张弦梁结构的发展及应用

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、成形过程和在福州火车南站无柱站台雨棚中的应用。

关键词：张弦梁；施工控制；结构稳定；无柱雨棚

张弦梁结构的发展及应用

以福州火车南站站台雨棚为例

一、张弦梁结构特征

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，这种结构具有以下特征：（一）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，在梁内引起负弯矩。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。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。

（二）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。

（三）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。

（四）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。

（五）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。

（六）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。

二、工程概况

福州火车南站无站台柱雨棚面积78553平方米，分成3个区域，其中南北雨棚共有90根梁，地铁区高架通道有24根，每根钢梁分别有4个拉索撑杆。由于轨道呈非对称排列，163米的跨度分别由3根梁组成。福州火车南站雨棚采用张弦梁结构，张弦梁结构最早是由日本大学M.Saitoh教授提出，是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系。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。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。从受力来看，由于张弦梁结构的下弦索预应力作用，有向径向作用力，这个力通

过撑杆传递到上弦杆下部，形成了对梁体或拱的弹性支撑。所以在相同荷载作用下，对于同样的结构如果有张弦梁支撑会使结构内力大为降低，从而达到减少截面面积，降低结构自重减少材料用量的目的。从另一个方面来说，由于张弦梁的作用也是结构的跨越能力得以提升，所以在大跨度的厂房，候机厅及体育馆所都会优先考虑张弦梁结构。在这样的背景下，福州火车南站也选用了张弦梁结构来构建站台雨棚。

三、施工流程及要点

（一）技术准备

1、根据设计要求贬值预应力施工方案

2、准备有关材质检查试验资料

3、报送有关施工资料

4、组织有关人员熟悉图纸，学习有关规范，向作业人员进行技术安全交底。

（二）施工流程

流程：方案制定和施工图深化->工厂分段制作->地面支架拼接->张拉检->吊装->水平支撑杆件及檩条安装->上弦管内灌浆

（三）施工要点

1、施工方案制定

根据施工图纸及现场条件设计方案，确定施工顺序，制定质量、进度、安全、环保等保证措施，实施项目管理，确保工程进展。

2、制作

张弦梁上弦构建在工厂分段制作。

3、张弦梁拼装

拼装胎架的设计和布置需根据张弦梁上弦拱架的分段情况和分段点的位置来确定，同时要避开张拉弦杆。为了保证张弦梁的拼装精度和使张拉不受影响，同时考虑到胎架在张拉过程中因主张弦梁组装平台安装钢构件检查与验收钢结构油漆张弦梁现场组装、第一次张拉轴线控制闭合、测量放线钢结构加工张弦梁吊装张弦梁滑移张弦梁第二次张拉并锁定桁架水平移动的影响，以及便于张拉索的地面安装、张弦梁在张拉完毕后便于起吊等因素，钢架横梁的上端搁置可调节高度和平面度的管托。在拼装胎架时，在断开面设置空档，以留出焊接空间。在对接口下面焊接时，焊工可以在临时平台上进行。为了确保张弦梁原始状态的弧度和设计相符，胎架支点的标高测量控制要满足设计标高的要求。就位前，首先根据张弦梁分段点的标高及轴线对胎架进行垫置，使标高基本达到设计位置，就位后进行微调。就位时注意对接口的间隙及标高的控制，并且使分段点的位置基本处于胎架的中心。在调整校正完毕后进行焊接，焊接接口需要打磨光滑过渡。

4、张弦梁张拉

(1)拉索制作。拉索的索体、护套、索头、连接件以及成品组装件等的质量必须满足相应的现行国家规范和标准。

(2)拉索安装。为满足建筑结构的要求，雨棚的张弦梁应符合下列施工要求：

a．张弦梁应在胎架上拼装，保证其几何形状与零应力状态一致(张拉前且不承受自重的状态)。

b．拉索的长度应根据本施工图以及锚具和张拉的伸缩量确定。根据本工程的实际情况，长拉索的张拉考虑采用两端张拉，短拉索的张拉采用一端张拉。

C．张弦梁拼装以后，对拉索进行张拉，张拉力按分析结果和设计要求确定。

(3)拉索张拉控制。本工程拉索张拉不仅要监控拉索，还要监控钢结构。

(4)放索及索球安装。设计加工专门的立式支架，在索盘轴孔内穿上圆轴，徐徐转动索盘将索放出。为防止索体在移动过程中与地面接触，损坏拉索防护层或损伤索股，采