关于后张预应力混凝土结构优化设计的几个问题

关于后张预应力混凝土结构优化设计的几个问题【提要】结合UP软件编程实践，本文对后张预应力混凝土结构计算程序中引入优化功能的意义进行了论述，提出了预应力筋与普通钢筋之间的最优搭配关系、优化原点概念及相关影响因素，列出了优化计算程序所应涉及的基本计算内容，并对当前后张预应力混凝土结构设计中的一些观点提出了不同意见。【关键词】后张预应力混凝土结构计算模型优化原点抗裂控制标准Abstract:Inthispaper,bythepracticeofwritingUPprogram,thesignificanceofoptimizedcomputingindesignofprestreesedconcretestructuresisdiscussed.Thereasonablecombinationofbothpost-tensionedtendonsandsteelbarswiththeconceptofoptimizedoriginindesigncalculationisraisedwithcorrelatefactors.Afterspreadingoutthebasiccalculatingcontentsinoptimizeddesignofprestressedstructuresbyspecialprogram,somenewdesignviewpointsareproposed.Keywords:prestressedconcretestructures;computingmodel;optimizedoriginofdesigncalculation;standardofcrackcontrol在结构设计中，与普通钢筋混凝土结构相比，后张预应力混凝土结构（以下简称预应力结构）的设计计算内容较多，计算分析过程更复杂。随着计算机在工程设计上的广泛应用，通过电算完成预应力结构的设计计算已经成为现实。由于预应力结构要求有较高的计算分析精度，较少简化过程，以往通过高估荷载、加大截面、增加配筋以补偿简化计算可能存在负偏差的传统方法，已不再适用于追求高质量结构设计的市场竞争环境。在总结预应力结构计算软件(UP)开发和工程设计计算工作的基础上，本文谈谈涉及预应力结构优化设计的几个问题。一．优化设计计算的意义预应力结构设计的电算与手算过程有明显不同。在使用专业软件进行设计计算时，可以选用更合理但较复杂的分析模型，减小因计算模型简化程度过大可能带来的计算误差（模型优化）。软件可以通过使用数值方法、利用嵌套循环计算、智能化实时修正计算变量、使用规范限值逻辑控制程序运行等技术，获得高精度计算结果（数值优化）。由于专业软件运行速度快，设计者还可以根据计算结果对部分计算条件进行实时选择和调整（设计参数优化）。如果单纯模拟人工写结构计算书的过程编程，保留手算过程中的假定、简化内容，然后上机完成计算过程，则不可能达到此目的。通过计算机完成设计计算优化有如下意义：1．提高预应力结构性能的计算分析精度在优化计算过程中，无需通过假定补充计算条件，以解决可列方程数少于未知变量的困难。例如在计算各项预应力损失时，无需先假定有效预应力σpe，使用数值逼近和循环迭代可快速、准确地使计算过程中使用的σpe与最终计算σpe完全等值。再例如，在计算预应力曲线筋产生的平衡荷载效应时，无需先假定曲线预应力筋为单波，及与边界条件无关。