預應力張弦結構的特點及應用

洪 斌

預應力張弦結構由于結構新穎、節省材料、造型優美等優點在國內外得到越來越廣泛的應用,本文對張弦結構的種類、受力原理、特點及工程應用進行闡述,并且對張弦結構的連接節點進行介紹。

1 張弦結構的定義

張弦結構主要由柔性的索和剛性的上弦(梁、拱或桁架)組成。對下弦的索施加預應力并錨固在上弦梁的兩端,上下弦之間通過豎向撐桿相連接。典型的平面預應力張弦梁結構。

2 張弦結構的分類

2.1 平面張弦梁結構

平面張弦結構是指構成張弦特征的結構構件(上弦梁、下弦拉索以及豎向撐桿)位于同一平面內,且以平面受力為主要受力特征的張弦結構。當同一屋蓋體系中包含多榀平面張弦梁結構時,各榀張弦梁結構一般平行或既不平行也不相交布置。

2.2 空間張弦梁結構

空間張弦結構是由數榀平面張弦結構雙向或多向交叉布置而成的。由于空間協同工作性能,空間張弦結構較之平面張弦結構在受力性能和經濟性方面更為優越。在大跨度空間結構中有著廣闊的應用前景。

空間張弦結構根據其平面布置情況還可分為雙向張弦結構、多向張弦結構兩種基本形式,如圖1所示。

雙向張弦結構是由平面張弦結構沿兩個方向交叉布置形成的空間受力體系,大多數情況下,兩個方向的張弦梁正交布置。其內力和變形控制效果更為顯著。雙向張弦梁結構可用于矩形、圓形、橢圓形等多種平面形狀的屋蓋結構。

多向張弦結構是將平面張弦結構沿多個方向交叉布置而成的空間受力體系,在受力性能上,其與雙向張弦結構沒有本質的區別,可應用于圓形、多邊形以及其他不規則的平面形狀的屋蓋結構。

3 張弦結構的受力原理

從受力性能上看,由于張弦結構的下弦索成為上弦的彈性支撐,在相同的豎向荷載作用下,相比同跨度的剛性梁或拱,上弦梁的內力將顯著降低,可以減小梁的截面尺寸,降低結構自重,減小用鋼量。對水平跨越結構來講,其跨中彎矩與跨度成平方關系增長,所以在給定荷載的情況下,張弦梁結構的跨越能力將十分強大。同時,由于上弦梁內力的改善,在給定跨度及截面尺寸的情況下,結構的承載力將得到顯著提高。通過對下弦索施加預應力,使上弦梁產生反拱,同時在荷載作用下,預應力筋的內力將會增大,這樣也會抵消結構的部分變形,有效地降低了結構的撓度,使結構的剛度得到提高。

4 張弦結構的特點

1)承載能力高。2)使用荷載作用下變形小。3)自平衡功能。4)結構穩定性強。5)建筑造型適應性強。6)制作、運輸、施工方便。

5 國外的張弦梁工程

5.1 前南斯拉夫的張弦梁工程

張弦結構在前南斯拉夫應用較早,典型的工程如貝爾格萊德新體育館。

1994年興建的貝爾格萊德新體育館可容納20 000人,其屋蓋結構采用了雙向預應力張弦梁結構,平面尺寸達132.7 m×102.7 m。該屋蓋體系是由7榀平面張弦梁結構組成的雙向正交結構體系。

該結構是一種非常經濟合理的結構。該屋頂覆蓋面積約15 000 m2,屋架主梁網架的等效混凝土厚度只有8 cm/m2,預應力鋼筋的重量大約為6.5 kg/m2,非預應力鋼筋的重量小于12 kg/m2。

整個屋蓋采用預制結構。屋蓋主梁一共由43個構件構成,其重量從52 t～96 t不等。構件在體育館的地面上預制,在12個高5.90 m的鋼管腳手架塔上裝配成整體,并在腳手架上施加了第一階段預應力,其值約為設計預應力的60%。之后,把總重約3 200 t的屋架整體網架通過作用于柱頂的液壓千斤頂系統提升20 m至設計高度——主柱頂,支撐在兩個橡膠支座上,橡膠支座置于預制的鋼筋混凝土支撐梁上。

