62张建林-中国建研院风洞试验室屋顶张弦梁设计

中国预应力技术五十年暨第九届后张预应力学术交流会论文2006年

中国建研院风洞试验室屋顶张弦梁设计张建林徐博宇赵磊

（建研科技股份有限公司，北京100013）（京移通信设计院有限公司，北京100035）（建研科技股份有限公司，北京100013）

提要中国建筑科学研究院风洞实验室屋顶采用张拉拱张弦梁结构。结构纵向为钢筋混凝土框架，横向为钢、混凝土排架结构。本文介绍了张弦梁设计分析过程以及设计中需要注意的若干要点，通过有限元程序计算并结合钢结构设计规范完成了张弦梁的设计。

关键词张弦梁，面外稳定，面内稳定，整体轴向刚度，有限元分析

1工程概况

中国建筑科学研究院风洞实验室为国家级的重要实验设施。预计建成后将成为亚洲第一大风洞实验室。实验室同样由一栋净高12米的大空间实验室及贴邻建造的2层（局部3层）附属设施构成。大空间实验室主要进行高层、大型建筑及居住小区等的风洞实验，风环境模拟等。

风洞试验室屋顶张弦梁标高处结构布置图如图1，结构剖面图如图2。结构平面尺寸108mX36m，屋顶距离地面高16.5m。纵向（东西方向）为钢筋混凝土梁柱框架结构，柱距9m，共12跨。横向（南北方向）为混凝土柱与屋顶张弦梁组成的排架，单跨跨距30m。由剖面图还可以看出张弦梁平面投影的北边还有四层裙房。裙房为钢筋混凝土框架结构，长90m，宽6m。屋顶采用轻型压型彩钢板屋面。

图1 屋顶张弦标高处结构平面图

张建林，男，1979.9出生，工学硕士

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图2结构剖面图

2 设计介绍

2．1结构方案

从结构整体概念定性分析可以得出，横向排架的一端具有很大的抗侧刚度，而另一端的抗侧刚度较小，需要由与两端相连的张弦梁来支撑，这就要求张弦梁除了能满足竖向荷载的设计要求外，还得具有很大的轴向刚度，同时还得考虑风荷载作用下图2 右侧柱传给张弦梁水平力后造成的张拉力损失。

就张弦梁本身来说，根据建筑的要求，采用了受力合理、外形美观、富于变化的张拉拱式张弦梁。上弦拱构件由于存在较大的压力，因此应充分波保证平面外的稳定性。本工程中采用两个措施来保证：一方面，在上弦布置水平支撑及刚性系杆；另一方面，上弦拱采用了矩形钢管截面，这种截面本身具有很好的面外稳定性。上弦杆的面内稳定可以通过撑杆支点保证。根据很多文献知识和工程实例，下弦索不会存在稳定问题。撑杆根据常规选用了钢管。

2．2张弦梁设计

2.2.1 设计参数

荷载标准值：

荷载恒荷载：（屋面板、檩条以及吊挂）：0.7kN/m2

活荷载：0.5kN/m2

基本雪压：0.40kN/m2

基本风压：0.45 kN/m2

张弦梁上弦采用口220×260×12×12，材质为Q345B级，撑杆选用钢管ø114×6，材质为Q235B级，下弦索选用高强钢索5×55，标称破断力为1803kN。张弦梁跨度l=30m，上弦拱平面外支撑点之间距离为4.92m，中间撑杆均布，间距3m。

与张弦梁相连的混凝土柱混凝土材质为C40，截面为600mm×800mm。

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2.2.2 设计依据

张弦梁作为一种新兴的大跨空间结构，目前并没有专门的规范可依，但是根据《钢结构设计规范》等相关规范并参照国内外很多文献及工程实践的成果，张弦梁还是可以精确的分析设计的。本工程中张弦梁设计遵照以下原则：

一、张弦梁结构在竖向恒载、活载控制工况组合作用下保证结构整体稳定性及构件的

稳定性；

二、张弦梁在标准荷载组合下变形满足结构正常使用的要求，参照钢结构设计规范，

取跨度的1/300；

三、张弦梁结构中预应力的合理取值：一方面预应力能改善上弦构件的受力性能，减

小上弦构件的弯矩；另一方面在屋面风吸力或者混凝土柱受风作用发生侧向变形

传给张弦梁轴向力时，下弦索不会因受压而退出工作；再者，张弦梁结构中预应

力取值也不应该过高，过高的预应力会使得上弦构件的轴力增加，从而人为地加

大上弦构件的负担，造成不经济。

2.2.3 计算模型及荷载工况

张弦梁使用Sap2000有限元软件进行分析计算，上弦拱及撑杆选取梁单元，中间撑杆与上弦拱之间铰接处理，下弦索选用索单元。混凝土结构作简化处理，取一榀横向结构建模计算，计算模型如下图图3：

图3 张弦梁及整体横向排架计算模型图

结构在正常使用状态之下的标准组合工况：

（1） 1.0均布恒荷载＋1.0均布活荷载

（2） 1.0均布恒荷载＋1.0半跨均布活荷载

（3） 1.0均布恒荷载+1.0均布活荷载+1.0风荷载（左风）

（4） 1.0均布恒荷载＋1.0半跨均布活荷载+1.0风荷载（左）结构承载力极限状态下的基本组合：

（1） 1.2均布恒荷载+1.4均布活荷载

（2） 1.2均布恒荷载+1.4半跨均布活荷载

（3）0.9均布恒荷载+1.4风荷载+0.7×1.4均布活荷载

（4） 1.35均布恒荷载+0.98均布活荷载

（5） 1.35均布恒荷载+0.98半跨均布活荷载

2.2.4 计算结果

根据计算，得到计算结果见下表：

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表1正常使用状态下的变形

由上表可以看出，张弦梁结构满足正常使用的要求。

表2、3 、4 中将分别介绍上弦拱、中间撑杆、下弦索的控制内力，轴力正值表示拉力，负值表示压力。

表2承载力极限状态下的上弦拱控制内力

由上表可以看出，在风荷载控制工况下，拉索并未出现轴压力，所以施加的预应力值是合理的。

为直观表示，下图图4、图5分别为标准组合工况1、3下的变形图，图6、图7分别为基本组合1下的构件轴力图和基本组合3下的构件弯矩图。

图4 标准组合工况1变形图图5 标准组合工况3变形图