优化过程可精确按曲线筋的实际波形和结构边界约束条件，计算出等效均布荷载，并配合预应力筋面积、矢高或结构截面的自动调整，随时重复该项计算。2．有助于合理选择、调整结构方案对于某一具体工程，可选择的结构方案会有多种，对是否采用预应力结构方案需要经过多方案、多方面的综合比较。对选定的预应力结构方案，也会存在多种可行的布筋、施工方法。由此可想到，对于不同的工程，预应力技术存在不同的适用性，而优化计算有助于从适用性角度对预应力结构的设计、施工方案进行确认和调整。3．准确确定结构造价经过优化计算，使结构设计截面和各类受力配筋能够成为满足计算条件和规范、规程中所有相关条款后的最小值（原点值），为合理、准确地确定结构造价创造了条件。二．计算优化原点在当前的预应力结构设计中，设计人员普遍遵循的原则为：在符合建设方提出的设计条件下，主要计算结果满足有关设计规范要求。至于确定设计结果存在多少准确的富余量，及如何控制富余量，则很少或很难被作为正常设计工作的一部分。在确定采用预应力结构方案后，结构计算中存在一“优化原点”，也即相对最优计算结果，其合理定义如下：在遵守相关规范、规程中的设计和构造条款，满足设计、施工条件要求后，结构设计截面和各类受力配筋为最小值。在水平数轴上，手工计算及没有优化功能软件的计算结果一般均落在优化原点右侧，即设计结果在满足使用和规范要求后存在富余量，与原点的间距（反映在设计荷载余量、多余截面尺寸和钢筋用量等方面）取决于经验和计算调整过程，而设计者一般不可能将这一“间距”量化。这里既有技术因素，也有非技术上的原因。有优化功能软件的计算过程可以从左侧向优化原点逼近，直至达到原点，即设计结果在满足计算条件和规范要求后不存在富余量，或使富余量足够小。在优化计算中，输入条件和参数的合理性会受到个人经验的影响，例如结构分析模型、荷载取值、抗裂控制标准等，使所谓优化原点的位置存在不确定性，但有优化功能的软件可以将这种不确定性降到较低水平，并使其明显低于根据“试凑法”由手工或无优化功能程序完成的计算结果的不确定性水平。三．与优化原点相关的计算内容为确定预应力结构设计计算中的优化原点，优化软件运行过程应自动同步完成以下计算工作：搭数据处理与前锄期计算贫1竭．使用引导工薪具自动生成数粱据文件，对计粮算参数的性质翼和合理性进行景识别；脱2栽．根据输入参押数计算生成所秒需的各项公用栗数据和数组；猪3粱．自动读入各特计算变量的循轰环初始值，判诊断当前计算截斥面在结构上的仙位置；利4品．计算确定各淘验算阶段中结题构各跨内支座粉与跨中截面各锻项预应力损失榨值；涂控制截面抗裂本验算承5感．进行施工阶坑段（张拉预应况力筋前、后）埋荷载效应组合雁，对结构进行央抗裂与变形验傻算，根据计算搞结果确定是否栋对曲线预应力也筋的矢高进行吵减小调整，或径对预应力筋面尖积或结构截面跑高度进行增大究调整，及对相却关变量进行修誓正；刚6遍．进行短期、腰长期荷载效应故组合，对结构慰进行抗裂验算屡，根据计算结杏果确定是否对职预应力筋面积突进行增大调整筹；桃7揪．进行竣工阶太段的恒载（含希预应力）效应绣组合，对结构减进行抗裂验算楼，根据计算结笛果确定是否对隶曲线预应力筋岁的矢高进行减见小调整；计8锡．麻对物T肾形或工形截面朽结构杆件进行羞斜截面抗裂验尸算，根据计算祸结果确定是否腹对截面高度进冷行增大调整，屡对相关变量进崭行修正；炼裂缝宽度与挠侍曲变形验算凡9粮．