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1、张弦结构的特点及应用 1、张弦结构介绍： 张弦梁结构由上弦梁与下弦索通过竖向撑杆组成，其力 学性能优异、结构效率高，在屋盖结构尤其是楼盖结构中有 较好的应用前景。张弦结构按照其受力本质可分为平面、可 分解型空间和不可分解型空间张弦结构。首先，分别对平面 张弦结构中的张弦梁、张弦桁架，可分解型空间张弦结构和 不可分解型空间张弦结构中的弦支穹顶、弦支筒壳、弦支网 架、弦支混凝土屋盖、弦支拱壳、弦支网壳等结构类型进行 介绍。张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间 连以撑杆形成的混合结构体系，其结构组成是一种新型自平 衡体系，是一种大跨度预应力空间结构体系，也是混合结构 体系发展中的一个比较成
2、功的创造。张弦梁结构体系简单、 受力明确、结构形式多样、充分发挥了刚柔两种材料的优势， 并且制造、运输、施工简捷方便，因此具有良好的应用前景。 张弦结构体系是预应力钢结构的一个分支，在传统刚性结构 的基础上引入了柔性的预应力拉索，并施加一定的预应力， 从而改变了结构的内力分布和变形特征，优化了结构的性能， 使得结构能够跨越更大的跨度。与传统的刚性梁结构和网壳 结构等相比，张弦结构的受力更加合理; 与柔性的索网、索 膜结构和索穹顶等结构相比，张弦结构施工更为便捷。因此， 张弦结构体系已在体育场馆、会展中心、交通枢纽站房等国 家重要基础设施建设中得到了广泛的应用 2张弦结构的分类 2.1平面张弦结
3、构 平面张弦结构由上部刚性构件和下部柔性拉索通过撑杆相连而形成的且具有平面 受力特性的结构形式即为平面张弦结构，此类结构受力以平面内受弯为主。按照 上部刚性构件的种类将平面张弦结构分为张弦梁、张弦桁架和弦支刚架结构，如 图 1 所示。 近年来张弦梁结构不仅广泛应用于建筑结构中，在农、林业方面也得到 了应用。图 2为一种大型农业喷灌设备，其主体结构采用张弦梁形式以 实现较大的跨度。其中单跨张弦梁跨体长度为 40 60 m，由上弦钢管 ( 主管道) 、角钢和拉筋组成，角钢呈人字形布置，在人字形角钢下部设 置两道长拉筋，对上部主管起到弹性支承。 2.1.1张弦桁架 张弦桁架是由张弦梁发展而来，将张弦
4、梁的上部梁构件变成平面桁架或立体桁架即形成了张弦桁架。张 弦桁架通过设置高强拉索并对拉索施加预应力来对撑杆产生向上的力，也即产生与上部荷载作用下相反 的变形，从而大大减小结构的变形和桁架的内力。此外，下弦钢拉索中的预应力可以抵消上弦拱形桁架 在上部荷载作用下对支座产生的水平推力，从而大大减小了支座的负担。张弦桁架结构充分利用了上弦 拱形桁架的受力优势，同时也发挥了高强拉索的抗拉性能。 广州国际会展中心展览大厅屋盖( 图 3) ，其跨度达126. 6 m，充分展示了张弦桁架的力学优势。 2。2可分解型空间张弦结构 可分解型空间张弦结构是由平面张弦结构组合形成的一种空间张弦结构，因此又称平面组合型
5、张弦结构。 由于具有空间受力的特性，其一方面提高了结构的承载力，同时也解决了平面张弦结构的平面外稳定问 题。 按照其自身结构布置形式，可分解型空间张弦结构可分为双向张弦结构、多向张弦结构和辐射式张弦结 构，如图 4所示。 2.2.1将数榀平面张弦结构沿横、纵两向交叉布置即形成双向张弦结构，如图 4a 所示。结构也是由上层 构件、撑杆和拉索组合而成。相比平面张弦结构，由于上部构件纵横交叉，侧向约束明显加强，具有空 间受力特征，但其节点连接较为复杂。该形式较适用于矩形、圆形和椭圆形平面。 2.2.2将数榀平面张弦结构多向交叉布置即形成多向张弦结构，如图 4b 所示。相比平面张弦结构和双向 张弦结构
