对大跨度张弦梁结构特点的研究
摘要：在现代科技不断进步的情况下，我国的工程建筑技术也得到了突飞猛进的发展，大跨度张弦梁技术的运用得到了很好的印证。张弦梁结构是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系，是由刚性构件上弦、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功的创造。本文通过对张弦梁结构的特征、设计及出现的问题的论述。总结出一些经验供大家参考。
关键词：张弦梁结构;特征;问题;
1.张弦梁的结构特征
张弦梁结构的整体刚度贡献来自两个方面，抗弯构件截面和与拉索构成的几何形体，其是种介于刚性结构和柔性结构之间的半刚性结构。它具有以下特征：
1.1承载能力高。张弦梁结构中索内施加的预应力可以控制刚性构件的弯矩大小和分布。
1.2使用荷载作用下的结构变形小。张弦梁结构中的刚性构件与索形成整体刚度后，这一空间受力结构的刚度就远远大于单纯刚性构件的刚度，在同样的使用荷载作用下，张弦梁结构的变形比单纯刚性构件小得多。
1.3自平衡功能。当刚性构件为拱时，将在支座处产生很大的水平推力。索的引入可以平衡侧向力，从而减少对下部结构抗侧性能的要求，并使支座受力明确，比较容易设计与制作。
1.4结构稳定性强。张弦梁结构在保证充分发挥索的抗拉性能的同时，由于引进了具有抗压和抗弯能力的刚性构件而使体系的刚度和形状稳定性大为增强。同时，若适当调整索、撑杆和刚性构件的相对位置，可保证张弦梁结构整体稳定性。
1.5建筑造型适应性强。张弦梁结构中刚性构件的外形可以根据建筑功能和美观要求进行自由选择，而结构的受力特性不会受到影响。
1.6制作、运输、施工方便。与网壳、网架等空间结构相比，张弦梁结构的构件和节点的种类、数量大大减少，这将极大地方便该类结构的制作、运输和施工。此外，通过控制钢索的张拉力还可以消除部分施工误差，提高施工质量。
2.张弦梁结构的施工
2.1张弦梁结构中索内预拉力的施加方法
2.1.1花篮螺丝调节法是通过调节索在两个固定点间的长度来施加预拉力，一般用于施加较小预拉力的张弦梁结构。
2.1.2张拉钢索法是通过锚具和千斤顶直接张拉钢索以施加预拉力，一般有两端张拉和一端张拉两种方法。两端张拉可以使预拉力沿索长的分布相对均匀，适用于跨度较大的结构。
2.1.3支承卸除法是利用结构自重或附加在结构上的配重来施加预拉力。在结构安装后卸除支承，由于刚性结构的变形，将部分结构自重和配重传递给撑杆，通过撑杆对索施加拉力。单独采用支承卸除法来施加预拉力时必须预先对刚性构件起拱。
2.2索预拉力的施加方案
对大跨度张弦梁结构施加预拉力时一般采用张拉钢索法。钢索不但可以在张弦梁结构各构件装配在结构支座处后一次张拉，而且也可以在临时支架上张拉。张拉完毕后再提升并滑移至结构支座处。对在临时支架上进行张拉的张弦梁结构，还需要在其安装到结构支座处后再次进行张拉，即所谓的分批张拉。进行分批张拉是原因，首先，考虑到张弦梁整体刚度形成后的强几何非线性和屋面荷载尚未施加等因素。若在临时支架上将全部预拉力一次施加上去，可能导致结构变形较大，无法达到理想的几何位形;其次，对于安装在支座上的张弦梁结构进行二次张拉可以有效调整几何位形方面的施工误差，提高施工的质量。
3.张弦梁结构的问题
3.1施工控制的问题
张弦梁结构作为一种半刚性结构，它的整体刚度由刚性构件截面尺寸和结构空间几何形体两方面共同组成，且具有整体刚度和几何形态与施工过程密切相关、结构成形前刚度较弱等特点，因而将其施工阶段单独作为一个过程进行分析。
3.1.1预拉力确定
索内引进预拉力的目的在于形成必要的整体刚度并得到理想的几何位形。 首先，结构整体刚度必须保证张弦梁形成一个相对独立的结构，可以仅依靠结构支座支承其重量，此时索内拉力与结构自重互相平衡，To=Te;索在任何外荷载作用下都不能松弛。 其次，为了获取理想的几何形体，必须控制To的最大值。张弦梁结构的上拱会带动支座的相对水平位移，即过多的上拱会影响结构的几何位形。张弦梁结构的上拱速率与刚性构件相对刚度和刚性构件的外形有关，刚性构件的相对刚度越大，曲率半径越大，上拱速度越小。
最后，最佳预拉力的确定在满足结构整体刚度和几何位形的前提下还要考虑其在使用过程中的性能，尽量减少刚性构件在使用荷载作用下的应力和结构的变形。
3.1.2放样几何的确定
张弦梁结构在成形过程中的状态。首先，放样状态，此时所有构件内力均为0，称零状态，这个状态对应的几何参数作为工厂加工构件的依据。其次，过渡状态，对于在临时支架上张拉的张弦梁结构，该状态的受力为结构自重与索内预拉，张弦梁结构设计状态的几何条件一般是给定的。
3.1.3施工方案的选择
施工方案的选择除了考虑可以采用的设备之外，还要考虑结构自身的特点以及在不同施工状态下可能出现的问题。施工方案选择主要是确定索内预拉力施加方法（花篮螺丝调节法、张拉钢索法或支承卸除法）、张拉位置（临时支架处或结构支座处）、张拉方案（一次张拉或分批张拉）以及安装方法（一次吊装、提升并滑移到结构支座）。 对张弦梁结构施工状态的分析并选择施工方案是个复杂的分析决策过程，其复杂性体现在结构形体、边界约束和荷载都随施工过程变化。
（二）结构稳定问题
张弦梁的稳定问题分两类，首先是结构中各结构构件，如上弦杆和撑杆的稳定问题。其次是张弦梁作为一个整体结构的稳定问题。同其他钢结构杆件一样，张弦梁结构的上弦杆和撑杆受压时亦存在失稳问题。
在结构整体的稳定性方面，首先，在张拉过程中，结构还未成形，整体刚度弱，若处理不当，可能出现弦杆结构的平面内外失稳。其次，成形后的张弦梁结构可以看做是一种特殊的“桁架”，张弦梁结构的上弦、撑杆和索分别是该“桁架”的上弦、腹杆和下弦，与一般桁架的差别是高强度钢索代替普通桁架的下弦。第三，张弦梁结构中由于引入了张紧的预应力索，其结构的整体稳定与刚性结构有所不同，调整索、撑杆和刚性构件的相对位置，可使张弦梁结构不发生整体失稳。
4.结语
通过以上分析不难看出，张弦梁结构具有结构简单，传力明确，施工方便快捷和建筑造型与结构布置能完美结合等优点。在大跨度空间结构应用上具有广阔的前景。其理论研究，尤其是结构分析与施工过程相结合的系统分析还落后于实际工程应用，因此，需要加以研究，并提出合理的设计、施工和优化方法，以便建造技术更先进、经济合理、安全适用的大跨度张弦梁结构建筑。
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