張弦梁的結(jié)構(gòu)特點

1、大跨度張弦梁的結(jié)構(gòu)特點提 要：張弦梁結(jié)構(gòu)是近十余年來發(fā)展起來的一種新型大跨結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)由 抗彎剛度較大的剛性構(gòu)件和高強度的拉 索組成，自重較輕，可以跨度很大空間。 本文在簡要介紹張弦梁結(jié)構(gòu)特征、成形過程和研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對需要研究的 課題提出建議。關(guān)鍵詞：張弦梁，施工控制，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，振動 一概述大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)（Beam String Structure ，簡稱BSS是近十余年來快 速發(fā)展和應(yīng)用的一種新型大跨空間結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)由剛度較大的抗彎構(gòu)件（乂稱剛性構(gòu)件，通常為梁、拱或桁架）和高強度的弦（乂稱柔性構(gòu)件，通常為索）以 及連接兩者的撐桿組成；通過對柔性構(gòu)件施加拉力，使相互連接的構(gòu)件成為具

2、有 整體剛度的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。由丁綜合應(yīng)用了剛性構(gòu)件抗彎剛度高和柔性構(gòu)件 抗拉強度高的優(yōu)點，張弦梁結(jié)構(gòu)可以做到結(jié)構(gòu)自重相對較輕，體系的剛度和形狀穩(wěn)定性相對較大，因而可以跨越很大的空間。一般說來，盡管張弦梁的梁、拱和 桁架截面可為空間形狀，但結(jié)構(gòu)的整體仍表現(xiàn)為平面受力結(jié)構(gòu)。同時，張弦梁的 組合亦可構(gòu)成空間受力結(jié)構(gòu)，如 1991年日本建造的天城穹頂就是以張弦梁為基 本受力單元組合成的空間穹頂結(jié)構(gòu)（1）。張弦梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用丁若干實際工程中。二十世紀九十年代，在日本建造了諸如 Green DomeMaebashi, OgasayamaDome Urayasu Municipal Sports Hal

3、l 等十幾座類型各異的以張弦梁為主要受力結(jié)構(gòu)的場館，其中Green DomeMaebashi的平面尺寸達167X 122m （2）。1997年建成的上海浦東國際機場候機樓是我國首次將張弦梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用丁超大跨空間結(jié)構(gòu)中，其最大跨度達 82.6m (3);目前在建的廣州國際會展中心也在屋蓋體系中采用張弦梁結(jié)構(gòu)，其最大跨度達126.5m；擬建的深圳I會展中心，其張弦梁結(jié)構(gòu)跨度也將達124m張弦梁結(jié)構(gòu)在我國的研究和應(yīng)用尚處丁初級階段，本文擬簡單介紹張弦梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特 征、成形過程和若干理論問題的研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上對需要進一步研究的課 題提出建議。二張弦梁的結(jié)構(gòu)特征張弦梁結(jié)構(gòu)的整體剛度貢獻來自抗彎構(gòu)件

4、截面和與拉索構(gòu)成的幾何形體兩個方面，是種介丁剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)之間的半剛性結(jié)構(gòu)(4),這種結(jié)構(gòu)具有以下特征：知n山Mi典瑟 l/Sql2l/3ql£TTl/32ql2承載能力高張弦梁結(jié)構(gòu)中索內(nèi)施加的預(yù)應(yīng)力可以控制剛性構(gòu)件的彎矩大小和分布。例 如，當剛性構(gòu)件為梁時，在梁跨中設(shè)一撐桿，撐桿下端與梁的兩端均與索連接， 如圖2(a)所示。在均布荷載作用下，單純梁內(nèi)彎矩見圖2(b);在索內(nèi)施加預(yù)應(yīng) 力后，通過支座和撐桿，索力將在梁內(nèi)引起負彎矩，如圖 2(c)。當預(yù)應(yīng)力使梁 的跨中彎矩也達到時，張弦梁結(jié)構(gòu)中梁的最大彎矩最終只有單純梁時最大彎矩的 1/4,如圖2(d)。同時，調(diào)整撐桿沿跨度方向的布