6、，其空间传力更为明显，但制作和节点构造更加复杂，此形式较适用于多边形平面。 2.2.3将多榀平面张弦结构由中央按辐射式放置，所有撑杆与环索或斜索相连即形成辐射式张弦结构，如 图 4c 所示。辐射式张弦结构具有力流直接、易于施工和刚度较大等优点。 2.3不可分解型空间张弦结构 不可分解型空间张弦结构不能分解为单榀平面张弦结构，撑杆和上部结构通过斜索和环索 相连成为整体，结构空间受力，刚度大，力流合理。其中，典型的不可分解型空间张弦结 构即弦支穹顶结构。随着相关学者的不断研究和开发，弦支筒壳结构、弦支拱壳结构、弦 支网架结构、弦支混凝土屋盖结构( 弦支钢丝网架混凝土夹芯板) 等多种新型结构体系不断
7、 涌现，如图 11 所示。 2.3.1弦支穹顶结构 弦支穹顶结构是通过在单层网壳下部设置竖向撑杆、径向拉索和环向拉索形成的一种具有 较强跨越能力的张弦结构，其结构效能高，应用广泛。 2.3.2弦支筒壳结构 以筒壳结构为基础，通过在其适当位置布置撑杆和拉索并施加预应力而形成的新型张弦结 构体系即为弦支筒壳结构 2.3.3弦支网架结构 由网架结构和柔性拉索通过撑杆相连而形成的结构形式即为弦支网架结构。 2.3.4弦支拱壳结构 将弦支的概念引入拱支网壳，在其下部设置一圈或者两圈索杆体系即形成了弦支拱壳结 构。 2.3.5弦支网壳结构 上部为网壳结构，下部直线拉索沿着单向、双向、多向或辐射式布置( 一
8、根拉索不在空间 或平面上闭合) 的不可分解型空间张弦结构。 图5 可分解空间张弦结构 图 弦支穹顶结构 弦支筒壳由上部的筒壳结构、 下部的预应力拉索和中间的撑杆组 成，撑杆上端与筒壳节点连接，下 端通过撑杆下节点与拉索相连，拉 索的两端通过锚固节点与筒壳的节 点相连，一般将锚固节点设置在筒 壳的支座位置处。 图 广西柳州奇石博物馆 奇石博物馆屋盖造型奇特，130 m 长，56 m 宽，屋盖采用了柱 面网壳的结构形式，在局部采用 了弦支筒壳结构。 图 广饶国际博览中心 广饶国际博览中心( 148. 6 m 61 m + 143 m 61 m，图 17) ，新 型弦支网架要求: 网架的上弦杆和下
9、弦杆的平面投影相互错开或交叉，例 如: 正放四角锥网架、斜放四角锥网 架、星形四角锥网架等; 在网架结构 上设有沿跨度方向成对的多个支座节 点; 预应力拉索的垂度 f 小于网架结 构的厚度 h。 图 弦支网壳结构的剖面示意图 3张弦梁结构的受力特性 3. 1 结构的线性特性 张弦梁结构与张弦拱相似，其结构的受力特性为线性，从推导所得 的平衡微分方程来看，与结构的初始内力项无关，而仅与索力增量相关， 结构的位移和内力与荷载线性相关。同时，按非线性的有限元分析也证 实结构的线性特性，这点与以前对传统索结构的理解完全不同。对于内 力自平衡的张弦梁结构，如简单按索为梁提供弹性支撑去理解，容易引 起结构
