张弦梁结构受力性能的分析

【摘  要】张弦梁结构由于其优良的结构性能和美观的外形，自80年代首次出现以来，在大跨度公共建筑中得到了广泛的应用。我国已建成大量跨度超过80 m 的张弦梁结构。本文综述了张弦梁结构及其应用的研究进展。介绍了逆迭代法，主要用于找形，以及其他一些改进方法。对于预应力工艺，介绍了最典型的试验研究，包括全尺寸试验和下尺寸正交试验，并提出了抗连续倒塌的楚格设计。此外，还详细介绍了张弦梁结构在我国的最新应用情况。

【关键词】 张弦梁结构;受力性能;结构分析

1.张弦梁结构概述

张弦梁结构（BSS）有三个组成部分 ： 具有一定抗压抗弯刚度的刚性构件，通常为梁、拱或桁架（本文统称为上弦） ; 具有高抗拉强度的柔性构件，通常为钢索; 连接上弦和拉索的轴向压杆。张弦梁结构以其跨度大、重量轻、稳定性好、外形美观等优点，近10年来作为一种新型的大跨度预应力空间结构形式，在世界范围内引起了广泛关注，并得到了迅速发展。

张弦梁结构最初由桁架发展而来。上弦。将桁架的下弦杆和腹杆分别改为梁（桁架或拱）、预应力索和支杆，形成自平衡结构。这样的变化有三个好处。首先，钢丝绳在预应力过程中产生了向上的变形，从而大大减小了整个结构在外荷载作用下的垂直变形。其次，支柱为上弦提供一定数量的弹性垂直支撑，从而减小上弦的最大弯矩，提高稳定性。第三，张弦梁结构是一种自平衡结构，它大大降低了对支座水平约束的要求，特别是当上弦为拱形时。

钢索预应力过程中张弦梁的结构形式发生了变化，因此，在设计阶段区分预应力前张弦梁的初始配筋和预应力后张弦梁的初始配筋是至关重要的。与此同时。在预应力过程中应注意，因为整个结构的刚度很低，直到索是完全预应力后，索作为一个完全弹性杆工作，整个结构作为一个刚性结构类似于桁架。但是。由于钢缆的力学性能不同于传统的刚性结构构件。张弦梁的静力稳定性是不同的，当张弦梁在地震期间处于循环荷载下时，可能会出现应力松弛问题。此外，由于张弦梁结构冗余度较低，应考虑抗连续倒塌性能.

2.预应力过程中的结构性能分析

张弦梁在预应力过程中的力学性能需要仔细分析，原因有二：

首先，张弦梁作为一种混合结构，其整体刚度不仅取决于上弦的空间拓扑结构和截面尺寸，而且取决于索中预应力的几何刚度，这与预应力过程密切相关。此外，预应力过程中的承载能力和整体刚度都很低，因此应该设计和使用临时支撑。

1997年，我国首次建成了跨度为82.6 m 的超大跨度张弦梁结构，成为世界上跨度最大的张弦梁结构上海浦东国际机场。然而，张弦梁在预应力过程中的行为在当时并没有得到充分的理解。

在单根张弦梁上进行了全尺寸预应力试验，上弦由三根平行的短钢管连接的矩形管组成，下弦由241股高强度钢丝制成。16根支柱均为长度不等的管段，支柱与上弦杆的连接采用平面内铰接和平面外半刚性铰接。在支柱的底部固定了一个钢球，上面有一个孔，可以让电缆通过。所用钢材为 Q345级，符合国家标准 GB/T1591-2008。试件的左右两端分别为滚轴承和销轴支承。弯曲的上弦首先由两端之间的五对临时网架支撑，因为它没有获得整体刚度。然后对索进行10步预应力，直到预应力达到620kn。得到了预期的结果，包括位移（垂直和水平）、拉索的拉伸变形和所有构件的轴力。还检测了临时支承和滚筒支承的水平移动。

从实验结果可以看出：

（1）张弦梁的预应力过程可以分为两个阶段： 第一阶段是指张弦梁预应力不足以承担整个结构的自重，使张弦梁仍然在临时支座上支承; 第二阶段是张弦梁上弦杆与临时支座分离，预应力达到临界值，张弦梁整体刚度达到临界值。第一阶段，只要满足张弦梁和临时支座的强度、刚度和稳定性要求，临时支座的数量和位置对预应力过程影响不大。在第二阶段，张弦梁的结构对预应力过程有较高的敏感性。有两个明显的标志来区分这两个阶段。一种情况发生在施加于索的预应力达到约等于张弦梁自重的时候; 另一種情况发生在竖向挠度突然增加时，这可以被确定为预应力-竖向位移曲线的转折点。

