張弦梁結(jié)構(gòu)受力性能的分析

【摘? 要】張弦梁結(jié)構(gòu)由于其優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能和美觀的外形，自80年代首次出現(xiàn)以來，在大跨度公共建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。我國已建成大量跨度超過80 m 的張弦梁結(jié)構(gòu)。本文綜述了張弦梁結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的研究進(jìn)展。介紹了逆迭代法，主要用于找形，以及其他一些改進(jìn)方法。對于預(yù)應(yīng)力工藝，介紹了最典型的試驗(yàn)研究，包括全尺寸試驗(yàn)和下尺寸正交試驗(yàn)，并提出了抗連續(xù)倒塌的楚格設(shè)計(jì)。此外，還詳細(xì)介紹了張弦梁結(jié)構(gòu)在我國的最新應(yīng)用情況。

【關(guān)鍵詞】 張弦梁結(jié)構(gòu);受力性能;結(jié)構(gòu)分析

1.張弦梁結(jié)構(gòu)概述

張弦梁結(jié)構(gòu)（BSS）有三個組成部分 ： 具有一定抗壓抗彎剛度的剛性構(gòu)件，通常為梁、拱或桁架（本文統(tǒng)稱為上弦） ; 具有高抗拉強(qiáng)度的柔性構(gòu)件，通常為鋼索; 連接上弦和拉索的軸向壓桿。張弦梁結(jié)構(gòu)以其跨度大、重量輕、穩(wěn)定性好、外形美觀等優(yōu)點(diǎn)，近10年來作為一種新型的大跨度預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)形式，在世界范圍內(nèi)引起了廣泛關(guān)注，并得到了迅速發(fā)展。

張弦梁結(jié)構(gòu)最初由桁架發(fā)展而來。上弦。將桁架的下弦桿和腹桿分別改為梁（桁架或拱）、預(yù)應(yīng)力索和支桿，形成自平衡結(jié)構(gòu)。這樣的變化有三個好處。首先，鋼絲繩在預(yù)應(yīng)力過程中產(chǎn)生了向上的變形，從而大大減小了整個結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的垂直變形。其次，支柱為上弦提供一定數(shù)量的彈性垂直支撐，從而減小上弦的最大彎矩，提高穩(wěn)定性。第三，張弦梁結(jié)構(gòu)是一種自平衡結(jié)構(gòu)，它大大降低了對支座水平約束的要求，特別是當(dāng)上弦為拱形時。

鋼索預(yù)應(yīng)力過程中張弦梁的結(jié)構(gòu)形式發(fā)生了變化，因此，在設(shè)計(jì)階段區(qū)分預(yù)應(yīng)力前張弦梁的初始配筋和預(yù)應(yīng)力后張弦梁的初始配筋是至關(guān)重要的。與此同時。在預(yù)應(yīng)力過程中應(yīng)注意，因?yàn)檎麄€結(jié)構(gòu)的剛度很低，直到索是完全預(yù)應(yīng)力后，索作為一個完全彈性桿工作，整個結(jié)構(gòu)作為一個剛性結(jié)構(gòu)類似于桁架。但是。由于鋼纜的力學(xué)性能不同于傳統(tǒng)的剛性結(jié)構(gòu)構(gòu)件。張弦梁的靜力穩(wěn)定性是不同的，當(dāng)張弦梁在地震期間處于循環(huán)荷載下時，可能會出現(xiàn)應(yīng)力松弛問題。此外，由于張弦梁結(jié)構(gòu)冗余度較低，應(yīng)考慮抗連續(xù)倒塌性能.

