張弦梁結構受力性能的分析

【摘? 要】張弦梁結構由于其優良的結構性能和美觀的外形，自80年代首次出現以來，在大跨度公共建筑中得到了廣泛的應用。我國已建成大量跨度超過80 m 的張弦梁結構。本文綜述了張弦梁結構及其應用的研究進展。介紹了逆迭代法，主要用于找形，以及其他一些改進方法。對于預應力工藝，介紹了最典型的試驗研究，包括全尺寸試驗和下尺寸正交試驗，并提出了抗連續倒塌的楚格設計。此外，還詳細介紹了張弦梁結構在我國的最新應用情況。

【關鍵詞】 張弦梁結構;受力性能;結構分析

1.張弦梁結構概述

張弦梁結構（BSS）有三個組成部分 ： 具有一定抗壓抗彎剛度的剛性構件，通常為梁、拱或桁架（本文統稱為上弦） ; 具有高抗拉強度的柔性構件，通常為鋼索; 連接上弦和拉索的軸向壓桿。張弦梁結構以其跨度大、重量輕、穩定性好、外形美觀等優點，近10年來作為一種新型的大跨度預應力空間結構形式，在世界范圍內引起了廣泛關注，并得到了迅速發展。

張弦梁結構最初由桁架發展而來。上弦。將桁架的下弦桿和腹桿分別改為梁（桁架或拱）、預應力索和支桿，形成自平衡結構。這樣的變化有三個好處。首先，鋼絲繩在預應力過程中產生了向上的變形，從而大大減小了整個結構在外荷載作用下的垂直變形。其次，支柱為上弦提供一定數量的彈性垂直支撐，從而減小上弦的最大彎矩，提高穩定性。第三，張弦梁結構是一種自平衡結構，它大大降低了對支座水平約束的要求，特別是當上弦為拱形時。

鋼索預應力過程中張弦梁的結構形式發生了變化，因此，在設計階段區分預應力前張弦梁的初始配筋和預應力后張弦梁的初始配筋是至關重要的。與此同時。在預應力過程中應注意，因為整個結構的剛度很低，直到索是完全預應力后，索作為一個完全彈性桿工作，整個結構作為一個剛性結構類似于桁架。但是。由于鋼纜的力學性能不同于傳統的剛性結構構件。張弦梁的靜力穩定性是不同的，當張弦梁在地震期間處于循環荷載下時，可能會出現應力松弛問題。此外，由于張弦梁結構冗余度較低，應考慮抗連續倒塌性能.

2.預應力過程中的結構性能分析

張弦梁在預應力過程中的力學性能需要仔細分析，原因有二：

首先，張弦梁作為一種混合結構，其整體剛度不僅取決于上弦的空間拓撲結構和截面尺寸，而且取決于索中預應力的幾何剛度，這與預應力過程密切相關。此外，預應力過程中的承載能力和整體剛度都很低，因此應該設計和使用臨時支撐。

1997年，我國首次建成了跨度為82.6 m 的超大跨度張弦梁結構，成為世界上跨度最大的張弦梁結構上海浦東國際機場。然而，張弦梁在預應力過程中的行為在當時并沒有得到充分的理解。

在單根張弦梁上進行了全尺寸預應力試驗，上弦由三根平行的短鋼管連接的矩形管組成，下弦由241股高強度鋼絲制成。16根支柱均為長度不等的管段，支柱與上弦桿的連接采用平面內鉸接和平面外半剛性鉸接。在支柱的底部固定了一個鋼球，上面有一個孔，可以讓電纜通過。所用鋼材為 Q345級，符合國家標準 GB/T1591-2008。試件的左右兩端分別為滾軸承和銷軸支承。彎曲的上弦首先由兩端之間的五對臨時網架支撐，因為它沒有獲得整體剛度。然后對索進行10步預應力，直到預應力達到620kn。得到了預期的結果，包括位移（垂直和水平）、拉索的拉伸變形和所有構件的軸力。還檢測了臨時支承和滾筒支承的水平移動。