5、置，還可以控制梁沿跨度方向 內(nèi)力的變化，使各個截面受力趨于均勻。而且由于剛性構(gòu)件與繃緊的索連在一起， 限制了整體失穩(wěn)，構(gòu)件強度可得到充分利用。使用荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形小張弦梁結(jié)構(gòu)中的剛性構(gòu)件與索形成整體剛度后， 這一空間受力結(jié)構(gòu)的剛度就 遠遠大于單純剛性構(gòu)件的剛度，在同樣的使用荷載作用下，張弦梁結(jié)構(gòu)的變形比 單純剛性構(gòu)件小得多。自平衡功能當剛性構(gòu)件為拱時，將在支座處產(chǎn)生很大的水平推力。索的引入可以平衡側(cè) 向力，從而減少對下部結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的要求， 并使支座受力明確，易于設(shè)計與制 作。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強張弦梁結(jié)構(gòu)在保證充分發(fā)揮索的抗拉性能的同時， 由于引進了具有抗壓和抗 彎能力的剛性構(gòu)件而使體系的剛度和

6、形狀穩(wěn)定性大為增強。同時，若適當調(diào)整索、 撐桿和剛性構(gòu)件的相對位置，可保證張弦梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性 。建筑造型適應(yīng)性強張弦梁結(jié)構(gòu)中剛性構(gòu)件的外形可以根據(jù)建筑功能和美觀要求進行自由選擇， 而結(jié)構(gòu)的受力特性不會受到影響。例如浦東國際機場屋蓋上弦是焊接鋼管組成的 截面，結(jié)構(gòu)外形如振翅欲飛的色昆鵬；廣州國際會展中心屋蓋上弦是空間桁架，結(jié)構(gòu)外形如游曳的魚。張弦梁結(jié)構(gòu)的建筑造型和結(jié)構(gòu)布置能夠完美結(jié)合，使之適用 于各種功能的大跨空間結(jié)構(gòu)。制作、運輸、施工方便與網(wǎng)殼、網(wǎng)架等空間結(jié)構(gòu)相比，張弦梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和節(jié)點的種類、數(shù)量大大 減少，這將極大地方便該類結(jié)構(gòu)的制作、 運輸和施工。此外，通過控制鋼索的張 拉力還可以消除

7、部分施工誤差，提高施工質(zhì)量。三張弦梁結(jié)構(gòu)的成形過程張弦梁結(jié)構(gòu)的成形過程包括張弦梁剛性構(gòu)件的裝配、 索內(nèi)預(yù)拉力的施加和整 體結(jié)構(gòu)的安裝就位等。只有在對索施加一定的預(yù)拉力之后，張弦梁才能成為具有 整體剛度的承重結(jié)構(gòu)，因此索內(nèi)預(yù)拉力的施加是其成形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。（一）張弦梁結(jié)構(gòu)中索內(nèi)預(yù)拉力的施加方法對鋼索施加預(yù)拉力的方法多種多樣，在張弦梁結(jié)構(gòu)中常用的有三種（7）:花籃螺絲調(diào)節(jié)法（圖3a）、張拉鋼索法（圖3b）和支承卸除法（圖3c）。靖構(gòu)自更和堂物更量即除支承(b) 花籃螺絲調(diào)節(jié)法是通過調(diào)節(jié)索在兩個固定點間的長度來施加預(yù)拉力，一般用 丁施加較小預(yù)拉力的張弦梁結(jié)構(gòu)。浦東國際機場候機樓張弦梁結(jié)構(gòu)小比例模型試

8、驗中即采用此法施加預(yù)拉力。張拉鋼索法是通過錨具和千斤頂直接張拉鋼索以施加預(yù)拉力，一般有兩端張 拉和一端張拉兩種方法。兩端張拉可以使預(yù)拉力沿索長的分布相對均勻，適用丁 跨度較大的結(jié)構(gòu)。浦東國際機場候機樓和廣州國際會展中心的張弦梁屋蓋都是采 用兩端張拉來施加預(yù)拉力。支承卸除法是利用結(jié)構(gòu)自重或附加在結(jié)構(gòu)上的配重來施加預(yù)拉力。在結(jié)構(gòu)安 裝后卸除支承，由丁剛性結(jié)構(gòu)的變形，將部分結(jié)構(gòu)自重和配重傳遞給撐桿， 通過 撐桿對索施加拉力。單獨采用支承卸除法來施加預(yù)拉力時必須預(yù)先對剛性構(gòu)件起 拱。（二）索預(yù)拉力的施加方案一般采用張拉鋼索法對大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)施加預(yù)拉力。鋼索可以在張弦梁結(jié) 構(gòu)各構(gòu)件裝配在結(jié)構(gòu)支座處后一