（2）在预应力过程中，特别是在获得总刚度后，由于托辊支承处的摩擦损失，拉索的实测拉力比预应力约低5% 。

为了系统地研究张弦梁在预应力作用下的结构性能，在张弦梁试件上进行了一系列预应力试验。基于正交试验理论设计了一个试验方案，以减少参数研究所使用的模型数量;

正交试验由 L8（27）组成8个单张张弦梁试件，编号为 BSS-A 至 BSS-H。研究了梁索刚度比 α、上跨比 κ、支柱数目以及临时支座数目对结构性能的影响。为了研究构建顺序对构建过程的影响，设计了一对构建顺序为 BSS-I 和 BSS-J 的构件。BSS-I 和 BSS-J 都由两个相同的预应力支撑组成，但 BSS-I 中两个预应力支撑之间的支撑是在预应力之前组装的，而 BSS-J 的预应力是在支撑组装之前进行的。为了研究结构在预应力作用下的大变形行为，对试件施加预应力直至结构跨中位移达到跨中位移的1/60。

为了证明实际结构中上弦在预应力之前无法承受自身重量，使用钢块施加了上弦自重的两倍左右（平衡重，见表1）。预应力施加分为两个阶段，即上弦弓形前（上弦仍由临时支承支承）和上弦弓形后（上弦完全偏离临时支承）。在第一阶段，每增加一个荷载，预应力增加600N，当上弦即将偏离临时支座时，预应力减小到200N 左右。上弦成弧形后，每次加载时预应力增加到300N，直至达到目标位移。测试结果包括垂直位移和水平位移，以及拉索、上弦杆和支座中的杆件力。

基于自编程序“ PABSS”14，对张弦梁的预应力过程进行了数值参数化研究。通过试验和分析，总结出以下重要结论： （1）索的预应力引起索的结构形态变化，主要表现在三个方面： 水平跨度减小、上弦上升和杆件倾斜，以及它们对最终结构形态的影响。（2）张弦梁在临界预应力达到结构重量约0.125/κ时达到整体刚度。（3）上跨比 κ 和施工顺序对临界预应力和结构刚度有显著影响，而支柱数目对临界预应力和结构刚度的影响较小;梁弦刚度比和临时支座数对临界预应力的影响较小，但对结构刚度的影响较大。

在这种方法中，上弦杆、支杆和索被分解为分段梁单元、梁单元和分段非压缩连杆单元。因此，可以对单根张弦梁在预应力作用下进行弹性屈曲分析，以确定平面外屈曲的临界预应力及其相关因素，如上弦升高、索的垂度、总跨度等。在实际的预应力过程中应采取预防措施，如面外临时支座，尽管计算结果表明这是不必要的。对于空间张拉索，预应力过程中应考虑不同梁串之间的相互作用，这应包括刚度、连接类型、纵向拉杆的配置和拉索的张拉顺序如何影响预应力过程和内力分配。纵向拉杆构件有助于形成稳定的网格，并为单个梁柱提供横向支撑;因此，在预应力过程中，只允许较小的力在檩条或连接桁架中。此外，建议在预应力平台上加预应力，以保证高层体系的纵向拉杆能够正常工作。

3.小结

综上，放样尺寸与最终预应力配置的差异、结构性能对预应力过程的高度敏感性、地震荷载和极限荷载作用下结构分析与设计的复杂性等问题，给工程技术人员带来了巨大的挑战。本文从逆迭代法找形、预应力过程与控制、静载稳定性分析、考虑拉索应力松弛的动力特性、低冗余度引起的抗连续倒塌等5个方面对张弦梁结构的研究与应用进行了综述。对我国三座地标式张弦梁结构建筑进行了详细的分析，重点介绍了各种结构的关键技术。

参考文献

[1]孔祥吉. 空间张弦梁结构施工仿真与静动力分析[D].兰州理工大学，2020.

[2]胡京亚. 张弦梁结构受力性能研究[J]. 建材与装饰，2016，（47）：8-9.

[3]蒋友宝，黄星星. 张弦梁结构刚度参数分析与优化设计[J]. 广西大学学报（自然科学版），2015，40（04）：798-805.

[4]何文杰，李恒. 某体育馆张弦钢结构屋盖设计的若干问题分析[J]. 建筑科学，2015，31（03）：14-19.

作者简介：张昊（1985.11-）1985年11月，男，汉族，甘肃人，本科，中级工程师，研究方向为工业建筑结构类型（结构专业）。

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