张弦梁结构.doc

张弦梁结构的历史、现在和未来一、简介  张弦梁也称弦支梁，属于张弦结构的一种张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系，其结构组成是一种新型自平衡体系，是一种大跨度预应力空间结构体系，也是混合结构体系发展中的一个比较成功的创造其拉索的作用主要是通过刚性撑杆给刚性梁提供弹性支撑，减小梁跨度，减少刚性梁的弯矩峰值，进而起到增加刚度，减小挠度的作用作为一种刚柔杂交结构，张弦梁结构体系简单、受力明确、结构形式多样、充分发挥了刚柔两种材料的优势，并且制造、运输、施工简捷方便，因此具有良好的应用前景其结构如图所示张弦梁张弦梁结构作为最早出现的一种张弦结构有着很长的一段历史早在1839年，德国建筑师Georg Ludwig Friedrich Laves发明了一种预应力梁“Laves beam”，他把梁分成上层和下层两部分，两者之间仅用立柱连接，通过这种方式梁的强度可以显著提高，并用于Herrenhausen花园的温室中，这是目前查到的最早张弦梁的雏形Paxton利用这种预应力梁概念，再建于1851年的伦敦万国博览会的水晶宫结构的衍架之间采用了张弦梁结构檩条建于1876年费城博览会展馆的国际展厅屋盖同样采用了张弦梁结构。

1851年伦敦万国博览会屋盖檩条的张弦梁结构 1876年费城博览会展馆的国际展厅近代明确提出张弦梁结构概念的是日本大学的斋藤公男（Masao Saito）教授，他在1979年Madrid召开的IASS年会上，提出了张弦梁（beam string structure）结构形式，并研究了其基本受力特性和分析计算原理1998年，天津大学刘锡良教授首先在国内对张弦梁结构展开了系统深入的研究，当时由于直接取其日语“张弦梁”定义，故“张弦梁”的名称沿用至今2、 张弦梁特点和典型工程应用几种计算模型的分析比较：为了明确张弦梁结构的受力机理和受力特点以图4的3个计算模型说明张弦梁结构中拉索和撑杆的作用，图中各模型的边界条件均为一端固定铰支座，另一端水平滑动铰支座，构件截面见表1 分别对3个模型施加沿跨度方向15kN/m 的均布线荷载，将拱梁（曲梁）离散为20个相等的直梁元，其上的线荷载等效为节点荷载，分10个相等的荷载增量步，其计算结果的比较见表2 通过模型 1、2的比较可明显看出拉索的作用，其存在很大程度上限制了拱梁的水平位移，模型2的拱梁跨中挠度和滑动支座水平位移相对较小；模型1曲梁轴力很小但弯矩很大，截面应力分布很不均匀；模型2拱梁轴力远大于模型1，但跨中弯矩和剪力均较小。

通过模型2、3的比较可清楚了解撑杆的作用，模型3中拉索水平倾角不大，故撑杆轴力相对于拱梁轴力来说很小，但对拱梁受力性能的改善却十分显著，使得拱梁跨中挠度、滑动支座水平位移、拱梁跨中弯矩和剪力均比模型2大为减小，拱梁轴力也得到一定改善，因此受力性能更合理，可见撑杆在张弦梁结构中起着十分重要的作用在结构受力前对拉索施加一定的预拉力（本文为100kN/m），则撑杆将为拱梁提供更大的向上支撑力，拉索也将在更大程度上限制滑动支座的水平位移， 有效增大结构刚度，减小拱梁弯矩，从而进一步改善结构的受力性能张弦梁结构具有如下特点：（1） 张轩结构在保证充分发挥索的抗拉性能的同时，由于引进了具有抗压和抗弯能力的梁而使体系的刚度和稳定性大为增强2） 梁与张紧的索构成的受力体系，实际上不存在整体失稳的可能性，因而其强度可以得到充分利用，而不似单独工作的梁那样需要有特别大的截面所以，柔性索与刚性梁的结合不仅充分发挥了各自的优点，而且相互限制了彼此的弱点，相得益彰3） 对张弦梁结构中的索施加一定的预拉力，这既可使索具有适当的初始绷紧度，也可对索与梁之间的受力比例进行必要的调整；既充分发挥了索的抗拉能力，又调整了梁的内力分布（使梁中的内力分布趋于均匀）。