9、次張拉；也可以在臨時支架上進行張拉，張拉完 畢后再提升并滑移至結(jié)構(gòu)支座處。對在臨時支架上張拉的張弦梁結(jié)構(gòu)，可能還有 必要在其安裝到結(jié)構(gòu)支座處后再次張拉，即分批張拉。進行分批張拉的原因有二： 其一，考慮到張弦梁整體剛度形成后的強幾何非線性和屋面荷載尚未施加等因 素，若在臨時支架上將全部預(yù)拉力一次施加上去，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形太大，無法獲得理想的幾何位形；其二，對安裝在支座上的張弦梁結(jié)構(gòu)再次張拉可以調(diào)整幾 何位形方面的施工誤差，提高施工質(zhì)量。索內(nèi)預(yù)拉力的施加方法和方案應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點、張拉機具、錨具特點和吊裝能力等綜合確定，必要時可以采用不同方法的組合方式以施加預(yù)拉力。 四張弦梁結(jié)構(gòu)的若十研究重點雖然大

10、跨張弦梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于諸多實際工程中，但是關(guān)于其理論和試驗的系統(tǒng)研究尚鮮有涉足，并很少出現(xiàn)在可查的文獻中。已有的研究包括：利用商用 或自行編制的考慮幾何非線性的分析程序，考察撐桿數(shù)目、矢跨比、梁弦剛度比、弦的預(yù)拉力和邊界約束條件等參數(shù)對成形后的張弦梁結(jié)構(gòu)性能的影響 (8)-(13);對浦東國際機場候機樓張弦梁屋蓋進行縮尺和足尺模型試驗，比較 全面地分析了張弦梁結(jié)構(gòu)在張拉階段和使用階段的受力性能(13);通過地震振動臺模型試驗，初步分析了張弦梁結(jié)構(gòu)屋蓋系統(tǒng)在地震動下的反應(yīng)特征(14)。以上研究使人們對張弦梁的受力性能有了比較活楚的認識，為張弦梁的設(shè)計和施工提供一定的參考依據(jù)。但是這些研究主要集中

11、在張弦梁結(jié)構(gòu)成形后的參數(shù)分析 或僅針對某一實際結(jié)構(gòu)進行全面分析， 這遠遠滿足不了實際工程的需要。 結(jié)合張 弦梁結(jié)構(gòu)在實際工程中的應(yīng)用，有必要對以下問題進行系統(tǒng)和深入地研究。 一)施工控制問題張弦梁結(jié)構(gòu)作為一種半剛性結(jié)構(gòu)，其整體剛度由剛性構(gòu)件截面尺寸和結(jié)構(gòu)空 間幾何形體兩方面共同組成，且具有整體剛度和幾何形態(tài)與施工過程密切相關(guān)、 結(jié)構(gòu)成形前剛度較弱等特點(15),因而宜將張弦梁結(jié)構(gòu)的施工階段作為一個獨 立的過程進行詳細分析。張弦梁的成形過程涉及到預(yù)拉力確定、 放樣幾何的確定以及施工方案的選擇 三個問題，合理確定這三個參數(shù)才能獲得理想的幾何位形并保證結(jié)構(gòu)在不同荷載 作用下的整體剛度。預(yù)拉力確定索內(nèi)

12、引進預(yù)拉力的目的是形成必要的整體剛度并獲得理想的幾何位形 (16)。最佳預(yù)拉力就是在滿足以上兩個前提下，使剛性結(jié)構(gòu)受力最小 (17)。 國內(nèi)外目前尚未對張弦梁結(jié)構(gòu)的最佳預(yù)拉力提出合理的確定方法， 但對初始預(yù)應(yīng) 力的分布的計算已提出一些切實可行的辦法 (1719)。文獻(17)提出了根 據(jù)預(yù)應(yīng)力向量的最小方差原理、索伸長量最小方差原理和最小勢能原理確定索初 始預(yù)應(yīng)力的方法，但是該方法只考慮在給定幾何和邊界條件下索拉力的計算， 有考慮幾何位形隨預(yù)應(yīng)力變化的特點，只能得到一個近似的預(yù)拉力。一般情況, 索內(nèi)張力為(20):其中Te結(jié)構(gòu)自重引起的拉力T-一為控制結(jié)構(gòu)性能而引進的拉力Ta-一附加荷載引起的

