大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及施工方案對(duì)比

常海霞

（身份證號(hào)：1321291974****2843）

一、張弦梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

（一）張弦梁結(jié)構(gòu)定義

大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)（Beam String Structure）是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)并廣泛應(yīng)用的一種新型大跨空間結(jié)構(gòu)體系，該體系是在上世紀(jì)80年代由日本Nihon大學(xué)的Masao Sitoh教授首先提出。張弦梁結(jié)構(gòu)是用撐桿連接抗彎受壓構(gòu)件和抗拉構(gòu)件, 并通過(guò)在抗拉構(gòu)件上施加預(yù)拉力以減輕壓彎構(gòu)件負(fù)擔(dān)而形成的自平衡體系，一般抗彎構(gòu)件又稱剛性構(gòu)件，通常為梁、拱或桁架，抗拉構(gòu)件弦又稱柔性構(gòu)件，通常為索。由于抗彎構(gòu)件利用施加在抗拉構(gòu)件上的預(yù)應(yīng)力使其產(chǎn)生反撓度，使結(jié)構(gòu)在荷載作用下的最終撓度得以減少；撐桿對(duì)抗彎構(gòu)件提供支撐，改善了其受力性能；抗拉構(gòu)件承受了抗彎構(gòu)件的水平推力，減輕了其對(duì)支座的負(fù)擔(dān)，并減少了滑動(dòng)支座的水平位移，所以這種構(gòu)件受力簡(jiǎn)潔明確，能充分發(fā)揮材料受力特長(zhǎng)的新型結(jié)構(gòu)可以得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)其多種組合結(jié)構(gòu)亦稱空間受力結(jié)構(gòu)也為建筑師樂于采用。

（二）張弦梁結(jié)構(gòu)特征

張弦梁結(jié)構(gòu)的整體剛度來(lái)自抗彎構(gòu)件截面和與拉索構(gòu)成的幾何形體兩個(gè)方面，是種介于剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)之間的半剛性結(jié)構(gòu)。其能在諸多大跨度空間結(jié)構(gòu)中得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，主要由于其有如下優(yōu)點(diǎn)：

（三）承載能力強(qiáng)

張弦梁結(jié)構(gòu)中的抗拉構(gòu)件提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，在同樣荷載的作用下，張弦梁結(jié)構(gòu)的變形遠(yuǎn)小于單純剛性構(gòu)件。此外，由于預(yù)應(yīng)力抗拉構(gòu)件對(duì)撐桿提供支撐，使其對(duì)上弦構(gòu)件提供彈性支撐，進(jìn)而使其產(chǎn)生與荷載方向相反的彎矩，進(jìn)而減小上弦構(gòu)件彎矩，增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定承載力。同時(shí)，調(diào)整撐桿方向，還能使上弦構(gòu)件各個(gè)截面受力更加均勻。

（四）適用跨度大

同普通的平面桁架相比，張弦梁結(jié)構(gòu)的下弦采用高強(qiáng)度拉索，取消了較長(zhǎng)的斜腹桿。當(dāng)跨度增加時(shí)，結(jié)構(gòu)的跨中厚度可以相應(yīng)地提高來(lái)保證必要的整體剛度。而跨度增加造成的下弦內(nèi)力的增加又通過(guò)高強(qiáng)度拉索來(lái)承擔(dān)。同時(shí)由于不存在斜腹桿，豎腹桿的受力較小，其間距也較普通平面桁架大。以上特點(diǎn)使得張弦梁結(jié)構(gòu)具有跨越較大空間的能力。

（五）建筑造型適應(yīng)性強(qiáng)

張弦梁結(jié)構(gòu)中的上弦剛性構(gòu)件的外形可以根據(jù)建筑功能和美觀的要求自由的選擇，而結(jié)構(gòu)的受力特性不會(huì)受到影響。

（六）受力合理

通常張弦梁結(jié)構(gòu)為平面受力體系，或?yàn)槠矫媸芰挝唤M合而成的空間受力體系，其有很大的截面高度，從而具有很大的豎向剛度，而且其截面高度變化形式與彎矩變化形式一致，所以其受力比較合理。此外由于沒有斜腹桿，所以其結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)潔，力流傳遞明確。

