张弦梁结构的特点及其分析设计方法综述

张弦梁结构的特点及其分析设计方法综述

发表时间：2017-08-17T15:10:48.987Z 来源：《基层建设》2017年第12期作者：肖攀[导读] 摘要：张弦梁结构已在大型工程中广泛应用。

武汉理工大学土木工程与建筑学院建筑与土木工程专业湖北省武汉市 430070 摘要：张弦梁结构已在大型工程中广泛应用，张弦梁结构是由撑杆、弦、和抗弯受压构件构成，是把预应力施加在弦上来改善抗弯受压构件的受力性能，形成一种自产自销的自平衡体系，因而受力合理、施工制造简单、运输方便，因而在应用前景上十分喜人。本文简要介绍了张弦梁结构的多个方面的的特征，回顾了以局部分析法为主的张弦梁结构分析设计方法。

关键词：张弦梁结构；结构分类；受力机理；局部分析法 1 引言

张弦梁结构是由日本大学M.Saitoh先生最早提出来的，可以说是一种新的混合屋盖体系。张弦梁结构顾名思义，最初是由“将弦进行张拉，与梁组合”这一基本形式而得名。张弦梁结构一般都是由撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件，其具有明确的受力，简单的结构体系等特点，并且制造运输施工较为简便，因而应用前景一片光明。我国在张弦梁的研究及应用还处于初级阶段中，本文简单介绍了张弦梁的特点及分类，并对目前较为流行的设计方法进行了简单的概括。

2 张弦梁结构的特点

2.1 张弦梁结构的分类

张弦梁结构可分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构，这是由它的受力不同决定的。平面张弦梁结构顾名思义，其结构构件位于同一平面，并且其受力以平面内为主。平面张弦梁结构以上弦的形状不同又可分为：人字型、直线型、拱形张弦梁结构。空间张弦梁结构是由平面张弦梁结构组成，主要分为：单向张弦梁、辐射式张弦梁、双向张弦梁、多向张弦梁。

2.2 张弦梁结构的受力机理

通常认为，由于张弦梁结构的下弦拉锁中施加了预应力，因而上弦压弯构件产生反向的挠度，导致结构的总挠度减小，并且上弦的压弯构件由于撑杆对其提供了弹性的支撑，结构的受力性能大大改善了。

如果忽略拉锁超张拉于结构中产生的预应力，那么它的受力特点实际上是和简支梁一样（图1）。从结构的内力来看，和简支梁一样，张弦梁结构也承受整体弯矩和剪力。竖向荷载下，张弦梁的整体弯矩和下弦构件的压力以及下弦拉锁形成的等效力矩相平衡。

张弦梁结构的整体剪力是由上弦杆承担，这是因为张弦结构仅仅只布置了竖向支撑，并且下弦拉锁不能承担剪力。张弦结构的下弦拉锁一般用的是高强度材料，例如钢绞线或半平行的钢丝束等，因此和普通材料的结构相比，它可以承受更大的拉力，从而张弦结构更适用于大跨度结构。

图1 简支梁与平面张弦梁结构的受力性能比较

（图中、分别为外荷载 0产生的截面整体弯矩和整体剪力） 3 张弦梁结构的分析设计方法

张弦梁这种复合结构也能采用有限元的方法进行分析，通过对荷载—位移曲线进行全过程分析，可以得到并分析结构的承载能力，撑杆的数目，弦的面积和应力等因素对结构性能的影响。张弦梁另一个关键的设计环节是如何确定初始状态下结构的预应力的分布和大小。基于此种考虑，有人提出了局部分析法来求初始预应力分布，即将锁、杆、梁单元分开，将结构进行分块计算。

3.2 局部分析法的基本假定和主要步骤

局部分析法的基本假定：

（1当对结构下部锁杆张力体系的自应力模态和机构位移模态进行计算时，应假定上部梁系结构是刚体；（2）连接节点均为铰接节点。

局部分析法的主要步骤：

（1）将混合结构体系中的梁同索、杆分离，将结构体系进行分块，将与上部结构相连接的锁杆体系的铰接点全部施加固定约束，使其成为独立的结构。

（2）对下部的锁杆体系进行内力分析，因而可以得到体系的独立的自应力模态、独立的机构位移模态，这样可以将独立的自应力模态进行组合，于是下部结构的初始预应力分布就可以得到。

（3）将所求得的下部结构及相连接单元的内力加到上部结构上，对上部结构进行平衡方程的求解或用目前被广泛采用的有限元进行线性分析都可以得到上部结构的内力分布。

3.4 张弦梁结构其余的一些分析设计方法

（1）平衡矩阵理论：对于包含两节点梁单元的空间杆系结构，可以用平衡矩阵理论提供理论支持，因而从理论上来讲，我们可以由结构体系的总体平衡矩阵来求解任意杆系结构的初始预应力分布。此理论最早是由英国剑桥大学Pellegrino教授提出来的，此方法用于确定一阶或高阶无穷小机构的初始预应力分布，是十分完整有效的。

（2）一种优化设计方法：可以在平面张弦梁结构中引入神经网络，将拟满应力和遗传算法两种算法相结合，这样就可以对离散变量结构进行优化设计。算例结果表明：这是一种十分简便快捷且有效的方法，该方法有希望在张弦梁工程结构的优化设计中大量应用。

4 结语

由于张弦结构对于设计工程师来说还是一个杂交的新型结构形式，同时对张弦结构受力特点也各有见解，因此，熟悉张弦梁结构的特点及其设计分析方法对张弦梁的推广及应用是非常有必要的。本文参考多篇文献简要介绍了张弦梁结构的多个方面的的特征，回顾了以局部分析法为主的张弦梁结构分析设计方法，我们可以展望，未来关于张弦梁结构体系的完善与创新、抗风措施研究、预应力优化研究、结构施工过程研究以及模型试验都将越来越多。

参考文献：

[1]白正仙，刘锡良，李义生.新型空间结构形式—张弦梁结构[J].空间结构，2001，7（2）：33-35.

[2]吴祖咸.张弦梁结构的找形与受力性能分析[D].浙江大学，2007

[3]丁博涵. 张弦梁结构的静力抗震和抗风性能研究.浙江大学硕士学位论文.2005；

[4]孙文波. 广州国际会展中心大跨度张弦梁的设计探讨[J].建筑结构，2002，32（2）：54-56.

[5]张志宏. 大型索杆梁张拉空间结构体系的理论研究[M].浙江大学博士学位论文，2003.

[6]丁南生.张弦梁结构动力反应分析及抗震性能研究[D].兰州理工大学硕士学位论文，2005.

[7]冯强.张弦梁结构稳定性分析[D].北京工业大学硕士学位论文，2004.

[8]丁阳，岳增国，刘锡良. 大跨度张弦梁结构的地震响应分析.地震工程与工程振动，2003，23（5）：163-168.

[9]韩姜实.基于张弦梁结构的设计方法讨论.[J].油气田地面工程，2008，27（8）：42-43.

[10]张志宏，张明山，董石麟.张弦梁结构若干问题的探讨[J].工程力学，2004，21（6）：27-28

[11] 郭昊.单榀张弦梁结构受力性能的参数分析及抗震性能研究[D].长安大学硕士学位论文，2008.

[12]曹光明.张弦梁结构的优化设计方法研究[J].公路工程与运输，2008，174/175（02/03）：122.