13、拉力T-一結(jié)構(gòu)成形時索的拉力因此就是待確定的索內(nèi)預(yù)拉力。首先，結(jié)構(gòu)整體剛度必須保證：張弦梁形成一個相對獨立的結(jié)構(gòu)， 可以僅 依靠結(jié)構(gòu)支座支承其重量，此時索內(nèi)拉力與結(jié)構(gòu)自重互相平衡，To=Te；索在任何外荷載作用下都不能松弛，即 T > 0 , To；Ta故。對只承受向下荷載作 用的結(jié)構(gòu)，Ta大于0, To；Ta自動滿足；當結(jié)構(gòu)承受向上的荷載作用(如風吸 力)時，Ta < 0 ，則所需的最小預(yù)拉力 To=-Te。因此所需的最小預(yù)拉力為 max(Te' -Ta)。其次，為了獲得理想的幾何形體，必須控制To的最大值。以浦東國際機場候機樓R2張弦梁屋架為例(13),

14、張拉過程中，當張弦梁脫離臨時支架后，每 施加10KN的預(yù)拉力，張弦梁跨中頂部上拱 50mm且上拱速度逐步加快。張弦梁 結(jié)構(gòu)的上拱會帶動支座的相對水平位移，即過多的上拱會影響結(jié)構(gòu)的幾何位形。 張弦梁結(jié)構(gòu)的上拱速率與剛性構(gòu)件相對剛度和剛性構(gòu)件的外形有關(guān)，剛性構(gòu)件的相對剛度越大，曲率半徑越大，上拱速度越小。最后，最佳預(yù)拉力的確定在滿足結(jié)構(gòu)整體剛度和幾何位形的前提下還要考慮 其在使用過程中的性能，盡量減少剛性構(gòu)件在使用荷載作用下的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)的變 形。放樣幾何的確定張弦梁結(jié)構(gòu)在成形過程中經(jīng)歷以下幾種狀態(tài)： 放樣狀態(tài)，此時所有構(gòu)件內(nèi) 力均為0,亦稱零狀態(tài)，這個狀態(tài)對應(yīng)的幾何參數(shù)就是工廠加工制作構(gòu)件的依據(jù)；

15、 位于放樣狀態(tài)和設(shè)計狀態(tài)之間的過渡狀態(tài)，對于在臨時支架上張拉的張弦梁結(jié) 構(gòu)，該狀態(tài)的受力為結(jié)構(gòu)自重和索內(nèi)預(yù)拉力， 其中包括兩種情況，一是張拉完畢， 支承在臨時支架的受力狀態(tài)，一是提升或滑移中的受力狀態(tài)；對在結(jié)構(gòu)支座處裝 配并張拉的張弦梁結(jié)構(gòu)，該狀態(tài)的受力為結(jié)構(gòu)自重和作用在其上的其它結(jié)構(gòu)重 量；設(shè)計狀態(tài)，此時索內(nèi)預(yù)拉力施加完畢，結(jié)構(gòu)受力為結(jié)構(gòu)自重和預(yù)拉力， 該 狀態(tài)就是建筑設(shè)計的依據(jù)，也是結(jié)構(gòu)成形后受力分析的初始條件， 故亦稱初始狀o張弦梁結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)的幾何條件一般是給定的，因此其形狀確定問題表現(xiàn)為 確定結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的預(yù)應(yīng)力分布和放樣狀態(tài)的幾何形狀， 以進行構(gòu)件加工。從放 樣狀態(tài)到設(shè)計狀態(tài)，張弦

