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摘要：文章首先对预应力结构的基本概念以及复杂结构的预应力分析过程进行了阐述，然后结合某复杂建筑结构案例展开探讨，对预应力设计的优化思路与流程做出了分析与说明，希望能够为结构稳定性水平的提高提供支持。
关键词：复杂结构 预应力 优化分析
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，各种大型建筑物的结构形式日渐复杂，而后张预应力超静定结构在建筑设计当中应用也更加广泛。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。
1预应力结构概述
构件是组成建筑工程主体结构的最主要部分。在建筑工程设计与施工方案的计划中，不单单需要考虑到混凝土模块自身重量对构件的影响，同时还要考虑到钢筋结构所产生的拉应力对结构构件的影响。因此，在具体施工中，为了确保结构的安全性，工作人员常常会在混凝土结构中预施加一定的压力，通过这种方式，使混凝土构件的使用寿命得到延长，同时促进结构整体稳定性与耐久性水平的提高。而在这一过程中，所施加的预应力构件即本文研究的预应力结构。特别是在结构复杂的建筑物中，预应力的合理设计对优化结构性能意义重大。
2复杂建筑结构的预应力分析
2.1 设计变量
预应力超静定结构的配筋设计应满足规范中的承载能力极限状态和正常使用状态的要求，并且进行承载能力、变形能力、抗裂能力的验算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，预应力结构的变形主要通过结构的跨高比进行控制，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。
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线结合的配筋方式，而在建筑结构预应力的初步设计过程中，则将预应力钢筋认为是固定的，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Ⅱ的作用。各广义力可认为是三种广义基本力N、M、T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：图一梁端上缘
2.2 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，使得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。
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，相关结构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。
3工程概况
某歌舞剧院是某某市地标性建筑，工程建筑面积为5.0万m²，建筑高度为46.2m，地下室层数为4层，地上层数为10层，为了满足建筑功能需求，平面布局涉及到了舞台，音乐厅，后台，以及多功能厅等多个部分，附属结构较多。
由于本建筑物属于公共建筑，因此在结构设计中对结构布置方案以及构件尺寸设计有非常严格的要求。考虑到本建筑结构较为复杂，结构体系中应用了包括剪力墙、梁板、直柱、以及曲柱在内相互组成的多个超静定结构体系。同时，该建筑物各个部分使用功能的实现对结构空间有严格要求。以大厅为例，该分区对空间高度要求较高，预应力梁跨度最大值可达到25.0m，设计荷载水平高。
预应力设计优化流程分析
首先，根据本空间结构特点，引入ANSYS软件建立计算模型，有限元计算中可表明，对于侧墙薄壁墙肢体上端弯矩作用力而言，也对预应力设计产生直接影响。因此，控制截面分别选择为梁体跨中截面部分、梁端截面部分、以及侧墙薄壁墙肢部分。根据梁体结构几何参数以及设计参数的取值情况，同时分析梁体结构在三个控制断面状态下经过优化得到的数据值，即能够得到该模型所对应的约束条件方程。梁体结构在三个控制断面状态下经过优化得到的数据如下表所示（见表1）。
4结语
对于复杂建筑结构来说，在建筑方案与设计功能要求的诸多限制下，对预应力结构的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结构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
[1] 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.2010(12).
[2] 高元田. 探究预应力结构的施工控制[J]. 科技风.2010(19).
[3] JGJ 3—2010，高层建筑混凝土结构技术规程[S].
论文作者:雷霆
论文发表刊物:《基层建设》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/24
标签：预应力论文; 结构论文; 建筑结构论文; 静定论文; 截面论文; 构件论文; 建筑论文; 《基层建设》2017年第17期论文;