2.預(yù)應(yīng)力過程中的結(jié)構(gòu)性能分析

張弦梁在預(yù)應(yīng)力過程中的力學(xué)性能需要仔細(xì)分析，原因有二：

首先，張弦梁作為一種混合結(jié)構(gòu)，其整體剛度不僅取決于上弦的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和截面尺寸，而且取決于索中預(yù)應(yīng)力的幾何剛度，這與預(yù)應(yīng)力過程密切相關(guān)。此外，預(yù)應(yīng)力過程中的承載能力和整體剛度都很低，因此應(yīng)該設(shè)計(jì)和使用臨時支撐。

1997年，我國首次建成了跨度為82.6 m 的超大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)，成為世界上跨度最大的張弦梁結(jié)構(gòu)上海浦東國際機(jī)場。然而，張弦梁在預(yù)應(yīng)力過程中的行為在當(dāng)時并沒有得到充分的理解。

在單根張弦梁上進(jìn)行了全尺寸預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)，上弦由三根平行的短鋼管連接的矩形管組成，下弦由241股高強(qiáng)度鋼絲制成。16根支柱均為長度不等的管段，支柱與上弦桿的連接采用平面內(nèi)鉸接和平面外半剛性鉸接。在支柱的底部固定了一個鋼球，上面有一個孔，可以讓電纜通過。所用鋼材為 Q345級，符合國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T1591-2008。試件的左右兩端分別為滾軸承和銷軸支承。彎曲的上弦首先由兩端之間的五對臨時網(wǎng)架支撐，因?yàn)樗鼪]有獲得整體剛度。然后對索進(jìn)行10步預(yù)應(yīng)力，直到預(yù)應(yīng)力達(dá)到620kn。得到了預(yù)期的結(jié)果，包括位移（垂直和水平）、拉索的拉伸變形和所有構(gòu)件的軸力。還檢測了臨時支承和滾筒支承的水平移動。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）張弦梁的預(yù)應(yīng)力過程可以分為兩個階段： 第一階段是指張弦梁預(yù)應(yīng)力不足以承擔(dān)整個結(jié)構(gòu)的自重，使張弦梁仍然在臨時支座上支承; 第二階段是張弦梁上弦桿與臨時支座分離，預(yù)應(yīng)力達(dá)到臨界值，張弦梁整體剛度達(dá)到臨界值。第一階段，只要滿足張弦梁和臨時支座的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求，臨時支座的數(shù)量和位置對預(yù)應(yīng)力過程影響不大。在第二階段，張弦梁的結(jié)構(gòu)對預(yù)應(yīng)力過程有較高的敏感性。有兩個明顯的標(biāo)志來區(qū)分這兩個階段。一種情況發(fā)生在施加于索的預(yù)應(yīng)力達(dá)到約等于張弦梁自重的時候; 另一種情況發(fā)生在豎向撓度突然增加時，這可以被確定為預(yù)應(yīng)力-豎向位移曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

（2）在預(yù)應(yīng)力過程中，特別是在獲得總剛度后，由于托輥支承處的摩擦損失，拉索的實(shí)測拉力比預(yù)應(yīng)力約低5% 。

為了系統(tǒng)地研究張弦梁在預(yù)應(yīng)力作用下的結(jié)構(gòu)性能，在張弦梁試件上進(jìn)行了一系列預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)。基于正交試驗(yàn)理論設(shè)計(jì)了一個試驗(yàn)方案，以減少參數(shù)研究所使用的模型數(shù)量;

正交試驗(yàn)由 L8（27）組成8個單張張弦梁試件，編號為 BSS-A 至 BSS-H。研究了梁索剛度比 α、上跨比 κ、支柱數(shù)目以及臨時支座數(shù)目對結(jié)構(gòu)性能的影響。為了研究構(gòu)建順序?qū)?gòu)建過程的影響，設(shè)計(jì)了一對構(gòu)建順序?yàn)?BSS-I 和 BSS-J 的構(gòu)件。BSS-I 和 BSS-J 都由兩個相同的預(yù)應(yīng)力支撐組成，但 BSS-I 中兩個預(yù)應(yīng)力支撐之間的支撐是在預(yù)應(yīng)力之前組裝的，而 BSS-J 的預(yù)應(yīng)力是在支撐組裝之前進(jìn)行的。為了研究結(jié)構(gòu)在預(yù)應(yīng)力作用下的大變形行為，對試件施加預(yù)應(yīng)力直至結(jié)構(gòu)跨中位移達(dá)到跨中位移的1/60。

