某工程50m跨張弦梁屋面結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

廖 振 程 鵬

（江蘇美城建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司南京分公司 南京 210000）

前言

張弦梁結(jié)構(gòu)（簡稱BSS，Beam String Structure）主要由剛性梁、柔性下弦及撐桿構(gòu)成，屬于預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)。它將大跨體系中的拱（梁）、桁架結(jié)構(gòu)和應(yīng)用日益廣泛的懸索結(jié)構(gòu)結(jié)合起來．形成了一種受力合理、施工方便的新型空間結(jié)構(gòu)形式。張弦梁結(jié)構(gòu)是由上弦剛性梁、撐桿以及下弦柔性索組成的自平衡受力體系。其合理地將各種構(gòu)件（抗拉、抗壓、抗壓彎）組合在一起。充分發(fā)揮了其各自的材力學(xué)性能，減輕了支撐結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)。

1 工程概況

本工程為南京某企業(yè)實(shí)驗(yàn)研發(fā)樓的造型張弦梁屋面，張弦梁屋面跨度為50m，寬度為13.8m。造型屋面連接兩棟高度相同的多層實(shí)驗(yàn)樓，位于實(shí)驗(yàn)樓四層屋面上方（標(biāo)高22.500）。為滿足屋頂鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)的造型要求，結(jié)構(gòu)采用東西方向（跨度50m）的張弦梁結(jié)構(gòu)。基本風(fēng)壓按50年一遇取值，取0.40kN/m2，地面粗糙度為B類。

整體結(jié)構(gòu)布置如圖1所示，剖面布置詳見圖2所示。張弦梁尺寸為4.3m×50m，未達(dá)到造型要求其中南北向的上弦桿外挑4.5～5m，保證屋面造型尺寸與實(shí)驗(yàn)樓頂部造型尺寸相同。上弦主鋼梁采用工字型HN600mm×300mm×14mm×23mm，次鋼梁采用工字型HN600mm×200mm×12mm×20mm，水平斜撐采用工字型HN400mm×200mm×7mm×11mm；中間設(shè)置4對撐桿，采用鋼管φ130mm×8mm；下弦采用高強(qiáng)鋼索，直徑分為兩種，主索采用φ80mm，主索在撐桿末端。

圖1 張弦梁平面布置圖

圖2 張弦梁剖面布置圖

2 結(jié)構(gòu)分析

2.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型采用有限元軟件SAP2000 V14版本進(jìn)行分析，上弦剛性梁采用梁單元模擬，中間撐桿采用兩端鉸接的桿單元模擬，下弦拉索采用只受拉的索單元模擬。張弦梁兩端支座采用一端鉸接一端滑動。

為滿足屋頂鋼結(jié)構(gòu)連續(xù)的造型要求，結(jié)構(gòu)采用東西方向（跨度50m）的張弦梁結(jié)構(gòu)。工程抗震烈度Ⅶ度，地震分組為第一組。場地類別為Ⅱ類，抗震等級為框架三級。基本風(fēng)壓按50年一遇取值，取0.40kN/m2，地面粗糙度為B類。

2.2 計(jì)算分析

根據(jù)施工工藝，拉索張拉和上弦桿焊接均在地下完成，首次張拉完成后，張弦梁已形成自平衡體系。裝飾檁條和吊掛飾面也會在地面同步安裝完成。這時因?yàn)榈鯍旌奢d和裝飾面板荷載而產(chǎn)生的附加恒載對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了二次撓度，這時需進(jìn)行第二次張拉，此時張拉力計(jì)算應(yīng)控制荷載工況1.0自重+1.0恒荷載+拉索張拉力下的變形。根據(jù)整體變形控制計(jì)算得出，二次張拉力LS2越為1000kN的預(yù)拉力。

圖3 張弦梁變形云圖

在地面進(jìn)行焊接和張拉后再進(jìn)行整體提升并對支座節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。此時，需進(jìn)行對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的復(fù)核，此時張弦梁所對應(yīng)的荷載組合為1.2自重+1.2恒荷載+1.4活荷載+拉索張拉力。此時上弦桿最大應(yīng)力為40MPa，拉索張拉力為1050kN，均小于材料屈服強(qiáng)度。上弦桿最大位移為57mm，約為1/842滿足規(guī)范要求的撓度限值。

2.3 支座節(jié)點(diǎn)

本工程張弦梁造型屋面連接了兩棟建筑，故設(shè)計(jì)需采用一端采用滑動支座。一端采用鉸接支座的柔性連接方式。張弦梁索內(nèi)力與上弦拱梁內(nèi)應(yīng)力共同作用，構(gòu)成一個自平衡的結(jié)構(gòu)體系。

為保證工程的實(shí)際受力情況與計(jì)算分析模型一致，張弦梁支座的設(shè)計(jì)在整個張弦梁的設(shè)計(jì)中顯得尤為重要。本工程在其中一端設(shè)計(jì)滑動支座時采取了連接端板開長孔并用銷連接的方式，支座沿張弦梁軸線方向的移動值依據(jù)為結(jié)構(gòu)在最不利荷載作用下的最大支座位移值（兩棟建筑累加），設(shè)計(jì)支座允許的最大位移量為200mm。

圖4 滑動支座現(xiàn)場安裝圖

圖5 撐桿與拉索現(xiàn)場安裝圖

本設(shè)計(jì)中，撐桿與索的連接處采用了夾板固定索的方式，該節(jié)點(diǎn)既能保證索與撐桿間的連接與模型基本一致，而且施工時還可以微調(diào)撐桿．使其豎直。撐桿和上弦桿件的節(jié)點(diǎn)通過銷連接設(shè)計(jì)成平面內(nèi)可以轉(zhuǎn)動。

3 結(jié)語

本文結(jié)合南京某工程50m跨張弦梁造型屋面工程，詳細(xì)介紹了張弦梁結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)、計(jì)算模型假定、結(jié)構(gòu)平面布置、桿件連接及支座連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，得出了一些設(shè)計(jì)心得體會。

（1）由于張弦梁是一個自平衡體系，拉索張拉力控制主要考慮的荷載工況是張弦梁的自重工況以及相關(guān)吊掛荷載為主的恒荷載工況。

（2）張弦梁結(jié)構(gòu)是一種風(fēng)荷載敏感結(jié)構(gòu)，對于采用輕質(zhì)屋面體系的張弦梁結(jié)構(gòu)，在屋面風(fēng)吸力的作用下可能會出現(xiàn)下弦拉索受壓退出工作的情況，故設(shè)計(jì)分析時需注意風(fēng)荷載的影響。