【行业知识】张弦梁结构体系简介

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张弦梁结构最早是由日本大学M.Saitoh教授提出，是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系。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。

1、张弦梁结构的受力机理

　　目前，普遍认为张弦梁结构的受力机理为通过在下弦拉索中施加预应力使上弦压弯构件产生反挠度，结构在荷载作用下的最终挠度得以减少，而撑杆对上弦的压弯构件提供弹性支撑，改善结构的受力性能。一般上弦的压弯构件采用拱梁或桁架拱，在荷载作用下拱的水平推力由下弦的抗拉构件承受，减轻拱对支座产生的负担，减少滑动支座的水平位移。由此可见，张弦梁结构可充分发挥高强索的强抗拉性能改善整体结构受力性能，使压弯构件和抗拉构件取长补短，协同工作，达到自平衡，充分发挥了每种结构材料的作用。

　　所以，张弦梁结构在充分发挥索的受拉性能的同时，由于具有抗压抗弯能力的桁架或拱而使体系的刚度和稳定性大为加强。并且由于张弦梁结构是一种自平衡体系，使得支撑结构的受力大为减少。如果在施工过程中适当的分级施加预拉力和分级加载，将有可能使得张弦梁结构对支撑结构的作用力减少的最小限度。

2、张弦梁结构的分类

　　张弦梁结构按受力特点可以分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构。

　　平面张弦梁结构是指其结构构件位于同一平面内，且以平面内受力为主的张弦梁结构。平面张弦梁结构根据上弦构件的形状可以分为三种基本形式：直线型张弦梁、拱形张弦梁、人字型张弦梁结构。

图1 张弦梁结构得名形式

　　直梁型张弦梁结构主要用于楼板结构和小坡度屋面结构，拱形张弦梁结构充分发挥了上弦拱得受力优势适用于大跨度的屋盖结构，人字型张弦梁结构适用于跨度较小的双坡屋盖结构。

图2 平面张弦梁结构

　　空间张弦梁结构是以平面张弦梁结构为基本组成单元，通过不同形式的空间布置所形成的张弦梁结构。空间张弦梁结构主要有单向张弦梁结构、双向张弦梁结构、多向张弦梁结构、辐射式张弦梁结构。

图3 空间张弦梁结构

　　单向张弦梁结构由于设置了纵向支撑索形成的空间受力体系，保证了平面外的稳定性，适用于矩形平面的屋盖结构。双向张弦梁结构由于交叉平面张弦梁相互提供弹性支撑，形成了纵横向的空间受力体系，该结构适用于矩形、圆形、椭圆形等多种平面屋盖结构。多向张弦梁结构是平面张弦梁结构沿多个方向交叉布置而成的空间受力体系，该结构形式适用于圆形和多边形平面的屋盖结构。辐射式张弦梁结构是由中央按辐射状放置上弦梁，梁下设置撑杆用环向索而连接形成的空间受力体系，适用于圆形平面或椭圆形平面的屋盖结构。

3、张弦梁结构的形态定义

　　张弦梁结构象悬索结构等柔性结构一样，根据张弦梁结构的加工、施工、及受力特点。通常也将其结构形态定义为零状态、初始态和荷载态。

　　零状态，是拉索张拉前的状态，实际上是构件加工和放样形态，通常也叫结构放样态。

　　初始态，是拉索张拉完毕后，结构安装就位的形态，通常也叫预应力状态。初始态是建筑施工图中明确的结构外形。（包括在自重作用下）

　　荷载态，是外荷载作用在初始态结构上发生变形后大平衡态。

　　如果张弦梁结构的上弦构件按照初始形态给定的几何参数进行加工放样，那么在张拉拉索时，由于上弦构件刚度较弱，拉索的张拉势必会引导撑杆使上弦构件产生向上的变形，当张拉完毕后，结构上弦构件的形状将偏离初始形态，从而不满足建筑设计的要求。因此，张弦梁结构上弦构件的加工放样通常要考虑张拉产生的变形影响，这也是张弦梁结构需要进行形态定义的原因。

4、结论与展望

在目前的研究中，还应该考虑的一些问题：

(1)、索单元的数值模型问题。采用杆单元是不能精确描述索在低应力水平下的状态，选择合适的索单元来进行数值分析是值得讨论的问题。

(2)、对非线性有限元的收敛速度需要做深入的研究。在结构计算中经常会遇到用非线性有限元计算不收敛的问题。

(3)、对于大跨度张弦梁结构的风致振动、结构的振动特性以及振动控制是目前急需研究的问题，包括风场和风速的模拟、随机振动和藕合问题等

(4)、本文讨论的基本上是单榀平面张弦梁结构，此外，对于空间张弦梁结构比如空间双向、多向张弦梁结构、辐射式张弦梁结构其受力性能，有待更进一步的分析和研究。

(5)、现在的分析都是基于线弹性材料下的几何非线性分析，对于强震等较大荷载作用下的弹塑性分析，有待更进一步的研究。

关于张弦梁结构

日本一家游泳馆的馆顶就是张弦梁结构

张弦梁结构早期由前南斯拉夫和日本学者各自独立提出。南斯拉夫学者称之为双弦结构（Two Chord Structure），日本学者则称为张弦梁结构（Beam String Structure），目前在中国还是以张弦梁的叫法为主。

在中国，张弦梁结构的架设是在上个世纪九十年代。国内第一次应用就是1999年在上海浦东国际机场的航站楼，最大跨度的水平投影长度82.60米。后来，在广州国际会议展览中心、哈尔滨国际会议中心、北京全国农业展览馆中心及国家体育馆先后采用了张弦梁结构。

张弦梁结构主要由柔性索和刚性梁或拱、再加上撑杆组成。其中梁或拱作为结构的上弦部分，索作为结构下弦部分，通过预应力及撑杆的作用形成张弦梁整体结构，预应力锚固在上弦杆两端部。

从受力来看，由于张弦梁结构的下弦索预应力作用，有向径向作用力，这个力通过撑杆传递到上弦杆下部，形成了对梁体或拱的弹性支撑。所以在相同荷载作用下，对于同样的结构如果有张弦梁支撑会使结构内力大为降低，从而达到减少截面面积，降低结构自重减少材料用量的目的。从另一个方面来说，由于张弦梁的作用也是结构的跨越能力得以提升，所以在大跨度的厂房，候机厅及体育馆所都会优先考虑张弦梁结构。

张弦梁结构的特点可以归纳出这几个方面。结构简单，受力明确，轻盈而通透，跨越能力达，便于工厂化制造、运输及安装；对于空间的张弦梁结构更是刚度大、稳定性好。故此，张弦梁在大跨度的工业与民用建筑中广泛的应用，新建桥梁上应用目前只是一种起步，相信以后会作为结构一部分加以利用或作为独立结构架设。

2007年在上海的时候，在浦东国际机场候机，就发现了张弦梁结构。当时只是没有像今天感觉这样深刻，也没有今天这种认识深度。出于本能，还是拿出了单发数码拍了下面的几张照片。今天看来，我的第六感官仍在起着作用，只是在有形与无形之间那种潜意识的东西一直在向外涌出，支撑着我对自己专业的思考与执着。

西班牙的奥伦塞千禧桥在主跨跨中就用到了张弦梁，不过它是以斜拉结构加劲的辅助结构出现的。所以，在桥梁加固工程上根据现场情况有可能用到张弦梁，把它作为一种技术的手段还是很可行的！