张弦梁结构

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。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。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。

张弦梁结构的受力机理

目前，普遍认为张弦梁结构的受力机理为通过在下弦拉索中施加预应力使上弦压弯构件产生反挠度，结构在荷载作用下的最终挠度得以减少，而撑杆对上弦的压弯构件提供弹性支撑，改善结构的受力性能。一般上弦的压弯构件采用拱梁或桁架拱，在荷载作用下拱的水平推力由下弦的抗拉构件承受，减轻拱对支座产生的负担，减少滑动支座的水平位移。由此可见，张弦梁结构可充分发挥高强索的强抗拉性能改善整体结构受力性能，使压弯构件和抗拉构件取长补短，协同工作，达到自平衡，充分发挥了每种结构材料的作用。

所以，张弦梁结构在充分发挥索的受拉性能的同时，由于具有抗压抗弯能力的桁架或拱而使体系的刚度和稳定性大为加强。并且由于张弦梁结构是一种自平衡体系，使得支撑结构的受力大为减少。如果在施工过程中适当的分级施加预拉力和分级加载，将有可能使得张弦梁结构对支撑结构的作用力减少的最小限度。

张弦梁结构的分类

张弦梁结构按受力特点可以分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构。

平面张弦梁结构是指其结构构件位于同一平面内，且以平面内受力为主的张弦梁结构。平面张弦梁结构根据上弦构件的形状可以分为三种基本形式：直线型张弦梁、拱形张弦梁、人字型张弦梁结构。

直梁型张弦梁结构主要用于楼板结构和小坡度屋面结构，拱形张弦梁结构充分发挥了上弦拱得受力优势适用于大跨度的屋盖结构，人字型张弦梁结构适用于跨度较小的双坡屋盖结构。

空间张弦梁结构是以平面张弦梁结构为基本组成单元，通过不同形式的空间布置所形成的张弦梁结构。空间张弦梁结构主要有单向张弦梁结构、双向张弦梁结构、多向张弦梁结构、辐射式张弦梁结构。

单向张弦梁结构由于设置了纵向支撑索形成的空间受力体系，保证了平面外的稳定性，适用于矩形平面的屋盖结构。双向张弦梁结构由于交叉平面张弦梁相互提供弹性支撑，形成了纵横向的空间受力体系，该结构适用于矩形、圆形、椭圆形等多种平面屋盖结构。多向张弦梁结构是平面张弦梁结构沿多个方向交叉布置而成的空间受力体系，该结构形式适用于圆形和多边形平面的屋盖结构。辐射式张弦梁结构是由中央按辐射状放置上弦梁，梁下设置撑杆用环向索而连接形成的空间受力体系，适用于圆形平面或椭圆形平面的屋盖结构。

张弦梁结构的形态定义

张弦梁结构象悬索结构等柔性结构一样，根据张弦梁结构的加

工、施工、及受力特点。通常也将其结构形态定义为零状态、初始态和荷载态。

零状态，是拉索张拉前的状态，实际上是构件加工和放样形态，通常也叫结构放样态。

初始态，是拉索张拉完毕后，结构安装就位的形态，通常也叫预应力状态。初始态是建筑施工图中明确的结构外形。（包括在自重作用下）

荷载态，是外荷载作用在初始态结构上发生变形后大平衡态。

如果张弦梁结构的上弦构件按照初始形态给定的几何参数进行加工放样，那么在张拉拉索时，由于上弦构件刚度较弱，拉索的张拉势必会引导撑杆使上弦构件产生向上的变形，当张拉完毕后，结构上弦构件的形状将偏离初始形态，从而不满足建筑设计的要求。因此，张弦梁结构上弦构件的加工放样通常要考虑张拉产生的变形影响，这也是张弦梁结构需要进行形态定义的原因。

张弦梁结构有三种特点不同的连接:①撑杆和上部抗压弯构件的连接。目前常用螺栓球节点。该节点形式不传递弯矩,从而使撑杆只受到轴力,这对于节点的受力、撑杆的稳定性很有利而且施工简单、快速。如需传递弯矩可作为刚性处理,则采用焊接空心球节点(小跨度张弦梁结构常采用这种结构)。②弦和撑杆的连接。目前常采用高强穿心球节点形式,该节点为两个半球形中间留有索的通道,施工穿索后将两半球用螺栓紧紧连接,同时将索卡紧。③弦和压弯构件的连接。这种节点也可采用高强穿心球节点,或者将索穿过拱后锚固(常用于

混凝土拱)。由于张弦梁结构是平面自平衡体系,故在施工时可采用以下方法:全部地面组装,利用千斤顶

等设备整体吊装;部分地面组装,另一部分借助脚手架或其它方式高空装配;满铺脚手架高空装配等方法。常用的施工方法是第一种,即全部地面组装然后整体吊装。后两种方法不易施工拼装而且质量难以保证,除非不便于吊装,一般不会采用后两种方法。张拉施工过程中要对张弦梁结构施加很大的预应力,由于索的柔性影响,结构的变形较大,有研究专门提出了求解张拉前后形状变化的方法。但有人认为结构的变形可以忽略。总的来说,当跨度很大而且预应力很大时,形状变化不能忽略,否则无法施工拼装。关于形状变化的求解,不同的文献提出了不同的方法,如逆迭代法、改进的逆迭代法等。