巖土工程師輔導(dǎo)：大跨度張弦梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和研究

　　摘要：大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)是近十余年來(lái)快速發(fā)展和應(yīng)用的一種新型大跨空間結(jié)構(gòu)形式。結(jié)構(gòu)由剛度較大的抗彎構(gòu)件(又稱剛性構(gòu)件，通常為梁、拱或桁架)和高強(qiáng)度的弦(又稱柔性構(gòu)件，通常為索)以及連接兩者的撐桿組成;通過(guò)對(duì)柔性構(gòu)件施加拉力，使相互連接的構(gòu)件成為具有整體剛度的結(jié)構(gòu)。

　　關(guān)鍵詞： 大跨度 張弦梁

　　張弦梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于若干實(shí)際工程中。二十世紀(jì)九十年代，在日本建造了十幾座類型各異的以張弦梁為主要受力結(jié)構(gòu)的場(chǎng)館，其中Green Dome Maebashi的平面尺寸達(dá)167×122m(2)。1997年建成的上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓是我國(guó)首次將張弦梁結(jié)構(gòu)應(yīng)用于超大跨空間結(jié)構(gòu)中，其最大跨度達(dá)82.6m(3);目前在建的廣州國(guó)際會(huì)展中心也在屋蓋體系中采用張弦梁結(jié)構(gòu)，其最大跨度達(dá)126.5m;擬建的深圳會(huì)展中心，其張弦梁結(jié)構(gòu)跨度也將達(dá)124m.張弦梁結(jié)構(gòu)在我國(guó)的研究和應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，本文擬簡(jiǎn)單介紹張弦梁結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征、成形過(guò)程和若干理論問(wèn)題的研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上對(duì)需要進(jìn)一步研究的課題提出建議。

　　張弦梁的結(jié)構(gòu)特征：

　　張弦梁結(jié)構(gòu)的整體剛度貢獻(xiàn)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)，這種結(jié)構(gòu)具有以下特征：

　?、?承載能力高

　　張弦梁結(jié)構(gòu)中索內(nèi)施加的預(yù)應(yīng)力可以控制剛性構(gòu)件的彎矩大小和分布。例如，當(dāng)剛性構(gòu)件為梁時(shí)，在梁跨中設(shè)一撐桿，撐桿下端與梁的兩端均與索連接，在均布荷載作用下，單純梁內(nèi)彎矩; 在索內(nèi)施加預(yù)應(yīng)力后，通過(guò)支座和撐桿，索力將在梁內(nèi)引起負(fù)彎矩。

　?、?使用荷載作用下的結(jié)構(gòu)變形小

　　張弦梁結(jié)構(gòu)中的剛性構(gòu)件與索形成整體剛度后，這一空間受力結(jié)構(gòu)的剛度就遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單純剛性構(gòu)件的剛度，在同樣的使用荷載作用下，張弦梁結(jié)構(gòu)的變形比單純剛性構(gòu)件小得多。自平衡功能當(dāng)剛性構(gòu)件為拱時(shí)，將在支座處產(chǎn)生很大的水平推力。索的引入可以平衡側(cè)向力，從而減少對(duì)下部結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的要求，并使支座受力明確，易于設(shè)計(jì)與制作。

　　⑷ 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)

　　張弦梁結(jié)構(gòu)在保證充分發(fā)揮索的抗拉性能的同時(shí)，由于引進(jìn)了具有抗壓和抗彎能力的剛性構(gòu)件而使體系的剛度和形狀穩(wěn)定性大為增強(qiáng)。同時(shí)，若適當(dāng)調(diào)整索、撐桿和剛性構(gòu)件的相對(duì)位置，可保證張弦梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。

　　⑸ 建筑造型適應(yīng)性強(qiáng)

　　張弦梁結(jié)構(gòu)中剛性構(gòu)件的外形可以根據(jù)建筑功能和美觀要求進(jìn)行自由選擇，而結(jié)構(gòu)的受力特性不會(huì)受到影響。例如浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)屋蓋上弦是焊接鋼管組成的截面，結(jié)構(gòu)外形如振翅欲飛的鯤鵬;廣州國(guó)際會(huì)展中心屋蓋上弦是空間桁架，結(jié)構(gòu)外形如游曳的魚。張弦梁結(jié)構(gòu)的建筑造型和結(jié)構(gòu)布置能夠完美結(jié)合，使之適用于各種功能的大跨空間結(jié)構(gòu)。

　?、?制作、運(yùn)輸、施工方便

　　與網(wǎng)殼、網(wǎng)架等空間結(jié)構(gòu)相比，張弦梁結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的種類、數(shù)量大大減少，這將極大地方便該類結(jié)構(gòu)的制作、運(yùn)輸和施工。此外，通過(guò)控制鋼索的張拉力還可以消除部分施工誤差，提高施工質(zhì)量。

