大跨度張弦梁結構特點及施工方案對比

常海霞

（身份證號：1321291974****2843）

一、張弦梁結構特點

（一）張弦梁結構定義

大跨度張弦梁結構（Beam String Structure）是近年來發展起來并廣泛應用的一種新型大跨空間結構體系，該體系是在上世紀80年代由日本Nihon大學的Masao Sitoh教授首先提出。張弦梁結構是用撐桿連接抗彎受壓構件和抗拉構件, 并通過在抗拉構件上施加預拉力以減輕壓彎構件負擔而形成的自平衡體系，一般抗彎構件又稱剛性構件，通常為梁、拱或桁架，抗拉構件弦又稱柔性構件，通常為索。由于抗彎構件利用施加在抗拉構件上的預應力使其產生反撓度，使結構在荷載作用下的最終撓度得以減少；撐桿對抗彎構件提供支撐，改善了其受力性能；抗拉構件承受了抗彎構件的水平推力，減輕了其對支座的負擔，并減少了滑動支座的水平位移，所以這種構件受力簡潔明確，能充分發揮材料受力特長的新型結構可以得到廣泛的應用。同時其多種組合結構亦稱空間受力結構也為建筑師樂于采用。

（二）張弦梁結構特征

張弦梁結構的整體剛度來自抗彎構件截面和與拉索構成的幾何形體兩個方面，是種介于剛性結構和柔性結構之間的半剛性結構。其能在諸多大跨度空間結構中得到快速發展和廣泛應用，主要由于其有如下優點：

（三）承載能力強

張弦梁結構中的抗拉構件提高了結構的整體剛度，在同樣荷載的作用下，張弦梁結構的變形遠小于單純剛性構件。此外，由于預應力抗拉構件對撐桿提供支撐，使其對上弦構件提供彈性支撐，進而使其產生與荷載方向相反的彎矩，進而減小上弦構件彎矩，增強了結構穩定承載力。同時，調整撐桿方向，還能使上弦構件各個截面受力更加均勻。

（四）適用跨度大

同普通的平面桁架相比，張弦梁結構的下弦采用高強度拉索，取消了較長的斜腹桿。當跨度增加時，結構的跨中厚度可以相應地提高來保證必要的整體剛度。而跨度增加造成的下弦內力的增加又通過高強度拉索來承擔。同時由于不存在斜腹桿，豎腹桿的受力較小，其間距也較普通平面桁架大。以上特點使得張弦梁結構具有跨越較大空間的能力。

（五）建筑造型適應性強

張弦梁結構中的上弦剛性構件的外形可以根據建筑功能和美觀的要求自由的選擇，而結構的受力特性不會受到影響。

（六）受力合理

通常張弦梁結構為平面受力體系，或為平面受力單位組合而成的空間受力體系，其有很大的截面高度，從而具有很大的豎向剛度，而且其截面高度變化形式與彎矩變化形式一致，所以其受力比較合理。此外由于沒有斜腹桿，所以其結構形式簡潔，力流傳遞明確。

二、張弦梁結構施工方法

目前，國內對施工控制的研究主要集中在橋梁方面[5]，關于張弦梁結構的施工控制研究還不夠成熟，隨著對近些年建造的大跨度張弦梁結構工程（如：03年的哈爾濱國際會議展覽體育中心、05年的全國農業展館、06年的國家體育館等）的理論分析和實驗研究，在位形控制和穩定性分析等方面取得了一定成果，但對張弦梁結構的施工方法缺乏總結，特別是在下弦鋼索張拉力的優化、預應力張拉控制以及施工全過程跟蹤模擬等方面的研究還不夠全面，使得張弦梁結構的施工控制理論落后于工程實踐。

三、張弦梁的施工主要包括以下兩個部分：

張弦梁結構施工時可根據張弦梁的結構形式和場地大小選擇以下兩種方式進行拼裝和張拉：

（一）單步張拉法：當張弦梁跨度較小，屋面荷載也不大，可根據計算結果采用單步張拉法。所謂單步張拉法，即拉索的預張量考慮了梁自重以及之后施加在屋面檀條、支撐系統和屋面板等荷載的作用，在地面拼裝并一次張拉到位然后再整體吊裝的方法。單步張拉法的特點是：施工方便、需要場地大、對吊裝設備要求高、吊裝施工難度較大，施工效率不高。

（二）分級張拉法：當張弦梁跨度較大，屋面荷載也較大，可根據計算結果先在地面張拉一次，再吊裝就位然后再分級張拉。所謂分級張拉法，即拉索的預張量只考慮了張弦梁自重和屋面荷載的作用，等屋面結構安裝完成后再進一步張拉的方法。分級張拉法中張拉方式按空間位置又可分為胎架張拉和吊起張拉。

四、面外彈性屈曲分析

采用有限元方法，在僅考慮重力荷載的作用下，對張弦桁架張拉過程中平面外穩定性進行彈性屈曲分析。由于彈性屈曲分析的屈曲荷載系數對重力和索力都進行了縮放，需要迭代拉索預張力大小，使屈曲荷載系數為1，以確保重力大小不變。

計算結果表明，張弦桁架的第一階彈性屈曲模態為整體平面外單波失穩，桁架與拉索發生了相反方向的側移。將第一階彈性屈曲對應的索拉力9275.7KN與施工張拉索力進行比較來決定是否要設置面外支撐。

五、對比分析兩種張拉方法的計算結果，可以得出以下結論：

（一）計算結果雖表明張弦桁架在張拉過程中不需要側向臨時支撐，但實際是檀條的安裝給張弦桁架提供了足夠的面外支撐，使結構在張拉過程中不致失穩。

（二）桁架在單步張拉和分級張拉中的最大起拱量分別為207.9mm和124.8mm。且前者發生在拉索張拉之后，約占跨度的1/625；后者發生在拉索第二次張拉之后，約占跨度的1/1042。可見，分級張拉有效的減小了桁架的最大起拱量。

（三）可以發現滑動支座在桁架張拉過程中有明顯水平位移，且單步張拉法的最大滑動量大于分級張拉法。

六、結束語

張弦梁結構作為大跨度結構領域一種將剛性構件和柔性構件結合到一起的新型結構形式，自上世紀90年代后期便在我國實際工程中得到了應用。而其制作、運輸及施工方便，經濟效率又高，這種值得推廣和研究的新型結構一定會得到更加廣泛的應用。因此，使其施工控制理論與工程實踐同步發展是非常必要的。