4） 张弦梁结构与预应力双索体系（由承重索、相反曲率的稳定索即两者之间的联系杆共同组成的平面预应力体系）比较，张弦梁结构所需的预拉力要小得多，因而使支撑结构的受力大为减小如果在施工过程中适当分级施加预拉力和分级加载，将有可能使张弦结构施于支撑结构的作用力减到最小限度对张弦梁结构的受力特点从不同的角度可理解为：（1） 理解一：张弦梁结构是在双层悬索体系中的索梁基础上，将上弦索替换成刚性构件而产生的这样处理的好处是上弦刚性构件可以承受弯矩和压力，一方面可以提高梁的刚度，另一方面结构中构件内力可以在其内部平衡（自平衡体系），而不再需要支撑系统的反力来维持2） 理解二：张弦梁结构是用拉索替换常规梁的受拉下弦而形成的结构体系，这种替换的有点事不仅梁的下弦拉力可以由高强度拉索来承担，更为重要的是可以通过张拉拉索在结构中产生预应力，从而达到改善结构受力性能的目的3） 理解三：张弦梁结构是体外布索的预应力梁，通过预应力来改善结构的受力性能张弦梁结构的工程应用：（1） 国外工程应用：张弦梁结构可以说是一个既古老又新颖的结构形式，该结构形式的最初应用是在桥梁结构中，如英国1859年建造的Royal Albert桥。

随着20世纪80年代斋藤公男教授明确提出张弦梁结构的概念，张弦梁结构在大跨度结构中得到了广泛的应用，国外应用张弦梁结构的工程主要集中在日本，该时期代表性工程有：Royal Albert桥1） 日本大学理工体育大厅，其平面尺寸为58m*85m，屋盖采用人字形张弦梁，各榀平行布置，间距5m，每榀拉索预拉力为640kN，施工采用滑移法2） 日本五羊建设技术研究所多功能实验楼是张弦梁与膜结构结合的成功案例，该楼盖平面尺寸为22.4m*35m，张悬梁各榀平行布置，间距8.75m，膜材铺设在各榀张弦梁之间3） 日本京都水族馆表演场，在屋盖的短方向并列布置张弦梁，同时是小立柱上的连线与游泳池的轴线一致，为了有效的释放温度应力，在外侧设置了橡胶支座，同时，首次实现了“BSS大屋盖的隔震化”4） 日本酒田市国体纪念体育馆，该工程是张弦梁结构与悬臂式桁架结合应用，采用格贝式张弦梁结构，上部地梁采用几乎水平布置的H型钢梁，跨度为54m该工程由日本建筑师谷口吉生于日本大学斋藤公男教授合作设计完成5） 日本静冈埃克帕体育馆与静冈埃克帕体育场隔体育场相望，采用平缓的曲线屋盖以实现与景观的和谐结构形式采用了“天平式悬臂桁架”，通过这种桁架与张弦梁相结合，使跨度超过了90m。

日本静冈埃克帕体育馆6） 日本掘之内城镇体育馆跨度为38m，地处日本多雪地带，结构采用复合是张弦梁，上部的梁采用木材，施工采用地面拼装完成后吊装就位该工程由日本建筑师公胁檀与日本大学斋藤公男教授合作设计完成日本掘之内城镇体育馆 除了以上介绍的工程外，还有一些张弦梁工程较为典型，如日本大学理工学部CST大厅、日本山梨学院悉尼纪念馆游泳馆、日本大海中学体育馆以及日本唐户市场等2） 国内工程应用：自20世纪90年代后期由于张弦梁结构的优越性，国内的张弦梁结构工程如雨后春笋般蓬勃发展其中代表性的工程有：1）1999年建成的上海浦东国际机场航站楼该工程是国内首次采用张弦梁结构的工程，而且其进厅、办票大厅、商场和登机廊四个单体建筑均采用张贤亮屋盖体系，其中以办票大厅的张弦梁屋盖跨度最大，水平投影跨度达82.6m，每榀张弦梁纵向间距为9m该张弦梁结构上下弦均为圆弧形，上弦构件由一根矩形管和两根方管组成（其中主弦为400mm*600mm焊接矩形钢管，两侧副弦为300mm*300mm方钢管，主副弦之间以短钢管相连），腹杆为325mm圆钢管，下弦拉索采用Ф5*241平行钢丝束 内景图 外景图上海浦东国际机场航站楼2） 深圳会展中心的展厅屋盖为双向梁拱结构，结构跨度为126m，结构一段与地面采用铰接连接，另一端铰接于标高约30m的混凝土柱牛腿。