10、可能为非线性的误解，因此对于张弦梁应整体从一个特殊的桁架 去理解更为科学。张弦梁结构的线性特性，为结构预应力的合理确定、 对位移与内力的主动控制都提供了极大方便。 3. 2张弦梁结构的挠度控制与预应力作用 当张弦梁用于大跨度楼盖结构时，由于张弦梁的挠度要大于传统桁 架结构，因此必须对该结构的挠度高度重视。为控制恒荷载作用下张弦 梁的挠度，可以直接通过对下弦悬索张拉预应力来积极控制与调整。当 结构以恒载为主时，可以通过施加预应力，将下弦悬索产生的向上等效 荷载恰与恒荷载平衡，使梁的挠度为零，实现结构整体处于一个以下弦 悬索受拉、上弦梁受压且内力均衡的理想受力状态。当活荷载较大时， 可以利用预应力
11、对梁的反拱作用，使预应力平衡恒载与 0. 5 倍活荷载， 梁将向上微小反拱，而当活荷载作用时，梁向下位移，用预应力反拱调 正梁的弯矩，使其结构效率最高，发挥预应力对于结构挠度与内力的积 极控制作用。由于张弦梁结构的线性特性，其结构刚度与结构的初始内 力无关，因此，与索网、索桁架等传统的索结构不同，不能期望通过加 大预应力来提高张弦梁结构的刚度。 3. 3上弦梁的抗弯刚度要求 由于在反对称荷载作用下，张弦梁结构的索将不参与工作，结构挠 度与变形直接与梁的抗弯刚度相关，而与索的刚度、垂度无关，因此必 须保证梁的抗弯刚度，过小的抗弯刚度将使张弦梁结构在反对称荷载作 用下结构出现较大的挠度与局部变形，
12、对结构整体受力极为不利。用于 楼盖结构时，上弦梁的截面高度宜取结构跨度的 1/30 1/40。由于张 弦梁结构的特殊性，在实际工程中必须验算张弦梁在非均布荷载下的变 形与挠度。 3. 4张弦梁结构的支座水平位移 张弦梁结构在均布荷载作用下，一侧的支座将发生水平位移，与张 弦拱结构发生支座向外位移不同，张弦梁的支座水平位移向内，并主要 与上弦梁的截面受压刚度相关，其支座水平位移值明显小于张弦拱。在 平衡恒荷载的预应力张拉阶段，因上弦梁的轴向应力较高，应考虑支座 水平位移的影响; 而在活荷载作用时由于其支座水平位移值只有跨中挠度 的 5%左右，在设计分析中可以不考虑该项影响。 4、张弦结构的创新
13、4.1网格形式变化 张弦结构可以分为张弦梁和弦支穹顶。张弦梁和弦支弯顶结构适用不同的平 面形式。张弦梁一般适用建筑为矩形的平面,弦支穹顶适用于建筑为圆形和椭圆 形平面。张弦梁结结构构件的建筑化表现是指通过对结构构件构网格根据功能、 美学和力学性能采用不同网格形式,梁和网格可分别采用X形、双Y形。 4.2拉索布置创新 张弦梁的拉索布置形式不但影响结构的受力性能,而且影响建筑的使用空间 和结构美观。拉索一般采用直线形、X形和双Y形布置。 4.3撑杆形式创新 张弦结构的撑杆形式创新包括撑杆样式的创新和撑杆建筑功能化创新。撑杆 样式的创新指撑杆根据结构体系布置采用四叉形撑杆、V字形撑杆和梯形撑杆， 建
14、筑功能化创新指撑杆除了作为结构传力构件,还可以作为导光管将室外的阳光 导人室内,满足正常使用条件下的采光要求,同时节约能源,实现建筑的绿色化。 4.4构件建筑化表现 结构构件的建筑化表现是指通过对结构构件的艺术化处理来尽可能地表现建筑美 学的设计理念,将建筑和结构融合在一起,达到结构成就建筑之美的效果。 4.5节点构造精细化 拉索节点作为索结构中的活跃元素,在结构中发挥着重要的作用,优秀的拉索节点 设计既有利于索结构的成形,又能够给施工和安装带来便利。索头节点通常在与 之连接的杆件上伸出耳板与配套索头索具连接,并常常与支座节点相连接,而与之 对应的支座节点常常需要释放对应方向的位移。索头的耳板
