复杂建筑结构的预应力优化设计分析

复杂建筑结构的预应力优化设计分析摘要：社会经济的持续发展深化，推动了建筑设计行业的持续发展。建筑体系的结构也在持续的发展过程中得到了持续的优化发展。预应力结构是通过将预应力与钢结构结合起来的新型结构，同时也获得了较好的结构性能和经济性能。预应力钢结构能通过充分利用钢索以及钢拉杆的弹性范围内的高强度，从而提高了建筑构件以及相关建筑结构的承载能力，减少钢结构所产生的形变，由此对钢结构的预应力优化设计具有十分重要的现实意义。通过对建筑结构的预应力设计分析，从而为类似复杂建筑结构的预应力的优化设计提供了可供参考的经验。关键字：复杂建筑结构；预应力；优化设计；分析中图分类号：TU3文献标识码：A文章编号：当前，随着建筑结构的形式以及建筑结构的设计逐渐向着多样化的方向发展，各种大型建筑物，例如大型的剧院、厂房、展览馆、体育馆等等。这些建筑形式的结构日渐复杂，而后张预应力超静定结构在建筑设计当中应用广泛。其有两种配筋的方案，而结构简化方案的计算方式并不有效，而另外的有限元程序计算的工作量非常大。由此，针对预应力优化设计当中的问题，通过分析预应力筋的结构影响，从而提出了预应力筋的优化设计方法，将优化设计的方法与有限元的计算方式结合起来，从而进行了设计变量的有效计算，从而使预应力设计达到了最佳的状态。一、复杂建筑结构的预应力分析1、设计变量预应力超静丁结构的配筋设计应满足施工规范要求中的承载能力极限状态和正常使用状态的要求，并且在施工完成后进行承载能力、变形能力、抗裂能力和施工阶段的预应力分析和验算。在实际工程项目的分析过程中，钢结构的变形主要通过结构的高垮比进行控制，而抗裂性能主要是通过预应力配筋控制。当预应力筋的数量无法满足承载力的要求，则应通过增加非预应力钢筋，从而达到施工设计的预应力要求。由此，建筑结构的预应力的初步设计过程当中，要将结构抗裂性能作为预应力配筋的首要控制条件。建筑结构的预应力结构，一般不能出现裂缝，而其正截面抗裂性能可按照下列公式计算：上述公式中，是设计荷载以及预应力的共同作用下的控制截面抗裂验算边缘的混凝土法向应力；k为:其中a为混凝土拉应力限制系数；为受拉区混凝土塑性影响系数；fik危为受拉区混凝土的抗拉强度标准值。在建筑结构的超静定预应力梁的设计过程当中，常常使用曲线配筋以及曲线和直接结合的配镜方式，而在建筑结构的预应力的初步设计过程中，则将预应力沿力筋认为是固定的，在计算过程中并不考虑预应力的损失。由此，按照等效荷载的计算方式，可将曲线预应力对结构作用等效为调整力系I的作用，将直线预应力对结构的作用等效为调整力系的作用。各广义力可认为是三种广义基本力、M、口乘以系数后的线性叠加。在三种广义基本力作用之下，控制截面的应力调整量分别是：梁端上缘图二调整力系统兔图图三广义基本力2、预应力超静定结构受力分析、后张预应力混凝土的受力有两种形式：调整力系和工作力系。工作力系将对混凝土结构形成破坏，而调整力系则能有效改善工作力系结构下的受力结构，同时通过人为施加的力实现自身内力结构的调整。预应力筋的布束形式以及张拉力形式也将影响预应力对结构的作用效果。由此，预应力筋的曲线几何位置要反复调整。并且，由于梁截面面积的限制，只是梁一端的锚具布置将产生障碍，由此应进行梁下直线预应力筋的布置。如下图所示工作力系作用下的梁体工作力系与调整力系共同作用下的梁体当确定了设计荷载之后，混凝土的工作力系就得到了固定，同时由于结构设计的要求，相关建筑结构的设计参数都限制在了一定的范围之内，从而也使预应力的设计达到了合理的调整力系，最终使各项参数的设计都符合实际施工的要求。二、工程实例分析1、工程概况某市大剧院是该市的一项重大市政工程，大剧院的高度约为50米，面积可达5.2万平方米，是该市的一项标志性建筑，地下有四层，地上有十层，具备综合性、多功能的大厅、左右舞台、主舞台、音乐厅、后台等较多的附属结构。其建筑设计的要求非常严格，整体建筑结构尺寸和结构布置非常复杂，剪力墙、直柱、梁、曲柱、板组成等超静定结构是它所采用的结构体系。在结构设计中，侧墙长32米，高位25米，厚度为600毫米。以便于更好地满足建筑管道的布置要求，宽度为500毫米，沿墙长方向还设有7道竖向间隔缝，墙体由此被分为8个薄壁墙肢。此外，为了能够根据空间布局要求满足大剧院的使用功能，其建筑跨度很大，并且使用了预应力混凝土梁结构。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。同时，为了使得该大剧院结构的稳定性有所增强，在结构设计的上方预应力梁现浇和剪力墙与其它结构体系还与前后剪力墙相连。受到设计载荷的影响，侧墙的薄壁墙肢所要承受的弯矩非常的大，该部位处于受压的偏心状态。由此可见。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，合理的预应力优化设计能够使预应力的钢束能够得到合理的配置，还要能够使得剪力墙所承受的巨大弯矩有所减小。2、预应力优化设计根据该大剧院的大厅预应力结构分析，其优化设计中的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，通过该软件分析结构的各向受力。计算表明，预应力设计被薄壁墙肢上端的弯矩所控制，所以，建筑的三个控制截面分别为梁端截面、薄壁墙肢上端以及梁的跨中截面。三、结束语综上所述，随着我国城市化进程的不断加快，复杂建筑建筑结构越来越多，其预应力优化设计将面临着新的挑战。因为，常规的简化方法并不能有效的对其问题进行解决，必须要通过当今先进的预应力分析方法，并辅以相关软件以及有限元计算对复杂建筑结构的各部位进行预应力优化设计，才能切实地提高复杂建筑预应力的设计效果，才可以为整栋建筑的设计施工创建一个合理的预应力设计的方案来。参考文献：1郭健；孙炳楠；楼文娟.复杂建筑结构的预应力优化设计分析J.土木工程学报.2004(11).2张国军,葛家琪,谷鹏,陈丹,田春雨,陈涛.预应力大悬挑钢结构索-钢转换节点足尺模型试验与设计研究J.建筑结构