為了證明實(shí)際結(jié)構(gòu)中上弦在預(yù)應(yīng)力之前無法承受自身重量，使用鋼塊施加了上弦自重的兩倍左右（平衡重，見表1）。預(yù)應(yīng)力施加分為兩個階段，即上弦弓形前（上弦仍由臨時支承支承）和上弦弓形后（上弦完全偏離臨時支承）。在第一階段，每增加一個荷載，預(yù)應(yīng)力增加600N，當(dāng)上弦即將偏離臨時支座時，預(yù)應(yīng)力減小到200N 左右。上弦成弧形后，每次加載時預(yù)應(yīng)力增加到300N，直至達(dá)到目標(biāo)位移。測試結(jié)果包括垂直位移和水平位移，以及拉索、上弦桿和支座中的桿件力。

基于自編程序“ PABSS”14，對張弦梁的預(yù)應(yīng)力過程進(jìn)行了數(shù)值參數(shù)化研究。通過試驗(yàn)和分析，總結(jié)出以下重要結(jié)論： （1）索的預(yù)應(yīng)力引起索的結(jié)構(gòu)形態(tài)變化，主要表現(xiàn)在三個方面： 水平跨度減小、上弦上升和桿件傾斜，以及它們對最終結(jié)構(gòu)形態(tài)的影響。（2）張弦梁在臨界預(yù)應(yīng)力達(dá)到結(jié)構(gòu)重量約0.125/κ時達(dá)到整體剛度。（3）上跨比 κ 和施工順序?qū)εR界預(yù)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)剛度有顯著影響，而支柱數(shù)目對臨界預(yù)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)剛度的影響較小;梁弦剛度比和臨時支座數(shù)對臨界預(yù)應(yīng)力的影響較小，但對結(jié)構(gòu)剛度的影響較大。

在這種方法中，上弦桿、支桿和索被分解為分段梁單元、梁單元和分段非壓縮連桿單元。因此，可以對單根張弦梁在預(yù)應(yīng)力作用下進(jìn)行彈性屈曲分析，以確定平面外屈曲的臨界預(yù)應(yīng)力及其相關(guān)因素，如上弦升高、索的垂度、總跨度等。在實(shí)際的預(yù)應(yīng)力過程中應(yīng)采取預(yù)防措施，如面外臨時支座，盡管計(jì)算結(jié)果表明這是不必要的。對于空間張拉索，預(yù)應(yīng)力過程中應(yīng)考慮不同梁串之間的相互作用，這應(yīng)包括剛度、連接類型、縱向拉桿的配置和拉索的張拉順序如何影響預(yù)應(yīng)力過程和內(nèi)力分配?？v向拉桿構(gòu)件有助于形成穩(wěn)定的網(wǎng)格，并為單個梁柱提供橫向支撐;因此，在預(yù)應(yīng)力過程中，只允許較小的力在檁條或連接桁架中。此外，建議在預(yù)應(yīng)力平臺上加預(yù)應(yīng)力，以保證高層體系的縱向拉桿能夠正常工作。

3.小結(jié)

綜上，放樣尺寸與最終預(yù)應(yīng)力配置的差異、結(jié)構(gòu)性能對預(yù)應(yīng)力過程的高度敏感性、地震荷載和極限荷載作用下結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)的復(fù)雜性等問題，給工程技術(shù)人員帶來了巨大的挑戰(zhàn)。本文從逆迭代法找形、預(yù)應(yīng)力過程與控制、靜載穩(wěn)定性分析、考慮拉索應(yīng)力松弛的動力特性、低冗余度引起的抗連續(xù)倒塌等5個方面對張弦梁結(jié)構(gòu)的研究與應(yīng)用進(jìn)行了綜述。對我國三座地標(biāo)式張弦梁結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行了詳細(xì)的分析，重點(diǎn)介紹了各種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。

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作者簡介：張昊（1985.11-）1985年11月，男，漢族，甘肅人，本科，中級工程師，研究方向?yàn)楣I(yè)建筑結(jié)構(gòu)類型（結(jié)構(gòu)專業(yè)）。

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