张弦梁的结构特点

大跨度张弦梁的结构特点

提要：张弦梁结构是近十余年来发展起来的一种新型大跨结构形式。结构由抗弯刚度较大的刚性构件和高强度的拉索组成，自重较轻，可以跨度很大空间。本文在简要介绍张弦梁结构特征、成形过程和研究现状的基础上，对需要研究的课题提出建议。

关键词：张弦梁，施工控制，结构稳定，振动

一概述

大跨度张弦梁结构（Beam String Structure，简称BSS）是近十余年来快速发展和应用的一种新型大跨空间结构形式。结构由刚度较大的抗弯构件（又称刚性构件，通常为梁、拱或桁架）和高强度的弦（又称柔性构件，通常为索）以及连接两者的撑杆组成;通过对柔性构件施加拉力，使相互连接的构件成为具有整体刚度的结构，如图1所示。由于综合应用了刚性构件抗弯刚度高和柔性构件抗拉强度高的优点，张弦梁结构可以做到结构自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较大，因而可以跨越很大的空间。一般说来，尽管张弦梁的梁、拱和桁架截面可为空间形状，但结构的整体仍表现为平面受力结构。同时，张弦梁的组合亦可构成空间受力结构，如1991年日本建造的天城穹顶就是以张弦梁为基本受力单元组合成的空间穹顶结构 (1) 。

张弦梁结构已经应用于若干实际工程中。二十世纪九十年代，在日本建造了诸如Green Dome Maebashi，Ogasayama Dome，Urayasu Municipal Sports Hall 等十几座类型各异的以张弦梁为主要受力结构的场馆，其中Green Dome Maebashi的平面尺寸达167×122m (2) 。1997年建成的上海浦东国际机场候机

楼是我国首次将张弦梁结构应用于超大跨空间结构中，其最大跨度达82.6m (3) ；目前在建的广州国际会展中心也在屋盖体系中采用张弦梁结构，其最大跨度达126.5m；拟建的深圳会展中心，其张弦梁结构跨度也将达124m。张弦梁结构在我国的研究和应用尚处于初级阶段，本文拟简单介绍张弦梁结构的结构特征、成形过程和若干理论问题的研究现状，并在此基础上对需要进一步研究的课题提出建议。

二张弦梁的结构特征

张弦梁结构的整体刚度贡献来自抗弯构件截面和与拉索构成的几何形体两个方面，是种介于刚性结构和柔性结构之间的半刚性结构 (4) ，这种结构具有以下特征：

⑴承载能力高

张弦梁结构中索内施加的预应力可以控制刚性构件的弯矩大小和分布。例如，当刚性构件为梁时，在梁跨中设一撑杆，撑杆下端与梁的两端均与索连接，如图2(a)所示。在均布荷载作用下，单纯梁内弯矩见图2(b); 在索内施加预应

力后，通过支座和撑杆，索力将在梁内引起负弯矩，如图2(c)。当预应力使梁的跨中弯矩也达到时，张弦梁结构中梁的最大弯矩最终只有单纯梁时最大弯矩的1/4，如图2(d)。同时，调整撑杆沿跨度方向的布置，还可以控制梁沿跨度方向内力的变化，使各个截面受力趋于均匀。而且由于刚性构件与绷紧的索连在一起，限制了整体失稳，构件强度可得到充分利用。

⑵使用荷载作用下的结构变形小

张弦梁结构中的刚性构件与索形成整体刚度后，这一空间受力结构的刚度就远远大于单纯刚性构件的刚度，在同样的使用荷载作用下，张弦梁结构的变形比单纯刚性构件小得多。

⑶自平衡功能

当刚性构件为拱时，将在支座处产生很大的水平推力。索的引入可以平衡侧向力，从而减少对下部结构抗侧性能的要求，并使支座受力明确，易于设计与制作。

⑷结构稳定性强

张弦梁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刚性构件而使体系的刚度和形状稳定性大为增强。同时，若适当调整索、撑杆和刚性构件的相对位置，可保证张弦梁结构整体稳定性。

⑸建筑造型适应性强

张弦梁结构中刚性构件的外形可以根据建筑功能和美观要求进行自由选择，而结构的受力特性不会受到影响。例如浦东国际机场屋盖上弦是焊接钢管组成的截面，结构外形如振翅欲飞的鲲鹏；广州国际会展中心屋盖上弦是空间桁架，结构外形如游曳的鱼。张弦梁结构的建筑造型和结构布置能够完美结合，使之适用于各种功能的大跨空间结构。

⑹制作、运输、施工方便

与网壳、网架等空间结构相比，张弦梁结构的构件和节点的种类、数量大大减少，这将极大地方便该类结构的制作、运输和施工。此外，通过控制钢索的张拉力还可以消除部分施工误差，提高施工质量。

三张弦梁结构的成形过程

张弦梁结构的成形过程包括张弦梁刚性构件的装配、索内预拉力的施加和整体结构的安装就位等。只有在对索施加一定的预拉力之后，张弦梁才能成为具有整体刚度的承重结构，因此索内预拉力的施加是其成形的关键环节。

（一）张弦梁结构中索内预拉力的施加方法

对钢索施加预拉力的方法多种多样，在张弦梁结构中常用的有三种 (7) ：花篮螺丝调节法（图3a）、张拉钢索法（图3b）和支承卸除法（图3c）。

⑴花篮螺丝调节法是通过调节索在两个固定点间的长度来施加预拉力，一般用于施加较小预拉力的张弦梁结构。浦东国际机场候机楼张弦梁结构小比例模型试验中即采用此法施加预拉力。

⑵张拉钢索法是通过锚具和千斤顶直接张拉钢索以施加预拉力，一般有两端张拉和一端张拉两种方法。两端张拉可以使预拉力沿索长的分布相对均匀，适用于跨度较大的结构。浦东国际机场候机楼和广州国际会展中心的张弦梁屋盖都是采用两端张拉来施加预拉力。

⑶支承卸除法是利用结构自重或附加在结构上的配重来施加预拉力。在结构安装后卸除支承，由于刚性结构的变形，将部分结构自重和配重传递给撑杆，通过撑杆对索施加拉力。单独采用支承卸除法来施加预拉力时必须预先对刚性构件起拱。

（二）索预拉力的施加方案

一般采用张拉钢索法对大跨度张弦梁结构施加预拉力。钢索可以在张弦梁结构各构件装配在结构支座处后一次张拉; 也可以在临时支架上进行张拉，张拉完毕后再提升并滑移至结构支座处。对在临时支架上张拉的张弦梁结构，可能还有必要在其安装到结构支座处后再次张拉，即分批张拉。进行分批张拉的原因有二：其一，考虑到张弦梁整体刚度形成后的强几何非线性和屋面荷载尚未施加等因素，若在临时支架上将全部预拉力一次施加上去，可能导致结构变形太大，无法获得理想的几何位形；其二，对安装在支座上的张弦梁结构再次张拉可以调整几何位形方面的施工误差，提高施工质量。