大跨度張弦梁的結構特點和研究課題

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摘要：大跨度張弦梁結構是近十余年來快速發(fā)展和應用的一種新型大跨空間結構形式。結構由剛度較大的抗彎構件（又稱剛性構件，通常為梁、拱或桁架）和高強度的弦（又稱柔性構件，通常為索）以及連接兩者的撐桿組成;通過對柔性構件施加拉力，使相互連接的構件成為具有整體剛度的結構。 

關鍵詞：大跨度 張弦梁  　　張弦梁結構已經應用于若干實際工程中。二十世紀九十年代，在日本建造了十幾座類型各異的以張弦梁為主要受力結構的場館，其中Green Dome Maebashi的平面尺寸達167×122m(2)。1997年建成的上海浦東國際機場候機樓是我國首次將張弦梁結構應用于超大跨空間結構中，其最大跨度達82.6m(3)；目前在建的廣州國際會展中心也在屋蓋體系中采用張弦梁結構，其最大跨度達126.5m；擬建的深圳會展中心，其張弦梁結構跨度也將達124m。張弦梁結構在我國的研究和應用尚處于初級階段，本文擬簡單介紹張弦梁結構的結構特征、成形過程和若干理論問題的研究現狀，并在此基礎上對需要進一步研究的課題提出建議。 張弦梁的結構特征： 　　張弦梁結構的整體剛度貢獻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，這種結構具有以下特征： ⑴ 承載能力高 張弦梁結構中索內施加的預應力可以控制剛性構件的彎矩大小和分布。例如，當剛性構件為梁時，在梁跨中設一撐桿，撐桿下端與梁的兩端均與索連接，在均布荷載作用下，單純梁內彎矩; 在索內施加預應力后，通過支座和撐桿，索力將在梁內引起負彎矩?！　?⑵ 使用荷載作用下的結構變形小 　　張弦梁結構中的剛性構件與索形成整體剛度后，這一空間受力結構的剛度就遠遠大于單純剛性構件的剛度，在同樣的使用荷載作用下，張弦梁結構的變形比單純剛性構件小得多。自平衡功能 　　當剛性構件為拱時，將在支座處產生很大的水平推力。索的引入可以平衡側向力，從而減少對下部結構抗側性能的要求，并使支座受力明確，易于設計與制作。 ⑷ 結構穩(wěn)定性強 　　張弦梁結構在保證充分發(fā)揮索的抗拉性能的同時，由于引進了具有抗壓和抗彎能力的剛性構件而使體系的剛度和形狀穩(wěn)定性大為增強。同時，若適當調整索、撐桿和剛性構件的相對位置，可保證張弦梁結構整體穩(wěn)定性。 ⑸ 建筑造型適應性強 　　張弦梁結構中剛性構件的外形可以根據建筑功能和美觀要求進行自由選擇，而結構的受力特性不會受到影響。例如浦東國際機場屋蓋上弦是焊接鋼管組成的截面，結構外形如振翅欲飛的鯤鵬；廣州國際會展中心屋蓋上弦是空間桁架，結構外形如游曳的魚。張弦梁結構的建筑造型和結構布置能夠完美結合，使之適用于各種功能的大跨空間結構。 ⑹ 制作、運輸、施工方便 　　與網殼、網架等空間結構相比，張弦梁結構的構件和節(jié)點的種類、數量大大減少，這將極大地方便該類結構的制作、運輸和施工。此外，通過控制鋼索的張拉力還可以消除部分施工誤差，提高施工質量。 張弦梁結構的成形過程  　　張弦梁結構的成形過程包括張弦梁剛性構件的裝配、索內預拉力的施加和整體結構的安裝就位等。只有在對索施加一定的預拉力之后，張弦梁才能成為具有整體剛度的承重結構，因此索內預拉力的施加是其成形的關鍵環(huán)節(jié)。 （一）張弦梁結構中索內預拉力的施加方法 　　對鋼索施加預拉力的方法多種多樣，在張弦梁結構中常用的有三種 　?、?花籃螺絲調節(jié)法是通過調節(jié)索在兩個固定點間的長度來施加預拉力，一般用于施加較小預拉力的張弦梁結構。浦東國際機場候機樓張弦梁結構小比例模型試驗中即采用此法施加預拉力。 　?、?張拉鋼索法是通過錨具和千斤頂直接張拉鋼索以施加預拉力，一般有兩端張拉和一端張拉兩種方法。兩端張拉可以使預拉力沿索長的分布相對均勻，適用于跨度較大的結構。浦東國際機場候機樓和廣州國際會展中心的張弦梁屋蓋都是采用兩端張拉來施加預拉力。 　?、?支承卸除法是利用結構自重或附加在結構上的配重來施加預拉力。在結構安裝后卸除支承，由于剛性結構的變形，將部分結構自重和配重傳遞給撐桿，通過撐桿對索施加拉力。單獨采用支承卸除法來施加預拉力時必須預先對剛性構件起拱。 （二）索預拉力的施加方案 　　一般采用張拉鋼索法對大跨度張弦梁結構施加預拉力。鋼索可以在張弦梁結構各構件裝配在結構支座處后一次張拉; 也可以在臨時支架上進行張拉，張拉完畢后再提升并滑移至結構支座處。對在臨時支架上張拉的張弦梁結構，可能還有必要在其安裝到結構支座處后再次張拉，即分批張拉。