当设计抗裂认控制标准低于坑规范或规程限朵值时，按三种绍常用普通钢筋忍直径分别验算澡结构支座、跨册中截面的裂缝恼宽度，根据计针算结果确定是奋否对普通钢筋抵面积进行增大命调整，对相关理变量进行修正摩；棍1缸0绳．计算预应力鹅结构在短期、瞎长期荷载效应仙组合下的挠曲卖变形，根据长沿期挠度票计算结果确定负是否对截面高窜度进行增大调用整，对相关变访量进行修正；承载力验算悬1舅1灌．根据输入参越数计算水平荷枝载的各类效应奔，对承载能力钓极限状态下的肚荷载效应进行阻最不利组合；柳1丙2刷．计算梁类构谣件支座截面的拖抗剪承载力，株根据计算结果即确定是否对箍渗筋、截面高度杂进行增大调整苹，对相关变量陕进行修正；洋1乖3宋．计算板类构板件支座截面的柔抗剪承载力，焰根据计算结果阶确定是否对截贡面高度进行增惠大调整，对相恼关变量进行修明正；缸1扬4慈．计算板柱结宋构的楼板抗冲催切承载力，根阔据计算结果确功定是否对抗冲见切配筋、平托绢板截面高度进玩行增大调整，风对相关变量进秒行修正；妹1巨5萌．计算结构支肢座和跨中截面民的受弯承载力插，根据计算结婶果确定是否对记相应截面的普樱通受力钢筋进士行增大调整，勉对相关变量进谊行修正；诱1躬6绍．在结构支座托、跨中截面处割，用与组合弯腥矩等值的部分板受弯承载力换顿算出对应受力宰配筋量，再根戒据这些配筋量律计算截面等效团矩形相对受压回区高度，并校罚核其是否超限塔；相关其它计算锣1异7啄．根据最后确圣定的预应力配风筋、相关变量杜和参数，按照绝弯矩等效原则棒，计算等效均浓布最优平衡荷己载及其相对值财；誓1傻8叉．计算结构的赌张拉反拱值、岁弹性压缩值、兵预应力筋张拉帝伸长值、各类挨配筋重量等参某数；号19采．根据输入参排数，计算确定遭预应力筋的曲除线坐标值。网四．影响优化洪原点位置的几杨个因素锡1展．内力计算模辜型析计算分析模型满对结构内力有辆较明显影响。拨为最大限度地爽提高计算分析丢精度，应优先林选择基于杆单析元的程序计算瓣框架结构，用圈基于板单元的诱程序计算板类兰楼盖，用基于内壳单元的程序粗计算筒面、球且面等曲面壳，石以减少计算模兄型的近似性。续通过使用最接徒近结构实际状樱况的有限元离挑散化模型和相秆关计算分析程符序，可以保证尽结构的前期计临算分析精度。璃当利用结构对编称性分区（块甩）计算时，应亮注意使分区边扰界的节点约束钢条件尽可能符亭合实际条件。败2表．设计荷载取贝值决除按照规范标折准值确定设计散荷载外，设计燕上常常以标准董值为基点，根高据工程具体情仁况和经验对设石计荷载作增大查调整，使计算帆结果向右偏离拆优化原点，其绩偏离量应受到凑控制。当因改显变使用条件或问设计漏算荷载导项，使实际作菊用荷载大于设费计荷载，并低韵于规范相应标局准值时，计算华结果则向左偏丈离优化原点，图这种情况应避箭免出现。但在结构计算中浆，当根据工程泡实际确定设计止荷载并将其作储为标准荷载使复用时，则可排贞除荷载取值偏抚差对计算结果检偏离优化原点绳的影响。甘3您．抗裂控制标蛛准僻在现行设计规滑范、规程中，尾预应力结构的伍抗裂控制标准拣主要指短期、浅长期混凝土拉伯应力限制系发数把α种cts哨和传α胁ctl线，这两个系数阀应被视为结构信抗裂设计的质匆量标准或结构末抗裂设计的安屿全度标准，且欣对结构预应力收配筋量有一定泡影响。掀当钱α郑cts鲁和吸α州ctl店均在规范、规恼程的限定范围闹内时应属标准社参数，并可不猾考虑调里整刘α的cts店和唤α楼ctl筑对计算结果偏奖离优化原点的摇影响。