随着建筑设计形式多样化和使用功能的多元化的日益增加，各种类型迥异的大型复杂的建筑物，例如歌剧院，体育馆，图书馆，展览馆，等等应用而生，而且其结构主导体系也日益成熟，越发的复杂。

同时在这类复杂建筑结构中后张预应力超静定结构也得到了广泛的应用，这类复杂结构的预应力初步设计一般有两种方法:一种方法是把结构进行简化，然后应用现有专用软件得到预应力配筋方案，但是这种简化不能精确地考虑复杂结构的整体效应，其计算结果的误差较大，而且这样得到的预应力设计不一定是最优设计方案;另一种方法是应用大型有限元程序按结构的实际状况建立空间计算模型，然后按经验初设预应力钢束位置和张拉力，把设计荷载和预应力等效施加在结构上，得到结构的各项计算结果，如位移、内力、应力等，检验是否符合规范要求，若不符合则调整预应力钢束位置和张拉力重新进行计算，经过反复调整，最后可得到符合规范要求的预应力设计方案。

这种设计计算方法较真实地模拟了实际结构的受力状态，但工作量较大，而且从理论上讲，是一种设计方案的枚举检算法，得到的是可行设计方案，不会是最优的预应力设计。

本文就关于复杂建筑结构体系中各个组成构件之间互相受力较为复杂的特点，分析了预应力对建筑建构的作用方式和方法，把施加预应力作为对建筑结构不利受力状态的一种重要的调整手段，并且把不同的预应力简单明确的划分为三种基本里的作用方式。提出把结构整体有限元计算与线性规划优化二者相互结合，相互配合的方案，对影响预应力效果的设计变量进行明确的优化规划和计算，只需要在有限元程序中做基础最本质的受力计算，这样就可以按设计要求得到最终的，最优的预应力设计方法和方案。

二、预应力优化设计方法分析

（一）预应力超静定结构受力分析

后张预应力混凝土结构受到两种力系的作用，一种是由结构功能所决定的设计荷载对结构的作用，我们称这种作用为工作力系;另一种是通过预应力筋和锚具作为人为预加外力对结构的作用，我们称这种作用为调整力系。工作力系有使结构发生破坏的趋势，而调整力系是为了改善结构在工作力系下的受力状态，人为地对结构施加的一种调整内力的手段，使结构受力状态向有利的方面发展。

预应力对结构的作用效果是由两方面的因素决定的，即预应力筋的张拉力和预应力筋的布束形式。在合理的预应力筋布束形式下，可以用最小的张拉力把结构中多个控制断面的内力同时调整到所需的目标状态。而在不合理的预应力筋布束形式下，不仅会增加预应力筋的用量，而且预应力对结构中各控制断面的内力调整效果也是不一样的。因此在常规设计中必须反复调整预应力筋的曲线几何位置。另外，由于梁截面尺寸的限制，在梁端上部锚具布置不下时，有时考虑在梁下部布置直线预应力筋。在这种曲线筋与直线筋混合配筋的形式下，两种预应力筋布束形式和张拉力比率都会对预应力的调整效果有很大影响。

一般来说，在设计荷载确定以后，结构的工作力系就不变了。由于建筑设计对结构的要求，梁高等设计参数也被限制在一定范围之内，这样，预应力设计的目标就是如何找到一个最优的调整力系(即确定这个调整力系的预应力张拉力的最小值)，使得在工作力系和调整力系共同作用下结构的各项检算都符合规范要求。

（二）预应力设计变量分析

预应力超静定结构的配筋设计必须满足规范规定的承载能力极限状态及正常使用极限状态的要求，进行承载力、变形、抗裂以及施工阶段应力的验算。在实际设计中变形主要由结构的高跨比控制，抗裂主要由预应力筋的配筋来控制，当按抗裂要求配置的预应力筋量不能满足承载力要求时，可通过增配非预应力钢筋予以满足。因此，在预应力初步设计中，可把结构抗裂性要求作为预应力配筋的控制条件。

在超静定预应力梁设计中常采用曲线配筋或曲线与直线混合配筋的布束方式。在预应力初步设计中，可认为预应力沿力筋不变，暂时不考虑预应力损失。因此，按等效荷载法，可以把曲线预应力对结构的作用等效为调整力系的作用。

三、工程应用实例

（一）工程概况

杭州大剧院是杭州市的重要建筑工程，建成后将成为杭州市的标志性建筑之一，该工程总建筑面积5万，总高度46.4m，地下四层，地上十层，从平面布局来看有大厅、多功能厅、左舞台、主舞台、右舞台、音乐厅、后台等，附属结构较多。

由于建筑设计对结构布置和结构尺寸要求较为严格，该剧院构成复杂，结构中大量采用了直柱、曲柱、剪力墙与梁、板组成多个复杂的超静定结构体系。由于大剧院各部分的使用功能对空间的要求，决定了在结构设计中要使用大跨度的预应力混凝土梁结构。其中大厅的预应力梁跨度达到了25m，且设计荷载较大。

在建筑设计方案中，大厅采用了剪力墙与上方预应力梁现浇的超静定结构形式。侧墙长31m,高24m,墙厚500mm。由于附属设备中管道布置的要求，在沿墙长方向留有7道500mm宽的竖向间隔缝，将墙体分割成8个薄壁墙肢。前后剪力墙还与其他结构体系相连，以增加结构的稳定性。在设计荷载作用下，侧墙的薄壁墙肢承受弯矩很大，处于偏心受压状态。但由于剪力墙的厚度和梁高已定，因此如何满足预应力梁设计的抗裂性要求，又能减少剪力墙所承受的弯矩，做到最合理地配置预应力钢束就成为预应力设计的关键。