進行分批張拉的原因有二：其一，考慮到張弦梁整體剛度形成后的強幾何非線性和屋面荷載尚未施加等因素，若在臨時支架上將全部預拉力一次施加上去，可能導致結構變形太大，無法獲得理想的幾何位形；其二，對安裝在支座上的張弦梁結構再次張拉可以調整幾何位形方面的施工誤差，提高施工質量。 張弦梁結構的若干研究重點： 　　雖然大跨張弦梁結構已經應用于諸多實際工程中，但是關于其理論和試驗的系統(tǒng)研究尚鮮有涉足，并很少出現在可查的文獻中。已有的研究包括：利用商用或自行編制的考慮幾何非線性的分析程序，考察撐桿數目、矢跨比、梁弦剛度比、弦的預拉力和邊界約束條件等參數對成形后的張弦梁結構性能的影響；對浦東國際機場候機樓張弦梁屋蓋進行縮尺和足尺模型試驗，比較全面地分析了張弦梁結構在張拉階段和使用階段的受力性能；通過地震振動臺模型試驗，初步分析了張弦梁結構屋蓋系統(tǒng)在地震動下的反應特征。 （一）施工控制問題 　　張弦梁結構作為一種半剛性結構，其整體剛度由剛性構件截面尺寸和結構空間幾何形體兩方面共同組成，且具有整體剛度和幾何形態(tài)與施工過程密切相關、結構成形前剛度較弱等特點，因而宜將張弦梁結構的施工階段作為一個獨立的過程進行詳細分析。 　?、?預拉力確定 　　索內引進預拉力的目的是形成必要的整體剛度并獲得理想的幾何位形?！　　　　　　　　　　　　?首先，結構整體剛度必須保證：①張弦梁形成一個相對獨立的結構，可以僅依靠結構支座支承其重量，此時索內拉力與結構自重互相平衡，To=Te；②索在任何外荷載作用下都不能松弛　　 其次，為了獲得理想的幾何形體，必須控制To的最大值。以浦東國際機場候機樓R2張弦梁屋架為例，張拉過程中，當張弦梁脫離臨時支架后，每施加10KN的預拉力，張弦梁跨中頂部上拱50mm，且上拱速度逐步加快。張弦梁結構的上拱會帶動支座的相對水平位移，即過多的上拱會影響結構的幾何位形。張弦梁結構的上拱速率與剛性構件相對剛度和剛性構件的外形有關，剛性構件的相對剛度越大，曲率半徑越大，上拱速度越小。 　　最后，最佳預拉力的確定在滿足結構整體剛度和幾何位形的前提下還要考慮其在使用過程中的性能，盡量減少剛性構件在使用荷載作用下的應力和結構的變形。 　?、?放樣幾何的確定 張弦梁結構在成形過程中經歷以下幾種狀態(tài)：①放樣狀態(tài)，此時所有構件內力均為0，亦稱零狀態(tài)，這個狀態(tài)對應的幾何參數就是工廠加工制作構件的依據；②位于放樣狀態(tài)和設計狀態(tài)之間的過渡狀態(tài)，對于在臨時支架上張拉的張弦梁結構，該狀態(tài)的受力為結構自重和索內預拉，張弦梁結構設計狀態(tài)的幾何條件一般是給定的。 ⑶ 施工方案的選擇 　　施工方案的選擇除了考慮可以采用的設備之外，還要考慮結構自身的特點以及在不同施工狀態(tài)下可能出現的問題。施工方案選擇主要是確定索內預拉力施加方法（花籃螺絲調節(jié)法、張拉鋼索法或支承卸除法）、張拉位置（臨時支架處或結構支座處）、張拉方案（一次張拉或分批張拉）以及安裝方法（一次吊裝、提升并滑移到結構支座）。 　　對張弦梁結構施工狀態(tài)的分析并選擇施工方案是個復雜的分析決策過程，其復雜性體現在結構形體、邊界約束和荷載都隨施工過程變化。   （二）結構穩(wěn)定問題 　　張弦梁的穩(wěn)定問題有兩類，一是結構中各結構構件，如上弦桿和撐桿的穩(wěn)定問題；另一類是張弦梁作為一個整體結構的穩(wěn)定問題。同其他鋼結構桿件一樣，張弦梁結構的上弦桿和撐桿受壓時亦存在失穩(wěn)問題。文獻(30)對廣州國際會展中心張弦梁結構的上弦桿的穩(wěn)定問題進行了數值分析，結果表明在使用荷載作用下，上弦桿不會出現失穩(wěn)破壞。 　　在結構的整體穩(wěn)定性方面，首先，在張拉過程中，結構尚未成形，整體剛度較弱，如果處理不當，可能出現弦桿結構的平面外失穩(wěn)和平面內失穩(wěn)。其次，成形后的張弦梁結構可以看做是一類特殊的“桁架”，張弦梁結構的上弦、撐桿和索分別是該“桁架”的上弦、腹桿和下弦，與一般桁架的差別主要在于用高強度鋼索代替普通桁架的下弦。再次，張弦梁結構中由于引入了張緊的預應力索，其結構的整體穩(wěn)定與剛性結構有所不同，調整索、撐桿和剛性構件的相對位置，可使張弦梁結構不發(fā)生整體失穩(wěn)。 　　五 結語  若干張弦梁結構的實際工程應用已經證明，該類結構具有結構簡單，傳力明確，施工方便快捷和建筑造型與結構布置能完美結合等優(yōu)點，在大跨度空間結構方面具有廣闊的應用前景。而目前的理論研究，尤其是結構分析與施工過程相結合的系統(tǒng)分析尚落后于實際工程應用，因此有必要對此進一步加以研究和探討，提出合理的設計、施工和優(yōu)化方法，以建造技術先進、經濟合理、安全適用的大跨度張弦梁結構。