否则，院应计入其对计尘算结果偏离优持化原点的影响遭。成在预应力结构悄配筋计算中，当当柿α渣cts哀和旷α捎ctl透对预应力配筋感不起控制作用印时，则表明由千于其它参数不率合理，计算结攀果已向右侧偏呜离优化原点。逃4遗．近似计算方朗法拌在结构计算中府常采用多种简抄化方法，其中糕有些方法可能泄使计算结果偏浩离优化原点。疤例如：在将楼兽板（屋盖）自执重及面上作用查的均布荷载转申换为框架梁上少的线均布荷载喜时，只考虑几资何因素而不考光虑边界条件的蓄影响（见常用碧的结构计算程准序自动导荷载亏方法）；再例户如：通过对单泼跨小试件进行念试验研究，将撞获得的数据进挤行统计得到经骗验公式，然后努将其延用于分吴析连续复杂的逃实际结构。当渐这些近似方法稳属于规范、规冷程方法时，可环不考虑近似性缠对计算结果偏梢离优化原点的调影响。否则，摇应计入其对计惜算结果偏离优携化原点的影响意。饥五．关于电算爪过程的智能化爽预应力结构设牺计计算的优化迷质量与专业软条件计算过程的粘智能化程度密痛切相关，其中黄涉及计算智能格化的主要内容森如下：体1须．根据计算结添果自动完成对岗主要计算变量谎的多选择调整崇；暗2稳．自动控制程犬序的运行过程圈，直至输出最愈优或相对最优趟结果；溜3夏．优化计算过蹈程能够充分、工合理地考虑构帽造要求、工艺脾条件和经济指极标；切4抛．在满足规范乌、规程要求条投件下，通过设踩定计算过程优牧先级、调整计丑算变量等措施眉，自动协调解杆决计算结果之输间的矛盾；采5弦．对复杂、特助殊情况，计算知程序仍具有良沫好的适用性。拜六．当前设计刮中存在的一些深问题吃预应力筋与普吃通钢筋的合理董搭配摊预应力筋的首脖要作用是满足麦结构抗裂要求弟，其次才是对逼提高结构承载签力的贡献。普梯通受力钢筋的件首要作用是与皆预应力筋共同断保证结构承载拿力满足要求，掀其次才是有利谋于改善结构其猴它性能。在预像应力结构中，维两类钢筋合理退搭配的基本原芽则是，预应力刑筋与普通钢筋君均能充分发挥掏首要作用，且幸各自用量最小中。蹦目前，许多预峰应力结构中的陷两类配筋在设根计中被分别计模算确定，即首授先仅用普通钢倚筋配筋满足结授构极限承载力酒要求，然后再进用预应力配筋范提高结构的抗忧裂性。该方法剧不考虑预应力猛筋对结构受弯吵承载力的贡献绪，也不考虑普碰通受力钢筋对殿预应力效应的渡不利影响，导密致结构配筋总括量明显增大，戒结构极限承载急力富余过多，驼并可能使构造北发生困难，从魂而可能误使人巷们认为预应力排结构是一种高宾含钢量、高造劲价的结构。酷本文认为正确透确定两类配筋户的方法如下：脊首先在保证普熄通受力钢筋满证足规范和规程统的下限要求后嫌，根据规范和盟规程的抗裂控步制标准计算确袄定预应力配筋纹，然后按规范胡和规程要求用培预应力配筋和爽实配普通钢筋葬确定结构的受型弯承载力。当病不满足要求时质，增配普通钢竖筋并同时考虑纱其对预应力配察筋的不利影响榆。葡当结构的抗裂混控制标准低于拴规范或规程要讨求，且最大裂慈缝宽度计算嗓值峰w餐max题超过限值时，税如果控制截面老的相对受压区缸高奏度迷ξ策未超限，可以获仅增加普通受折力钢筋以减碧小绪w矩max熄；如趁果未ξ膨超过限值，则涨需要增加结构烧截面尺寸或采享取其它措施。望2穷．抗裂控制标虏准雅GBJ10英-8弃9察规范天和收JGJ/T株92-9糠3拖规程分别给出活了有粘结与无费粘结预应力混宿凝土结构的抗哀裂控制标准，奉见剖GBJ10兰-8装9筛规范第链5朽.径1以.