两个箱梁中心线之间的距离为三米，通过箱形截面檩条实现连接，箱梁截面宽一千毫米、高两千六百毫米，下部受拉构件采用三根平行放置的Ф140或Ф150钢拉杆3） 大连周水子国际机场新建航站楼的钢结构分为主跨和附跨两部分，主跨跨度53.5m，结构形式为门式拱架，拱架弧形梁采用张弦结构，上部抗弯受压构件为弧形变截面焊接H型钢，截面尺寸为H2011-800-2011*450*16*25，下部受拉构件采用两根Ф50钢拉杆，撑杆采用Ф180*8圆钢管，在跨中布置成倒八字形；副跨跨度25m，结构形式为柱面圆壳大连周水子机场航站楼4） 杭州黄龙体育中心网球馆的结构支撑采用肋环型单层网壳和张弦梁两种结构形式其中单层网壳的径向杆杵与下部的拉索构成张弦梁结构该结构形式中的环向杆杵为张弦梁提供面外支撑，同时也利于铺设檩条，而张弦梁结构有效的减小结构的挠度和上部杵杆的弯矩总体而言，该工程将单层网壳与张弦梁结构进行有机地结合，充分发挥了两种结构形式的优越性 杭州黄龙体育中心网球馆 结构模型图5） 张弦梁结构不仅在建筑结构中被广泛应用还被应用于农林业方便，如近年快速发展起来的大型农业喷灌设备中就依靠张弦梁结构来跨越较大的跨度。

大型农业喷灌机是大型农具之一，具有自动化程度高、控制面积大、适应性强等优点，是国内外备受青睐的大型节水灌溉设备之一大型农业喷灌机通过使用带有许多喷头的长管自行移动来解决大块农田和草场所存在的生产效率低、劳动强度大、单位面积投资成本高等问题其中，喷灌机的跨体部分采用张弦梁结构，张弦梁上弦同时也是灌溉水的主管道跨体张弦梁结构由上弦钢管（主管道）、角钢和拉筋组成，跨体长度为40~60m，角钢呈人字形分布，在人字型角钢下部设置两道通长拉筋，对上部主管道起到弹性支撑跨架根据地块大小，一般有5~10跨组成，面积从二百亩到1200亩不等大型农业喷灌机跨体张弦梁结构国内应用于张弦梁结构的工程还有很多，比如延安火车站站台雨棚和迁安文化会展中心等等3、 张弦梁结构的设计与施工张弦梁设计中的几个问题：1. 预应力的取值 预应力的主要作用是抵消一部分使用荷载产生的弯矩作用，使结构的挠度减少但随着预应力的增大，预应力对拱梁产生的额外轴向压力也在不断增大，从而增加用钢量相反，如预应力过小，若风荷载起主控作用时，在风荷载的吸力作用下，弦索就有可能失去拉力而退出工作，进一步使撑杆失效，因此预应力值的大小对于整个结构的工作状态和用钢量都有至关重要的影响。

然而确定最佳索内力的计算过程较为复杂，一般在方案阶段可采用下式确定预应力：式中，为结构自重，即预应力值大致抵消结构自重产生的弯矩当风荷载较大 且为吸力时，应在上式的基础上适当增大预应力值考虑到索的张拉时的伸长量，以及受动荷载作用时产生明显的变幅值应力，为确保索的抗疲劳，索的工作应力一般控制在 200~250 MPa2. 撑杆的作用及稳定撑杆的主要作用是为拱梁提供弹性支座，减小拱梁的最大弯弯矩如图3所示，随着撑杆数量的增加，上弦梁轴力变化不大，而弯矩与剪力逐渐减小撑杆数量增加到一定数量后构件受力的改善不再明显，可见撑杆数量并不是越多越好在跨度、荷载以及几何尺寸相同的条件下，随撑杆间距的减小，上弦拱梁承受的弯矩减小即拱梁的截面与结构的跨度影响不大，而与撑杆间距以及撑杆的刚度联系紧密撑杆与拱梁的连接一般处理为铰接形式，考虑到索安装偏差，按偏心受压构件设计更为合理虽然撑杆承受的压力并不。