张弦梁设计入门

张弦梁设计

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

张弦梁结构像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。

张弦梁结构中的预应力作用

张弦梁结构是通过撑杆连接梁（拱）和索而形成的一种新型杂交结构形式，通过对下弦索施加预应力可以使结构形成整体共同参加工作。下弦索的预应力，通过撑杆使梁产生与使用荷载作用时相反的位移，从而部分抵消了外荷载的作用；联系索与梁之间的撑杆对于上弦梁起到了弹性支撑的作用，可以减小上弦梁的弯矩；同时，下弦索负担外荷载对上弦梁产生的外推力，从而不会对边缘构件产生水平推力，整体结构形成自平衡体系。

通常认为随着预应力的增大，结构的变形将减小；已有的一些对张弦梁结构的研究工作也得出类似结论，认为增大预应力可以有效的减小变形和上弦梁的正应力，有益于结构性能的改善。但是，分析该结构，必须区分其在施加预应力前后的状态，即零状态和初始态，本文定义零状态为体系在无自重、无预应力作用时的放样状态；初始态为体系在自重和预应力作用下的自平衡状态。为求解零状态几何参数和初始态预应力分布提出了逆迭代法，但是无法在此基础上连续进行承受外荷载作用下的分析。因而以往的一些对张弦梁结构力学性能的研究并未区分这两种状态，同时对预应力张拉过程中的位移（初始态位移）和承受使用荷载作用下的位移（荷载态位移）也未区分，这就可能造成对该结构力学性能的误识。

可以说，预应力的增大对于张弦梁结构位移的影响是很小的，尤其对竖向位移而言，更是微乎其微；在大跨度的情况下，由于仅仅依靠上弦梁的刚度是不足以抵抗结构自重和外荷载的，所以要通过预应力这个媒介，使梁、索、杆形成整体参与工作，从而使结构的整体刚度大大增加；但是单就预应力本身来讲，它的增大导致所有内力项都增大，但并不能有效地增加结构的刚度，所以预应力

所起的作用主要就是使屋架形成整体结构。

就预应力对张弦梁结构内力的影响来看，预应力的增大会导致结构所有内力项都相应增大，对于上弦梁的主要内力项弯矩的影响尤为显著，这是不利于结构受力性能的改善的。所以，在实际工程中预应力的取值必须合理，该取值范围应当是在使结构形成整体的时候，初始态至荷载状态的过程中，应尽可能地减小上弦梁的弯矩和轴力。

大跨度预应力张弦钢管桁架的应用

张弦梁结构是最近几年发展起来的一种新型的大跨度钢结构，随着现代建筑美学的发展和使用功能的要求，现在的结构物跨度越来越大。对于大跨度或较大跨度的结构物大多采用钢结构，当然也有用“膜”完成的，但充气膜由于一些缺点近年来很少用，张力膜则也需要钢索和钢杆的支撑。大跨度钢结构多用于多功能体育场馆、会议展览中心、博览馆、候机厅、飞机库等。

预应力钢结构因其良好的受力性能和广阔的应用前景已经越来越得到人们重视。张弦梁结构由弦、撑杆和压弯构件组合而成的新型自平衡体系。它充分利用高强索的强抗拉性改善了整体结构受力性能，成为受力合理、制造运输方便、施工简单的自平衡体系，是具有良好应用价值和前景的新型结构形式。

我国大跨度张弦梁结构刚刚开始采用。其代表性工程为已经建成使用的上海浦东国际机场航站楼钢屋架和正在建设中的广州国际会议展览中心展览大厅钢屋架。

预应力张弦桁架结构受力明确、合理，刚度大、重量轻、杆件类型少、制作安装方便，能够达到很大的跨度。

张弦梁结构的分析通常采用有限单元法。张弦梁结构在荷载态的结构受力性能符合小变形的假定，因此可以不考虑结构的几何非线形的影响。对于跨度较大的张弦梁结构，出于对上弦构件放样尺寸精确性的考虑，建议考虑几何非线性的效应，因此需要采用非线性有限元方法进行分析。对于上弦构件，如果为实腹式或格构式构件，一般定义为梁单元，如果上弦构件为桁架，通常将桁架中的杆件定义为杆单元，当结构中只存在竖向撑杆时，在实际工程中往往在下弦拉索与撑杆连接处采用铰接节点。为防止预应力松弛，连接处采用夹具装置使其中的索小能滑动，因此，结构分析时将在节点处分段，每段按直线拉索单元处理，如果腹杆采用的是交叉腹杆，且拉索可以绕下弦节点滑动，这时应该按折线索处理。本论文中研究的主要是只有竖向撑杆的张弦析架结构，所以上弦构件选为杆单元，索选为直线索单元，又由于结构中拉索仅承受张拉力，不受弯矩和剪力，因此可将拉索单元的变形曲线认为是直线。

由上图的内力平衡关系可看出，影响张弦梁受力和变形性质的主要因素有跨度、撑杆间距、上弦矢高和下弦垂度、预应力的大小、撑杆数目、垂跨比、高跨比、拱的惯性矩、拱的面积、弦的面积和拱的截面形式等参数。