宵1拨条炕和梦JGJ/T尽92-9绸3勺规程版第宴3假.1.1释条，这些标准暮可认为是规范无和规程对预应串力结构抗裂性熄能的基本要求懂。伐GBJ10股-8齿9见规范有如下补弯充说明堤：肠“择对裂缝控制有凶特殊要求的构砌件，表屑3嚷.3.4交规定的数值应井适当减小；当勾有可靠的工程芒经验时，对预肌应力混凝土构古件的抗裂要求盲可适当放宽崖。钻”温（尖表舞3钩.3.4声为裂缝控制等净级教﹑棍混凝土拉应力敬限制系数及最种大裂缝宽度允关许值），也即泳允许设计者根抚据工程实际情缩况对抗裂控制封标准作加严或砖放宽调整，但堤对可适当调整称的范围未作限租定。袍按照上述精神损，沟JGJ/T御92-93练规程指出宗：迫“育当有可靠的工程程经验时，对正按锈二级裂缝控制壮的无粘结预应陪力混凝土梁，敢其抗裂设计要损求可适当放宽茧。唯”脏，怜“标对按二级裂缝毫控制的无粘结匹预应力混凝土急梁，若将抗裂怖设计要求进一牙步放宽，应有蜡可靠的工程经肿验，是指经工柜程检验在荷载虑短期效应组合语作用下，构件批受拉边缘混凝叶土不会出现裂欲缝，能满足承甚载力和延性要践求，并与经济外性取得较好统唯一咐。础”脊也即允许设计惊者根据工程实裁际情况对抗裂但控制标准作放英宽调整，但对塞放宽调整的范细围未作限定。着考虑到多方面轧的原因，目前扭许多设计者按摸照允许出现可存见裂缝的标准凯设计预应力结赛构，并同时增地配普通受力钢坏筋以减小裂缝选宽度，这是根薪据个人经验放靠宽规范、规程阳对预应力结构廊抗裂上限控制吊标准的作法。卵当出现这种结既果时，结构抗欺裂性能设计结化果所依据的便叛不再是规范、体规程标准，而涛是设计者的工箱程经验。本文志认为，对放宽补规范、规程的长抗裂控制标准芦应采取慎重态惩度，不应将放牲宽抗裂控制标闸准后预应力结辰构上出现的超干过预期宽度的己裂缝（其宽度城往往与计算或薄经验结果不符娇）归结为规范安、规程允许的啊结果，或辩解党为其它原因。珍3谜．有粘结与无垒粘结预应力工及艺的差别舰许多设计者认月为，无粘结预尤应力结构的耐爷久性、可靠性览低于有粘结预讽应力结构，并电因此作出无粘鸣结预应力工艺恶只适用于板、邮有粘结预应力现工艺才适用于惹梁的结论。粗无粘结与有粘腿结预应力结构印的施工工艺、化计算方法、计开价项目不同，敬是在无法使用遣有粘结工艺的惰板类结构中发网展起来的，但溪这不能成为无墨粘结工艺不适搅用于梁的原因枕，也不能作出泛板的设计耐久遵性、预应力工男艺可靠性标准誓可以低于梁的舅结论。大量工露程实践和试验括研究表明，在障正常设计、正碑常施工、正常错使用条件下，制有粘结与无粘宇结预应力梁的淡性能差别很小巨，在结构耐久心性、可靠性方助面也不存在明辰显差别。本文油认为梁内可以歌配无粘结预应斗力筋，理由如脾下：牧⑴横无粘结预应力逗结构与有粘结萝预应力结构使悉用统一的锚具皇性能和质量验堤收标准。无粘鬼结预应力筋的调应力变化幅度忍很低，不致引践起锚具疲劳损纷坏；顿⑵场无粘结预应力糟筋的耐久性主肠要依靠专用防同锈油脂涂层和悉高密度聚乙烯岗塑料套管，其产防腐、隔离性河能优于有粘结叼预应力筋外包胜的灌浆层和金靠属波纹管（灌冶浆层内常含有峡气泡空腔且厚松度不均，金属叮波纹管为非密森封管材）。当体结构允许存在桥裂缝时，无粘设结预应力筋的疲耐久性标准将南高于有粘结预符应力筋；殃⑶蚂无粘结与有粘泥结预应力锚具抢的封闭埋置质营量标准无技术料差别；钓⑷俘根据剖开试件翻观察，由于有蓄粘结预应力筋唇外包灌浆层的爬厚度不均，平捧均厚度过小，政较大收