淺談復雜建筑結(jié)構(gòu)的預應力優(yōu)化設(shè)計
 于洋

摘要：
中國經(jīng)濟的大幅上漲，經(jīng)濟渠道的拓寬，中國各行各業(yè)的發(fā)展勢頭可謂是百尺竿頭，更進一步。而近年來中國建筑業(yè)的發(fā)展也同樣是一路高歌猛進，各省各城市內(nèi)建筑物更是雨后春筍，星羅密布一般的拔地而起。成為中國建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展一項極具代表性的事業(yè)。與此同時，中國各個大型復雜建筑物的發(fā)展勢頭也是同樣驚人，大型復雜建筑物不僅是一個城市的重要代表，也是彰顯一個城市文化的精神支柱。因此，在大型復雜建筑物的建設(shè)上，所投資的人力，物力，財力是相當驚人的。而本文就復雜建筑結(jié)構(gòu)時預應力的優(yōu)化設(shè)計的使用來逐步逐條進行分析和講述。
關(guān)鍵詞：應力；優(yōu)化設(shè)計；工程實例
一項大型，復雜建筑的拔地而起，必然與之相對應是這個城市對此投入的巨大經(jīng)濟支持和人力資源。而且，大型復雜的建筑物相對來說各種設(shè)計應用繁蕪復雜。因此，稍微的疏忽，都會給建筑的建設(shè)和發(fā)展帶來不容忽視的影響和瑕疵。所以在大型復雜建筑物的建設(shè)，生產(chǎn)過程中，每一步都必須如履薄冰，小心謹慎。每一次材料的使用，工程結(jié)構(gòu)的規(guī)劃，計算務必都有做到精益求精，宏大美觀的基礎(chǔ)上，做到堅固牢靠，才能真正的算的上是成功的建筑物。本文，筆者就對復雜建筑結(jié)構(gòu)的預應力優(yōu)化設(shè)計來做一個簡單的探討，從自己的認識和認知，以及多年的經(jīng)驗著筆，希望大家可以閱讀和參考。
一、應力
中國經(jīng)濟飛速發(fā)展的幾年來，跟隨著建筑設(shè)計形式多樣化和使用功能的多元化的日益增加，各種類型迥異的大型復雜的建筑物，例如歌劇院，體育館，圖書館，展覽館，等等應用而生，而且其結(jié)構(gòu)主導體系也日益成熟，越發(fā)的復雜。
同時在這類復雜建筑結(jié)構(gòu)中后張預應力超靜定結(jié)構(gòu)也得到了廣泛的應用，這類復雜結(jié)構(gòu)的預應力初步設(shè)計一般有兩種方法:一種方法是把結(jié)構(gòu)進行簡化，然后應用現(xiàn)有專用軟件得到預應力配筋方案，但是這種簡化不能精確地考慮復雜結(jié)構(gòu)的整體效應，其計算結(jié)果的誤差較大，而且這樣得到的預應力設(shè)計不一定是最優(yōu)設(shè)計方案;另一種方法是應用大型有限元程序按結(jié)構(gòu)的實際狀況建立空間計算模型，然后按經(jīng)驗初設(shè)預應力鋼束位置和張拉力，把設(shè)計荷載和預應力等效施加在結(jié)構(gòu)上，得到結(jié)構(gòu)的各項計算結(jié)果，如位移、內(nèi)力、應力等，檢驗是否符合規(guī)范要求，若不符合則調(diào)整預應力鋼束位置和張拉力重新進行計算，經(jīng)過反復調(diào)整，最后可得到符合規(guī)范要求的預應力設(shè)計方案。
這種設(shè)計計算方法較真實地模擬了實際結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，但工作量較大，而且從理論上講，是一種設(shè)計方案的枚舉檢算法，得到的是可行設(shè)計方案，不會是最優(yōu)的預應力設(shè)計。
本文就關(guān)于復雜建筑結(jié)構(gòu)體系中各個組成構(gòu)件之間互相受力較為復雜的特點，分析了預應力對建筑建構(gòu)的作用方式和方法，把施加預應力作為對建筑結(jié)構(gòu)不利受力狀態(tài)的一種重要的調(diào)整手段，并且把不同的預應力簡單明確的劃分為三種基本里的作用方式。提出把結(jié)構(gòu)整體有限元計算與線性規(guī)劃優(yōu)化二者相互結(jié)合，相互配合的方案，對影響預應力效果的設(shè)計變量進行明確的優(yōu)化規(guī)劃和計算，只需要在有限元程序中做基礎(chǔ)最本質(zhì)的受力計算，這樣就可以按設(shè)計要求得到最終的，最優(yōu)的預應力設(shè)計方法和方案。
二、預應力優(yōu)化設(shè)計方法分析
（一）預應力超靜定結(jié)構(gòu)受力分析