5.2 日本的張弦梁工程

張弦梁結構在日本的應用相當廣泛,例如著名的北九州穴生穹頂。建于1994年的北九州穴生穹頂位于皿倉山附近,該地是日本著名的滑翔運動發源地。該建筑造型設計表現為“滑翔傘降落于綠色叢林”。其屋蓋中部采用張弦梁結構,兩端與柱頂的懸臂折架相連,屋蓋跨度達61.8 m。屋面覆蓋薄膜材料。

該結構設計的重點之一是其抗風設計,一方面在薄膜表面穩定拉索,增加薄膜的剛度,另一方面在柱頭設置抗風穩定索以抵抗風吸力。

6 國內的張弦梁工程

我國大跨度預應力張弦結構自20世紀90年代末開始在工程中應用,目前已建成的代表性工程包括：上海浦東國際機場航站樓屋蓋、廣州國際會議展覽中心屋蓋、哈爾濱國際會議展覽體育中心屋蓋、深圳展覽中心屋蓋、全國農業展覽館中西展廳屋蓋以及奧運國家體育館屋蓋等。

上海浦東國際機場航站樓建成于1999年,是國內最先采用張弦梁結構的工程。該工程的進廳、辦票大廳、商場和登機廊四個單體建筑的屋蓋結構均采用了平面張弦梁結構,其中以辦票大廳的張弦梁跨度為最大,其水平投影跨度達82.6 m。該工程的張弦梁均采用拱梁懸索形平面張弦梁結構,其上弦由1根400 mm×600 mm的矩形鋼管和2根300 mm×300 mm的方形鋼管組成,撐桿采用325 mm的圓鋼管,下弦拉索采用241φ 5平行鋼絲束。

廣州國際會議展覽中心建成于2002年,其屋蓋跨度126.6 m,采用了平面張弦桁架結構,結構上弦采用了倒三角形立體桁架,下弦拉索采用337φ 7高強度低松弛冷拔低碳鋼絲。撐桿采用筍325 mm的圓鋼管(如圖2所示)。

國家體育館建于2006年,為北京2008年奧運會三大主場館之一,其屋蓋首次采用了大跨度雙向張弦桁架結構,兩個方向的跨度分別達114 m和144.5 m。張弦桁架上弦采用倒三角形立體桁架,下弦拉索采用高強度低松弛鍍鋅鋼絲束,短方向采用雙索,截面從 2×109φ 5～ 2×367φ 5 不等,長方向為單索,截面分 253φ 5和367φ 5兩種,撐桿采用φ 219×12的圓鋼管。

除了上述典型工程外,張弦結構由于其良好的力學性能,優美的造型,越來越受到建筑師和業主的青睞,目前在國內應用已相當廣泛。特別在一些中小型跨度屋蓋結構中,使用張弦結構,不僅使得用鋼量大大降低,而且能使結構輕盈、美觀。

如包頭一機展覽館跨度為48 m,縱向長56 m,柱高9.5 m,柱距為7 m,屋面采用上下兩層壓型鋼板、中間鋪保溫玻璃棉的現場復合型輕鋼屋面。業主要求展覽館空曠、開透、具有現代感,采用張弦桁架拱結構,桁架拱選用倒三角形管桁架,用鋼量約為26 kg/m2。

7 張弦結構的節點構造

張弦結構的節點主要包括索與撐桿的連接節點、撐桿與上部結構的連接節點以及錨固端節點。

索與撐桿的連接節點一般由兩個半球構成,上半球與撐桿連接,索安裝完后,安裝下半球,上下半球之間通過螺栓連接,上下半球夾緊與索產生的摩擦力應大于撐桿左右兩邊索的不平衡力。

撐桿與上部結構的連接采用鉸接,節點為單向張弦梁撐桿與上部結構的連接節點,撐桿在平面內能轉動,平面外不能轉動。上下張弦梁應采用球鉸,保證兩個方向都能轉動。

索的錨固可采用叉耳式錨具或穿心螺桿式錨具。叉耳式錨具在結構的下部,索的安裝相對簡單,但張拉比較困難(見圖3);穿心螺桿式錨具的特點正好相反,在結構的后面錨固,安裝相對復雜,但張拉容易操作。

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