某工程50m跨张弦梁屋面结构分析与设计

廖 振 程 鹏

（江苏美城建筑规划设计院有限公司南京分公司 南京 210000）

前言

张弦梁结构（简称BSS，Beam String Structure）主要由刚性梁、柔性下弦及撑杆构成，属于预应力钢结构。它将大跨体系中的拱（梁）、桁架结构和应用日益广泛的悬索结构结合起来．形成了一种受力合理、施工方便的新型空间结构形式。张弦梁结构是由上弦刚性梁、撑杆以及下弦柔性索组成的自平衡受力体系。其合理地将各种构件（抗拉、抗压、抗压弯）组合在一起。充分发挥了其各自的材力学性能，减轻了支撑结构的负担。

1 工程概况

本工程为南京某企业实验研发楼的造型张弦梁屋面，张弦梁屋面跨度为50m，宽度为13.8m。造型屋面连接两栋高度相同的多层实验楼，位于实验楼四层屋面上方（标高22.500）。为满足屋顶钢结构连续的造型要求，结构采用东西方向（跨度50m）的张弦梁结构。基本风压按50年一遇取值，取0.40kN/m2，地面粗糙度为B类。

整体结构布置如图1所示，剖面布置详见图2所示。张弦梁尺寸为4.3m×50m，未达到造型要求其中南北向的上弦杆外挑4.5～5m，保证屋面造型尺寸与实验楼顶部造型尺寸相同。上弦主钢梁采用工字型HN600mm×300mm×14mm×23mm，次钢梁采用工字型HN600mm×200mm×12mm×20mm，水平斜撑采用工字型HN400mm×200mm×7mm×11mm；中间设置4对撑杆，采用钢管φ130mm×8mm；下弦采用高强钢索，直径分为两种，主索采用φ80mm，主索在撑杆末端。

图1 张弦梁平面布置图

图2 张弦梁剖面布置图

2 结构分析

2.1 计算模型

计算模型采用有限元软件SAP2000 V14版本进行分析，上弦刚性梁采用梁单元模拟，中间撑杆采用两端铰接的杆单元模拟，下弦拉索采用只受拉的索单元模拟。张弦梁两端支座采用一端铰接一端滑动。

为满足屋顶钢结构连续的造型要求，结构采用东西方向（跨度50m）的张弦梁结构。工程抗震烈度Ⅶ度，地震分组为第一组。场地类别为Ⅱ类，抗震等级为框架三级。基本风压按50年一遇取值，取0.40kN/m2，地面粗糙度为B类。

2.2 计算分析

根据施工工艺，拉索张拉和上弦杆焊接均在地下完成，首次张拉完成后，张弦梁已形成自平衡体系。装饰檩条和吊挂饰面也会在地面同步安装完成。这时因为吊挂荷载和装饰面板荷载而产生的附加恒载对结构产生了二次挠度，这时需进行第二次张拉，此时张拉力计算应控制荷载工况1.0自重+1.0恒荷载+拉索张拉力下的变形。根据整体变形控制计算得出，二次张拉力LS2越为1000kN的预拉力。

图3 张弦梁变形云图

在地面进行焊接和张拉后再进行整体提升并对支座节点进行连接。此时，需进行对结构强度的复核，此时张弦梁所对应的荷载组合为1.2自重+1.2恒荷载+1.4活荷载+拉索张拉力。此时上弦杆最大应力为40MPa，拉索张拉力为1050kN，均小于材料屈服强度。上弦杆最大位移为57mm，约为1/842满足规范要求的挠度限值。

2.3 支座节点

本工程张弦梁造型屋面连接了两栋建筑，故设计需采用一端采用滑动支座。一端采用铰接支座的柔性连接方式。张弦梁索内力与上弦拱梁内应力共同作用，构成一个自平衡的结构体系。

为保证工程的实际受力情况与计算分析模型一致，张弦梁支座的设计在整个张弦梁的设计中显得尤为重要。本工程在其中一端设计滑动支座时采取了连接端板开长孔并用销连接的方式，支座沿张弦梁轴线方向的移动值依据为结构在最不利荷载作用下的最大支座位移值（两栋建筑累加），设计支座允许的最大位移量为200mm。

图4 滑动支座现场安装图

图5 撑杆与拉索现场安装图

本设计中，撑杆与索的连接处采用了夹板固定索的方式，该节点既能保证索与撑杆间的连接与模型基本一致，而且施工时还可以微调撑杆．使其竖直。撑杆和上弦杆件的节点通过销连接设计成平面内可以转动。

3 结语

本文结合南京某工程50m跨张弦梁造型屋面工程，详细介绍了张弦梁结构的受力特点、计算模型假定、结构平面布置、杆件连接及支座连接节点设计等内容，得出了一些设计心得体会。

（1）由于张弦梁是一个自平衡体系，拉索张拉力控制主要考虑的荷载工况是张弦梁的自重工况以及相关吊挂荷载为主的恒荷载工况。

（2）张弦梁结构是一种风荷载敏感结构，对于采用轻质屋面体系的张弦梁结构，在屋面风吸力的作用下可能会出现下弦拉索受压退出工作的情况，故设计分析时需注意风荷载的影响。