從實驗結果可以看出：

（1）張弦梁的預應力過程可以分為兩個階段： 第一階段是指張弦梁預應力不足以承擔整個結構的自重，使張弦梁仍然在臨時支座上支承; 第二階段是張弦梁上弦桿與臨時支座分離，預應力達到臨界值，張弦梁整體剛度達到臨界值。第一階段，只要滿足張弦梁和臨時支座的強度、剛度和穩定性要求，臨時支座的數量和位置對預應力過程影響不大。在第二階段，張弦梁的結構對預應力過程有較高的敏感性。有兩個明顯的標志來區分這兩個階段。一種情況發生在施加于索的預應力達到約等于張弦梁自重的時候; 另一種情況發生在豎向撓度突然增加時，這可以被確定為預應力-豎向位移曲線的轉折點。

（2）在預應力過程中，特別是在獲得總剛度后，由于托輥支承處的摩擦損失，拉索的實測拉力比預應力約低5% 。

為了系統地研究張弦梁在預應力作用下的結構性能，在張弦梁試件上進行了一系列預應力試驗。基于正交試驗理論設計了一個試驗方案，以減少參數研究所使用的模型數量;

正交試驗由 L8（27）組成8個單張張弦梁試件，編號為 BSS-A 至 BSS-H。研究了梁索剛度比 α、上跨比 κ、支柱數目以及臨時支座數目對結構性能的影響。為了研究構建順序對構建過程的影響，設計了一對構建順序為 BSS-I 和 BSS-J 的構件。BSS-I 和 BSS-J 都由兩個相同的預應力支撐組成，但 BSS-I 中兩個預應力支撐之間的支撐是在預應力之前組裝的，而 BSS-J 的預應力是在支撐組裝之前進行的。為了研究結構在預應力作用下的大變形行為，對試件施加預應力直至結構跨中位移達到跨中位移的1/60。

為了證明實際結構中上弦在預應力之前無法承受自身重量，使用鋼塊施加了上弦自重的兩倍左右（平衡重，見表1）。預應力施加分為兩個階段，即上弦弓形前（上弦仍由臨時支承支承）和上弦弓形后（上弦完全偏離臨時支承）。在第一階段，每增加一個荷載，預應力增加600N，當上弦即將偏離臨時支座時，預應力減小到200N 左右。上弦成弧形后，每次加載時預應力增加到300N，直至達到目標位移。測試結果包括垂直位移和水平位移，以及拉索、上弦桿和支座中的桿件力。

基于自編程序“ PABSS”14，對張弦梁的預應力過程進行了數值參數化研究。通過試驗和分析，總結出以下重要結論： （1）索的預應力引起索的結構形態變化，主要表現在三個方面： 水平跨度減小、上弦上升和桿件傾斜，以及它們對最終結構形態的影響。（2）張弦梁在臨界預應力達到結構重量約0.125/κ時達到整體剛度。（3）上跨比 κ 和施工順序對臨界預應力和結構剛度有顯著影響，而支柱數目對臨界預應力和結構剛度的影響較小;梁弦剛度比和臨時支座數對臨界預應力的影響較小，但對結構剛度的影響較大。

在這種方法中，上弦桿、支桿和索被分解為分段梁單元、梁單元和分段非壓縮連桿單元。因此，可以對單根張弦梁在預應力作用下進行彈性屈曲分析，以確定平面外屈曲的臨界預應力及其相關因素，如上弦升高、索的垂度、總跨度等。在實際的預應力過程中應采取預防措施，如面外臨時支座，盡管計算結果表明這是不必要的。對于空間張拉索，預應力過程中應考慮不同梁串之間的相互作用，這應包括剛度、連接類型、縱向拉桿的配置和拉索的張拉順序如何影響預應力過程和內力分配。縱向拉桿構件有助于形成穩定的網格，并為單個梁柱提供橫向支撐;因此，在預應力過程中，只允許較小的力在檁條或連接桁架中。此外，建議在預應力平臺上加預應力，以保證高層體系的縱向拉桿能夠正常工作。

3.小結

綜上，放樣尺寸與最終預應力配置的差異、結構性能對預應力過程的高度敏感性、地震荷載和極限荷載作用下結構分析與設計的復雜性等問題，給工程技術人員帶來了巨大的挑戰。本文從逆迭代法找形、預應力過程與控制、靜載穩定性分析、考慮拉索應力松弛的動力特性、低冗余度引起的抗連續倒塌等5個方面對張弦梁結構的研究與應用進行了綜述。對我國三座地標式張弦梁結構建筑進行了詳細的分析，重點介紹了各種結構的關鍵技術。

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作者簡介：張昊（1985.11-）1985年11月，男，漢族，甘肅人，本科，中級工程師，研究方向為工業建筑結構類型（結構專業）。

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