　　張弦梁結(jié)構(gòu)的成形過(guò)程

　　張弦梁結(jié)構(gòu)的成形過(guò)程包括張弦梁剛性構(gòu)件的裝配、索內(nèi)預(yù)拉力的施加和整體結(jié)構(gòu)的安裝就位等。只有在對(duì)索施加一定的預(yù)拉力之后，張弦梁才能成為具有整體剛度的承重結(jié)構(gòu)，因此索內(nèi)預(yù)拉力的施加是其成形的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

　　(一)張弦梁結(jié)構(gòu)中索內(nèi)預(yù)拉力的施加方法

　　對(duì)鋼索施加預(yù)拉力的方法多種多樣，在張弦梁結(jié)構(gòu)中常用的有三種

　　⑴ 花籃螺絲調(diào)節(jié)法是通過(guò)調(diào)節(jié)索在兩個(gè)固定點(diǎn)間的長(zhǎng)度來(lái)施加預(yù)拉力，一般用于施加較小預(yù)拉力的張弦梁結(jié)構(gòu)。浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓張弦梁結(jié)構(gòu)小比例模型試驗(yàn)中即采用此法施加預(yù)拉力。

　?、?張拉鋼索法是通過(guò)錨具和千斤頂直接張拉鋼索以施加預(yù)拉力，一般有兩端張拉和一端張拉兩種方法。兩端張拉可以使預(yù)拉力沿索長(zhǎng)的分布相對(duì)均勻，適用于跨度較大的結(jié)構(gòu)。浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓和廣州國(guó)際會(huì)展中心的張弦梁屋蓋都是采用兩端張拉來(lái)施加預(yù)拉力。

　?、?支承卸除法是利用結(jié)構(gòu)自重或附加在結(jié)構(gòu)上的配重來(lái)施加預(yù)拉力。在結(jié)構(gòu)安裝后卸除支承，由于剛性結(jié)構(gòu)的變形，將部分結(jié)構(gòu)自重和配重傳遞給撐桿，通過(guò)撐桿對(duì)索施加拉力。單獨(dú)采用支承卸除法來(lái)施加預(yù)拉力時(shí)必須預(yù)先對(duì)剛性構(gòu)件起拱。

　　(二)索預(yù)拉力的施加方案

　　一般采用張拉鋼索法對(duì)大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)施加預(yù)拉力。鋼索可以在張弦梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件裝配在結(jié)構(gòu)支座處后一次張拉; 也可以在臨時(shí)支架上進(jìn)行張拉，張拉完畢后再提升并滑移至結(jié)構(gòu)支座處。對(duì)在臨時(shí)支架上張拉的張弦梁結(jié)構(gòu)，可能還有必要在其安裝到結(jié)構(gòu)支座處后再次張拉，即分批張拉。進(jìn)行分批張拉的原因有二：其一，考慮到張弦梁整體剛度形成后的強(qiáng)幾何非線性和屋面荷載尚未施加等因素，若在臨時(shí)支架上將全部預(yù)拉力一次施加上去，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形太大，無(wú)法獲得理想的幾何位形;其二，對(duì)安裝在支座上的張弦梁結(jié)構(gòu)再次張拉可以調(diào)整幾何位形方面的施工誤差，提高施工質(zhì)量。

　　張弦梁結(jié)構(gòu)的若干研究重點(diǎn)：

　　雖然大跨張弦梁結(jié)構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用于諸多實(shí)際工程中，但是關(guān)于其理論和試驗(yàn)的系統(tǒng)研究尚鮮有涉足，并很少出現(xiàn)在可查的文獻(xiàn)中。已有的研究包括：利用商用或自行編制的考慮幾何非線性的分析程序，考察撐桿數(shù)目、矢跨比、梁弦剛度比、弦的預(yù)拉力和邊界約束條件等參數(shù)對(duì)成形后的張弦梁結(jié)構(gòu)性能的影響;對(duì)浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓張弦梁屋蓋進(jìn)行縮尺和足尺模型試驗(yàn)，比較全面地分析了張弦梁結(jié)構(gòu)在張拉階段和使用階段的受力性能;通過(guò)地震振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，初步分析了張弦梁結(jié)構(gòu)屋蓋系統(tǒng)在地震動(dòng)下的反應(yīng)特征。

　　(一)施工控制問(wèn)題

　　張弦梁結(jié)構(gòu)作為一種半剛性結(jié)構(gòu)，其整體剛度由剛性構(gòu)件截面尺寸和結(jié)構(gòu)空間幾何形體兩方面共同組成，且具有整體剛度和幾何形態(tài)與施工過(guò)程密切相關(guān)、結(jié)構(gòu)成形前剛度較弱等特點(diǎn)，因而宜將張弦梁結(jié)構(gòu)的施工階段作為一個(gè)獨(dú)立的過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)分析。

　?、?預(yù)拉力確定

　　索內(nèi)引進(jìn)預(yù)拉力的目的是形成必要的整體剛度并獲得理想的幾何位形。

　　首先，結(jié)構(gòu)整體剛度必須保證：①?gòu)埾伊盒纬梢粋€(gè)相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)，可以僅依靠結(jié)構(gòu)支座支承其重量，此時(shí)索內(nèi)拉力與結(jié)構(gòu)自重互相平衡，To=Te;②索在任何外荷載作用下都不能松弛.

