對大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)特點的研究

摘要：在現(xiàn)代科技不斷進(jìn)步的情況下，我國的工程建筑技術(shù)也得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，大跨度張弦梁技術(shù)的運用得到了很好的印證。張弦梁結(jié)構(gòu)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的新型雜交屋蓋體系，是由剛性構(gòu)件上弦、柔性拉索、中間連以撐桿形成的混合結(jié)構(gòu)體系，其結(jié)構(gòu)組成是一種新型自平衡體系，是一種大跨度預(yù)應(yīng)力空間結(jié)構(gòu)體系，也是混合結(jié)構(gòu)體系發(fā)展中的一個比較成功的創(chuàng)造。本文通過對張弦梁結(jié)構(gòu)的特征、設(shè)計及出現(xiàn)的問題的論述。總結(jié)出一些經(jīng)驗供大家參考。 

　　關(guān)鍵詞：張弦梁結(jié)構(gòu);特征;問題; 

　　1.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)來自兩個方面，抗彎構(gòu)件截面和與拉索構(gòu)成的幾何形體，其是種介于剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)之間的半剛性結(jié)構(gòu)。它具有以下特征： 

　　1.1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。 

　　1.2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。 

　　1.3自平衡功能。當(dāng)剛性構(gòu)件為拱時，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，從而減少對下部結(jié)構(gòu)抗側(cè)性能的要求，并使支座受力明確，比較容易設(shè)計與制作。 

　　1.4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，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，若適當(dāng)調(diào)整索、撐桿和剛性構(gòu)件的相對位置，可保證張弦梁結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性。 

　　1.5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)的受力特性不會受到影響。 

　　1.6制作、運輸、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、運輸和施工。此外，通過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。 

　　2.張弦梁結(jié)構(gòu)的施工

2.1張弦梁結(jié)構(gòu)中索內(nèi)預(yù)拉力的施加方法 

　　2.1.1花籃螺絲調(diào)節(jié)法是通過調(diào)節(jié)索在兩個固定點間的長度來施加預(yù)拉力，一般用于施加較小預(yù)拉力的張弦梁結(jié)構(gòu)。 

　　2.1.2張拉鋼索法是通過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)拉力沿索長的分布相對均勻，適用于跨度較大的結(jié)構(gòu)。 

　　2.1.3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，通過撐桿對索施加拉力。單獨采用支承卸除法來施加預(yù)拉力時必須預(yù)先對剛性構(gòu)件起拱。 

　　2.2索預(yù)拉力的施加方案 

　　對大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)施加預(yù)拉力時一般采用張拉鋼索法。鋼索不但可以在張弦梁結(jié)構(gòu)各構(gòu)件裝配在結(jié)構(gòu)支座處后一次張拉，而且也可以在臨時支架上張拉。張拉完畢后再提升并滑移至結(jié)構(gòu)支座處。對在臨時支架上進(jìn)行張拉的張弦梁結(jié)構(gòu)，還需要在其安裝到結(jié)構(gòu)支座處后再次進(jìn)行張拉，即所謂的分批張拉。進(jìn)行分批張拉是原因，首先，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)變形較大，無法達(dá)到理想的幾何位形;其次，對于安裝在支座上的張弦梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次張拉可以有效調(diào)整幾何位形方面的施工誤差，提高施工的質(zhì)量。 

　　3.張弦梁結(jié)構(gòu)的問題 

　　3.1施工控制的問題 

　　張弦梁結(jié)構(gòu)作為一種半剛性結(jié)構(gòu)，它的整體剛度由剛性構(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)與施工過程密切相關(guān)、結(jié)構(gòu)成形前剛度較弱等特點，因而將其施工階段單獨作為一個過程進(jìn)行分析。 

　　3.1.1預(yù)拉力確定 

　　索內(nèi)引進(jìn)預(yù)拉力的目的在于形成必要的整體剛度并得到理想的幾何位形。 首先，結(jié)構(gòu)整體剛度必須保證張弦梁形成一個相對獨立的結(jié)構(gòu)，可以僅依靠結(jié)構(gòu)支座支承其重量，此時索內(nèi)拉力與結(jié)構(gòu)自重互相平衡，To=Te;索在任何外荷載作用下都不能松弛。 其次，為了獲取理想的幾何形體，必須控制To的最大值。張弦梁結(jié)構(gòu)的上拱會帶動支座的相對水平位移，即過多的上拱會影響結(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)件相對剛度和剛性構(gòu)件的外形有關(guān)，剛性構(gòu)件的相對剛度越大，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。 

　　3.1.2放樣幾何的確定 

　　張弦梁結(jié)構(gòu)在成形過程中的狀態(tài)。首先，放樣狀態(tài)，此時所有構(gòu)件內(nèi)力均為0，稱零狀態(tài)，這個狀態(tài)對應(yīng)的幾何參數(shù)作為工廠加工構(gòu)件的依據(jù)。其次，過渡狀態(tài)，對于在臨時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)自重與索內(nèi)預(yù)拉，張弦梁結(jié)構(gòu)設(shè)計狀態(tài)的幾何條件一般是給定的。 

　　3.1.3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)自身的特點以及在不同施工狀態(tài)下可能出現(xiàn)的問題。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）。 對張弦梁結(jié)構(gòu)施工狀態(tài)的分析并選擇施工方案是個復(fù)雜的分析決策過程，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程變化。 

　　（二）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問題 

　　張弦梁的穩(wěn)定問題分兩類，首先是結(jié)構(gòu)中各結(jié)構(gòu)構(gòu)件，如上弦桿和撐桿的穩(wěn)定問題。其次是張弦梁作為一個整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定問題。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亦存在失穩(wěn)問題。 

　　在結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性方面，首先，在張拉過程中，結(jié)構(gòu)還未成形，整體剛度弱，若處理不當(dāng)，可能出現(xiàn)弦桿結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)外失穩(wěn)。其次，成形后的張弦梁結(jié)構(gòu)可以看做是一種特殊的“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，與一般桁架的差別是高強(qiáng)度鋼索代替普通桁架的下弦。第三，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)件的相對位置，可使張弦梁結(jié)構(gòu)不發(fā)生整體失穩(wěn)。 

　　4.結(jié)語 

　　通過以上分析不難看出，張弦梁結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，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。在大跨度空間結(jié)構(gòu)應(yīng)用上具有廣闊的前景。其理論研究，尤其是結(jié)構(gòu)分析與施工過程相結(jié)合的系統(tǒng)分析還落后于實際工程應(yīng)用，因此，需要加以研究，并提出合理的設(shè)計、施工和優(yōu)化方法，以便建造技術(shù)更先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用的大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)建筑。 

　　參考文獻(xiàn)： 

　　[1]蘇艷菊.淺談大跨度預(yù)應(yīng)力張弦梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計[J].經(jīng)營管理者，2009，08. 

　　[2]蔣劍峰，馮健.大跨度張弦梁結(jié)構(gòu)的自振特性研究[J];特種結(jié)構(gòu);2007年01期 

　　[3]劉超.張弦梁結(jié)構(gòu)的有限元分析[J].安徽建筑，2005，05. 

　　[4]代江紅.張弦梁的結(jié)構(gòu)特點及有關(guān)研究[J].中國招標(biāo)，2010，46.