16、梁經(jīng)歷的是大位移彈性變形過程， 必須采用非線性方法 進行分析。已有的形狀確定方法主要是關(guān)于索網(wǎng)結(jié)構(gòu)和膜結(jié)構(gòu)的形狀確定，例如力密度法(21)、(22)、動力松弛法(23)(24) 和最小二乘法(25)等，它們解決的 問題是給定邊界幾何或初始預(yù)應(yīng)力分布尋找空間形狀的問題，即設(shè)計狀態(tài)幾何形狀的確定。對于給定設(shè)計狀態(tài)的幾何和預(yù)拉力確定結(jié)構(gòu)的放樣幾何，文獻(26)提出采用逆迭代法確定索梁初始狀態(tài)和放樣狀態(tài)的方法，這種方法包含多次非線 性迭代和多次試算，經(jīng)驗要求較高，耗時較多。因而有必要尋找一種方向性更為 明確的算法，直接從設(shè)計狀態(tài)進行逆分析求放樣幾何，避免過多的迭代和試算。施工方案的選擇施工方案的選擇除

17、了考慮可以采用的設(shè)備之外， 還要考慮結(jié)構(gòu)自身的特點以 及在不同施工狀態(tài)下可能出現(xiàn)的問題。 施工方案選擇主要是確定索內(nèi)預(yù)拉力施加 方法(花籃螺絲調(diào)節(jié)法、張拉鋼索法或支承卸除法)、張拉位置(臨時支架處或 結(jié)構(gòu)支座處)、張拉方案(一次張拉或分批張拉)以及安裝方法(一次吊裝、提 升并滑移到結(jié)構(gòu)支座)。針對于具體的工程項目和施工條件， 每種施工方案各有利弊，應(yīng)權(quán)衡之后再 進行選擇。當采用張拉鋼索法施加預(yù)拉力時， 對剛性構(gòu)件剛度相對較小，而要求 的預(yù)拉力相對較大的張弦梁結(jié)構(gòu)，應(yīng)盡量采用分批張拉。(二)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題張弦梁的穩(wěn)定問題有兩類，一是結(jié)構(gòu)中各結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如上弦桿和撐桿的穩(wěn)定 問題；另一類是張弦梁作為一

18、個整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題。同其他鋼結(jié)構(gòu)桿件一樣， 張弦梁結(jié)構(gòu)的上弦桿和撐桿受壓時亦存在失穩(wěn)問題。文獻(30)對廣州國際會展中心張弦梁結(jié)構(gòu)的上弦桿的穩(wěn)定問題進行了數(shù)值分析，結(jié)果表明在使用荷載作用下，上弦桿不會出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。在結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性方面，首先，在張拉過程中，結(jié)構(gòu)尚未成形，整體剛度 較弱，如果處理不當，可能出現(xiàn)弦桿結(jié)構(gòu)的平面外失穩(wěn)和平面內(nèi)失穩(wěn)。其次，成形后的張弦梁結(jié)構(gòu)可以看做是一類特殊的“桁架”，張弦梁結(jié)構(gòu)的上弦、撐桿和索分別是該“桁架”的上弦、腹桿和下弦，與一般桁架的差別主要在于用高強度 鋼索代替普通桁架的下弦。因此一般桁架中的穩(wěn)定問題也可能在張弦梁結(jié)構(gòu)中出 現(xiàn)(31)。再次，張弦梁結(jié)構(gòu)中由

19、于引入了張緊的預(yù)應(yīng)力索，其結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定與剛性結(jié)構(gòu)有所不同，調(diào)整索、撐桿和剛性構(gòu)件的相對位置，可使張弦梁結(jié)構(gòu)不 發(fā)生整體失穩(wěn)。同時，張弦梁結(jié)構(gòu)的重心位于結(jié)構(gòu)的上部，因此整體結(jié)構(gòu)的傾覆是不可忽視的問題。應(yīng)該指出的是，張弦梁結(jié)構(gòu)中索內(nèi)預(yù)拉力的存在是結(jié)構(gòu)整體 剛度的保證，同索桿、索膜結(jié)構(gòu)一樣，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定首先要求索不能出現(xiàn)松弛 (6)。文獻(30)利用STRAND7.(M廣州國際會展中心屋蓋進行穩(wěn)定分析，得到當 荷載為設(shè)計荷載的22.3倍時，結(jié)構(gòu)最先發(fā)生平面內(nèi)屈曲。文獻(11)在張弦梁 足尺試驗中對張弦梁下弦的跨中和四分點共 4點分別施加3KN面外水平荷載，屋 架平面外水平變形非常微小，而且卸除該荷載后變形也基本恢復(fù)。 這在一定程度 上反映了張弦梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性能，但是這些研究僅局限在某一結(jié)構(gòu)的某一方面的 穩(wěn)定分析，針對張弦梁