　　其次，為了獲得理想的幾何形體，必須控制To 的最大值。以浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)候機(jī)樓R2張弦梁屋架為例，張拉過(guò)程中，當(dāng)張弦梁脫離臨時(shí)支架后，每施加10KN的預(yù)拉力，張弦梁跨中頂部上拱50mm，且上拱速度逐步加快。張弦梁結(jié)構(gòu)的上拱會(huì)帶動(dòng)支座的相對(duì)水平位移，即過(guò)多的上拱會(huì)影響結(jié)構(gòu)的幾何位形。張弦梁結(jié)構(gòu)的上拱速率與剛性構(gòu)件相對(duì)剛度和剛性構(gòu)件的外形有關(guān)，剛性構(gòu)件的相對(duì)剛度越大，曲率半徑越大，上拱速度越小。

　　最后，最佳預(yù)拉力的確定在滿足結(jié)構(gòu)整體剛度和幾何位形的前提下還要考慮其在使用過(guò)程中的性能，盡量減少剛性構(gòu)件在使用荷載作用下的應(yīng)力和結(jié)構(gòu)的變形。

　?、?放樣幾何的確定

　　張弦梁結(jié)構(gòu)在成形過(guò)程中經(jīng)歷以下幾種狀態(tài)：①放樣狀態(tài)，此時(shí)所有構(gòu)件內(nèi)力均為0，亦稱零狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)就是工廠加工制作構(gòu)件的依據(jù);②位于放樣狀態(tài)和設(shè)計(jì)狀態(tài)之間的過(guò)渡狀態(tài)，對(duì)于在臨時(shí)支架上張拉的張弦梁結(jié)構(gòu)，該狀態(tài)的受力為結(jié)構(gòu)自重和索內(nèi)預(yù)拉，張弦梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)狀態(tài)的幾何條件一般是給定的。

　?、?施工方案的選擇

　　施工方案的選擇除了考慮可以采用的設(shè)備之外，還要考慮結(jié)構(gòu)自身的特點(diǎn)以及在不同施工狀態(tài)下可能出現(xiàn)的問(wèn)題。施工方案選擇主要是確定索內(nèi)預(yù)拉力施加方法(花籃螺絲調(diào)節(jié)法、張拉鋼索法或支承卸除法)、張拉位置(臨時(shí)支架處或結(jié)構(gòu)支座處)、張拉方案(一次張拉或分批張拉)以及安裝方法(一次吊裝、提升并滑移到結(jié)構(gòu)支座)。

　　對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)的分析并選擇施工方案是個(gè)復(fù)雜的分析決策過(guò)程，其復(fù)雜性體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)形體、邊界約束和荷載都隨施工過(guò)程變化。

　　(二)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題

　　張弦梁的穩(wěn)定問(wèn)題有兩類，一是結(jié)構(gòu)中各結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如上弦桿和撐桿的穩(wěn)定問(wèn)題;另一類是張弦梁作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問(wèn)題。同其他鋼結(jié)構(gòu)桿件一樣，張弦梁結(jié)構(gòu)的上弦桿和撐桿受壓時(shí)亦存在失穩(wěn)問(wèn)題。文獻(xiàn)(30)對(duì)廣州國(guó)際會(huì)展中心張弦梁結(jié)構(gòu)的上弦桿的穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明在使用荷載作用下，上弦桿不會(huì)出現(xiàn)失穩(wěn)破壞。

　　在結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性方面，首先，在張拉過(guò)程中，結(jié)構(gòu)尚未成形，整體剛度較弱，如果處理不當(dāng)，可能出現(xiàn)弦桿結(jié)構(gòu)的平面外失穩(wěn)和平面內(nèi)失穩(wěn)。其次，成形后的張弦梁結(jié)構(gòu)可以看做是一類特殊的“桁架”，張弦梁結(jié)構(gòu)的上弦、撐桿和索分別是該“桁架”的上弦、腹桿和下弦，與一般桁架的差別主要在于用高強(qiáng)度鋼索代替普通桁架的下弦。再次，張弦梁結(jié)構(gòu)中由于引入了張緊的預(yù)應(yīng)力索，其結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定與剛性結(jié)構(gòu)有所不同，調(diào)整索、撐桿和剛性構(gòu)件的相對(duì)位置，可使張弦梁結(jié)構(gòu)不發(fā)生整體失穩(wěn)。

　　結(jié)語(yǔ)

　　若干張弦梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程應(yīng)用已經(jīng)證明，該類結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳力明確，施工方便快捷和建筑造型與結(jié)構(gòu)布置能完美結(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，在大跨度空間結(jié)構(gòu)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。而目前的理論研究，尤其是結(jié)構(gòu)分析與施工過(guò)程相結(jié)合的系統(tǒng)分析尚落后于實(shí)際工程應(yīng)用，因此有必要對(duì)此進(jìn)一步加以研究和探討，提出合理的設(shè)計(jì)、施工和優(yōu)化方法，以建造技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用的大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)。

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