后張預應力混凝土結(jié)構(gòu)受到兩種力系的作用，一種是由結(jié)構(gòu)功能所決定的設(shè)計荷載對結(jié)構(gòu)的作用，我們稱這種作用為工作力系;另一種是通過預應力筋和錨具作為人為預加外力對結(jié)構(gòu)的作用，我們稱這種作用為調(diào)整力系。工作力系有使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的趨勢，而調(diào)整力系是為了改善結(jié)構(gòu)在工作力系下的受力狀態(tài)，人為地對結(jié)構(gòu)施加的一種調(diào)整內(nèi)力的手段，使結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)向有利的方面發(fā)展。
預應力對結(jié)構(gòu)的作用效果是由兩方面的因素決定的，即預應力筋的張拉力和預應力筋的布束形式。在合理的預應力筋布束形式下，可以用最小的張拉力把結(jié)構(gòu)中多個控制斷面的內(nèi)力同時調(diào)整到所需的目標狀態(tài)。而在不合理的預應力筋布束形式下，不僅會增加預應力筋的用量，而且預應力對結(jié)構(gòu)中各控制斷面的內(nèi)力調(diào)整效果也是不一樣的。因此在常規(guī)設(shè)計中必須反復調(diào)整預應力筋的曲線幾何位置。另外，由于梁截面尺寸的限制，在梁端上部錨具布置不下時，有時考慮在梁下部布置直線預應力筋。在這種曲線筋與直線筋混合配筋的形式下，兩種預應力筋布束形式和張拉力比率都會對預應力的調(diào)整效果有很大影響。
一般來說，在設(shè)計荷載確定以后，結(jié)構(gòu)的工作力系就不變了。由于建筑設(shè)計對結(jié)構(gòu)的要求，梁高等設(shè)計參數(shù)也被限制在一定范圍之內(nèi)，這樣，預應力設(shè)計的目標就是如何找到一個最優(yōu)的調(diào)整力系(即確定這個調(diào)整力系的預應力張拉力的最小值)，使得在工作力系和調(diào)整力系共同作用下結(jié)構(gòu)的各項檢算都符合規(guī)范要求。
（二）預應力設(shè)計變量分析
預應力超靜定結(jié)構(gòu)的配筋設(shè)計必須滿足規(guī)范規(guī)定的承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)的要求，進行承載力、變形、抗裂以及施工階段應力的驗算。在實際設(shè)計中變形主要由結(jié)構(gòu)的高跨比控制，抗裂主要由預應力筋的配筋來控制，當按抗裂要求配置的預應力筋量不能滿足承載力要求時，可通過增配非預應力鋼筋予以滿足。因此，在預應力初步設(shè)計中，可把結(jié)構(gòu)抗裂性要求作為預應力配筋的控制條件。
在超靜定預應力梁設(shè)計中常采用曲線配筋或曲線與直線混合配筋的布束方式。在預應力初步設(shè)計中，可認為預應力沿力筋不變，暫時不考慮預應力損失。因此，按等效荷載法，可以把曲線預應力對結(jié)構(gòu)的作用等效為調(diào)整力系的作用。
三、工程應用實例
（一）工程概況
杭州大劇院是杭州市的重要建筑工程，建成后將成為杭州市的標志性建筑之一，該工程總建筑面積5萬㎡，總高度46.4m，地下四層，地上十層，從平面布局來看有大廳、多功能廳、左舞臺、主舞臺、右舞臺、音樂廳、后臺等，附屬結(jié)構(gòu)較多。
由于建筑設(shè)計對結(jié)構(gòu)布置和結(jié)構(gòu)尺寸要求較為嚴格，該劇院構(gòu)成復雜，結(jié)構(gòu)中大量采用了直柱、曲柱、剪力墻與梁、板組成多個復雜的超靜定結(jié)構(gòu)體系。由于大劇院各部分的使用功能對空間的要求，決定了在結(jié)構(gòu)設(shè)計中要使用大跨度的預應力混凝土梁結(jié)構(gòu)。其中大廳的預應力梁跨度達到了25m，且設(shè)計荷載較大。
在建筑設(shè)計方案中，大廳采用了剪力墻與上方預應力梁現(xiàn)澆的超靜定結(jié)構(gòu)形式。側(cè)墻長31m,高24m,墻厚500mm。由于附屬設(shè)備中管道布置的要求，在沿墻長方向留有7道500mm寬的豎向間隔縫，將墻體分割成8個薄壁墻肢。前后剪力墻還與其他結(jié)構(gòu)體系相連，以增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在設(shè)計荷載作用下，側(cè)墻的薄壁墻肢承受彎矩很大，處于偏心受壓狀態(tài)。但由于剪力墻的厚度和梁高已定，因此如何滿足預應力梁設(shè)計的抗裂性要求，又能減少剪力墻所承受的彎矩，做到最合理地配置預應力鋼束就成為預應力設(shè)計的關(guān)鍵。

參考文獻
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