二、張弦梁結(jié)構(gòu)施工方法

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)施工控制的研究主要集中在橋梁方面[5]，關(guān)于張弦梁結(jié)構(gòu)的施工控制研究還不夠成熟，隨著對(duì)近些年建造的大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)工程（如：03年的哈爾濱國(guó)際會(huì)議展覽體育中心、05年的全國(guó)農(nóng)業(yè)展館、06年的國(guó)家體育館等）的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，在位形控制和穩(wěn)定性分析等方面取得了一定成果，但對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)的施工方法缺乏總結(jié)，特別是在下弦鋼索張拉力的優(yōu)化、預(yù)應(yīng)力張拉控制以及施工全過(guò)程跟蹤模擬等方面的研究還不夠全面，使得張弦梁結(jié)構(gòu)的施工控制理論落后于工程實(shí)踐。

三、張弦梁的施工主要包括以下兩個(gè)部分：

張弦梁結(jié)構(gòu)施工時(shí)可根據(jù)張弦梁的結(jié)構(gòu)形式和場(chǎng)地大小選擇以下兩種方式進(jìn)行拼裝和張拉：

（一）單步張拉法：當(dāng)張弦梁跨度較小，屋面荷載也不大，可根據(jù)計(jì)算結(jié)果采用單步張拉法。所謂單步張拉法，即拉索的預(yù)張量考慮了梁自重以及之后施加在屋面檀條、支撐系統(tǒng)和屋面板等荷載的作用，在地面拼裝并一次張拉到位然后再整體吊裝的方法。單步張拉法的特點(diǎn)是：施工方便、需要場(chǎng)地大、對(duì)吊裝設(shè)備要求高、吊裝施工難度較大，施工效率不高。

（二）分級(jí)張拉法：當(dāng)張弦梁跨度較大，屋面荷載也較大，可根據(jù)計(jì)算結(jié)果先在地面張拉一次，再吊裝就位然后再分級(jí)張拉。所謂分級(jí)張拉法，即拉索的預(yù)張量只考慮了張弦梁自重和屋面荷載的作用，等屋面結(jié)構(gòu)安裝完成后再進(jìn)一步張拉的方法。分級(jí)張拉法中張拉方式按空間位置又可分為胎架張拉和吊起張拉。

四、面外彈性屈曲分析

采用有限元方法，在僅考慮重力荷載的作用下，對(duì)張弦桁架張拉過(guò)程中平面外穩(wěn)定性進(jìn)行彈性屈曲分析。由于彈性屈曲分析的屈曲荷載系數(shù)對(duì)重力和索力都進(jìn)行了縮放，需要迭代拉索預(yù)張力大小，使屈曲荷載系數(shù)為1，以確保重力大小不變。

計(jì)算結(jié)果表明，張弦桁架的第一階彈性屈曲模態(tài)為整體平面外單波失穩(wěn)，桁架與拉索發(fā)生了相反方向的側(cè)移。將第一階彈性屈曲對(duì)應(yīng)的索拉力9275.7KN與施工張拉索力進(jìn)行比較來(lái)決定是否要設(shè)置面外支撐。

五、對(duì)比分析兩種張拉方法的計(jì)算結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

（一）計(jì)算結(jié)果雖表明張弦桁架在張拉過(guò)程中不需要側(cè)向臨時(shí)支撐，但實(shí)際是檀條的安裝給張弦桁架提供了足夠的面外支撐，使結(jié)構(gòu)在張拉過(guò)程中不致失穩(wěn)。

（二）桁架在單步張拉和分級(jí)張拉中的最大起拱量分別為207.9mm和124.8mm。且前者發(fā)生在拉索張拉之后，約占跨度的1/625；后者發(fā)生在拉索第二次張拉之后，約占跨度的1/1042?？梢姡旨?jí)張拉有效的減小了桁架的最大起拱量。

（三）可以發(fā)現(xiàn)滑動(dòng)支座在桁架張拉過(guò)程中有明顯水平位移，且單步張拉法的最大滑動(dòng)量大于分級(jí)張拉法。

六、結(jié)束語(yǔ)

張弦梁結(jié)構(gòu)作為大跨度結(jié)構(gòu)領(lǐng)域一種將剛性構(gòu)件和柔性構(gòu)件結(jié)合到一起的新型結(jié)構(gòu)形式，自上世紀(jì)90年代后期便在我國(guó)實(shí)際工程中得到了應(yīng)用。而其制作、運(yùn)輸及施工方便，經(jīng)濟(jì)效率又高，這種值得推廣和研究的新型結(jié)構(gòu)一定會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。因此，使其施工控制理論與工程實(shí)踐同步發(fā)展是非常必要的。