15、除应保证与拉索的角 对应一致外,还应在设计上保证外观的精细和美观。 5、张弦结构关键构件拉索 对于张弦结构来说，其核心构件拉索对于结构尤为重要。但拉索由 于其复杂的组合绞捻特性，对其机械性能的精细化研究一直十分欠缺， 并在工程应用中，大都只关注其整体宏观性能，如强度、弹性模量等， 因此在设计中，拉索一直被简化为只拉不压的柔性构件，并常采用较高 的安全系数以保障充足的冗余度。 在实际使用中，拉索将经历如温度变化、高应力疲劳、拉索锈蚀退 化等作用，使得拉索整体力学性能发生变化，继而影响拉索体系的力学 性能及使用寿命。目前对拉索的相关研究主要有拉索膨胀系数研究、拉 索退化及预应力损失研究、拉索弯曲性
16、能、拉索的索力测试等。 5. 1 拉索膨胀系数研究 拉索的温度线膨胀系数一般按照经验取值，其取值的不确定性会对 张弦结构的温度性能分析带来极大的误差。为解决这个问题，天津大学 钢结构研究所在国家自然科学基金的支持下进行了相关的理论分析和试 验研究，笔者推导了拉索材料线膨胀系数的解析解，通过有限元分析研 究了不同规格拉索的膨胀系数; 研发了空气加热索膨胀系数测定仪和水域 加热索膨胀系数测定仪，并通过试验确定了拉索的膨胀系数。最终确定 建筑结构常用的三种拉索索材: 钢丝绳、钢绞线和半平行钢丝束的线膨胀 系数分别为1. 92 10 5/ 、1. 38 10 5/ 、1. 87 10 5/ 。 5.
17、2 拉索退化及预应力损失研究 拉索的预应力损失对于张弦结构的安全性能有着重要的影响。张弦 结构在其全寿命期间其预应力损失原因可为自身的性能退化如断丝、锈 蚀及松弛损失、徐变损失等，也可能产生因结构或构件引发的预应力损 失如锚固损失、分批张拉损失、摩擦损失和温度损失等。在张弦结构施 工中对于拉索施加预应力时会由于节点摩擦滑移等因素造成预应力损失。 在预应力摩擦损失方面，笔者从多方面进行探究: 基于摩擦力和索之间的 平衡关系，利用虚拟温度思想提出考虑摩擦损失的迭代算法； 提出滚动 式张拉索节点，对该节点减少摩擦损失的作用进行试验研究; 提出能够考 虑节点滑移的连续折线索单元; 提出一种适用于张弦结
18、构体系的等效摩擦 单元并建立了张弦结构体系考虑拉索与撑杆下节点间摩擦的有限元分析 方法。 目前，对于张弦结构拉索预应力损失的研究主要集中在施工阶段和 温度效应方面，由于拉索锈蚀以及断丝所引起的拉索性能退化，以及拉 索预应力松弛所造成的预应力损失有待进一步研究。 5. 3 拉索索力测试及弯曲性能研究 张弦结构中拉索的预应力状态对于把握和评估结构的整体性能至关 重要。目前拉索索力测试的方法主要有压力表测试法、压力传感器测试 法、振动波法、三点弯曲法、磁通量法、频率法等。然而，各种测量方 法均有其局限性。多种测量方法的精度也受到拉索抗弯刚度的影响。 拉索精细化分析方面，利用 ABAQUS 和 LS-DYNA 分别采用静力计 算方法和显式动力计算方法模拟拉索受弯后性能，以及弯曲时索内钢丝 局部应力的分布规律。但由于精细化有限元模拟对于计算要求较大，如 何对拉索弯曲性能提出半精细化模拟，在提高计算效率同时能够获得拉 索整体及内部钢丝应力位移等变化规律，继而对于弯曲和抗弯刚度有系 统的认识是该方面的一个研究方向。 结语： 张弦结构体系经过十几年的发展已经逐渐成为大跨度空间结构中研 究最多、发展最快、应用最广的结构体系之一，在 GB 500112010
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