大跨度张弦梁的结构特点和研究课题.doc

大跨度张弦梁的结构特点和研究课题陈建兴 赵宪忠 陈以一(同济大学建筑工程系 上海 200092)提要：张弦梁结构是近十余年来发展起来的一种新型大跨结构形式。结构由抗弯刚度较大的刚性构件和高强度的拉 索组成，自重较轻，可以跨度很大空间。本文在简要介绍张弦梁结构特征、成形过程和研究现状的基础上，对需要研究的课题提出建议。关键词：张弦梁，施工控制，结构稳定，振动一 概述 大跨度张弦梁结构（Beam String Structure，简称BSS）是近十余年来快速发展和应用的一种新型大跨空间结构形式。结构由刚度较大的抗弯构件（又称刚性构件，通常为梁、拱或桁架）和高强度的弦（又称柔性构件，通常为索）以及连接两者的撑杆组成;通过对柔性构件施加拉力，使相互连接的构件成为具有整体刚度的结构，如图1所示。由于综合应用了刚性构件抗弯刚度高和柔性构件抗拉强度高的优点，张弦梁结构可以做到结构自重相对较轻，体系的刚度和形状稳定性相对较大，因而可以跨越很大的空间。一般说来，尽管张弦梁的梁、拱和桁架截面可为空间形状，但结构的整体仍表现为平面受力结构。同时，张弦梁的组合亦可构成空间受力结构，如1991年日本建造的天城穹顶就是以张弦梁为基本受力单元组合成的空间穹顶结构(1)。图1 张弦梁结构的基本组成张弦梁结构已经应用于若干实际工程中。二十世纪九十年代，在日本建造了诸如Green Dome Maebashi，Ogasayama Dome，Urayasu Municipal Sports Hall等十几座类型各异的以张弦梁为主要受力结构的场馆，其中Green Dome Maebashi的平面尺寸达167122m(2)。1997年建成的上海浦东国际机场候机楼是我国首次将张弦梁结构应用于超大跨空间结构中，其最大跨度达82.6m(3)；目前在建的广州国际会展中心也在屋盖体系中采用张弦梁结构，其最大跨度达126.5m；拟建的深圳会展中心，其张弦梁结构跨度也将达124m。张弦梁结构在我国的研究和应用尚处于初级阶段，本文拟简单介绍张弦梁结构的结构特征、成形过程和若干理论问题的研究现状，并在此基础上对需要进一步研究的课题提出建议。二 张弦梁的结构特征张弦梁结构的整体刚度贡献来自抗弯构件截面和与拉索构成的几何形体两个方面，是种介于刚性结构和柔性结构之间的半刚性结构(4)，这种结构具有以下特征： 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。例如，当刚性构件为梁时，在梁跨中设一撑杆，撑杆下端与梁的两端均与索连接，如图2(a)所示。在均布荷载作用下，单纯梁内弯矩见图2(b); 在索内施加预应力后，通过支座和撑杆，索力将在梁内引起负弯矩，如图2(c)。当预应力使梁的跨中弯矩也达到时，张弦梁结构中梁的最大弯矩最终只有单纯梁时最大弯矩的1/4，如图2(d)。同时，调整撑杆沿跨度方向的布置，还可以控制梁沿跨度方向内力的变化，使各个截面受力趋于均匀。而且由于刚性构件与绷紧的索连在一起，限制了整体失稳，构件强度可得到充分利用。 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。 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，易于设计与制作。 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(5)。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(6)。 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。例如浦东国际机场屋盖上弦是焊接钢管组成的截面，结构外形如振翅欲飞的鲲鹏；广州国际会展中心屋盖上弦是空间桁架，结构外形如游曳的鱼。张弦梁结构的建筑造型和结构布置能够完美结合，使之适用于各种功能的大跨空间结构。 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。三 张弦梁结构的成形过程张弦梁结构的成形过程包括张弦梁刚性构件的装配、索内预拉力的施加和整体结构的安装就位等。只有在对索施加一定的预拉力之后，张弦梁才能成为具有整体刚度的承重结构，因此索内预拉力的施加是其成形的关键环节。（一）张弦梁结构中索内预拉力的施加方法对钢索施加预拉力的方法多种多样，在张弦梁结构中常用的有三种(7)：花篮螺丝调节法（图3a）、张拉钢索法（图3b）和支承卸除法（图3c）。图3 索内预拉力的施加方法 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。浦东国际机场候机楼张弦梁结构小比例模型试验中即采用此法施加预拉力。 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。浦东国际机场候机楼和广州国际会展中心的张弦梁屋盖都是采用两端张拉来施加预拉力。 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。（二）索预拉力的施加方案一般采用张拉钢索法对大跨度张弦梁结构施加预拉力。钢索可以在张弦梁结构各构件装配在结构支座处后一次张拉; 也可以在临时支架上进行张拉，张拉完毕后再提升并滑移至结构支座处。对在临时支架上张拉的张弦梁结构，可能还有必要在其安装到结构支座处后再次张拉，即分批张拉。进行分批张拉的原因有二：其一，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，可能导致结构变形太大，无法获得理想的几何位形；其二，对安装在支座上的张弦梁结构再次张拉可以调整几何位形方面的施工误差，提高施工质量。索内预拉力的施加方法和方案应根据结构特点、张拉机具、锚具特点和吊装能力等综合确定，必要时可以采用不同方法的组合方式以施加预拉力。四 张弦梁结构的若干研究重点虽然大跨张弦梁结构已经应用于诸多实际工程中，但是关于其理论和试验的系统研究尚鲜有涉足，并很少出现在可查的文献中。已有的研究包括：利用商用或自行编制的考虑几何非线性的分析程序，考察撑杆数目、矢跨比、梁弦刚度比、弦的预拉力和边界约束条件等参数对成形后的张弦梁结构性能的影响(8)-(13)；对浦东国际机场候机楼张弦梁屋盖进行缩尺和足尺模型试验，比较全面地分析了张弦梁结构在张拉阶段和使用阶段的受力性能(13)；通过地震振动台模型试验，初步分析了张弦梁结构屋盖系统在地震动下的反应特征(14)。以上研究使人们对张弦梁的受力性能有了比较清楚的认识，为张弦梁的设计和施工提供一定的参考依据。但是这些研究主要集中在张弦梁结构成形后的参数分析或仅针对某一实际结构进行全面分析，这远远满足不了实际工程的需要。结合张弦梁结构在实际工程中的应用，有必要对以下问题进行系统和深入地研究。（一）施工控制问题张弦梁结构作为一种半刚性结构，其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(15)，因而宜将张弦梁结构的施工阶段作为一个独立的过程进行详细分析。张弦梁的成形过程涉及到预拉力确定、放样几何的确定以及施工方案的选择三个问题，合理确定这三个参数才能获得理想的几何位形并保证结构在不同荷载作用下的整体刚度。 预拉力确定索内引进预拉力的目的是形成必要的整体刚度并获得理想的几何位形(16)。最佳预拉力就是在满足以上两个前提下，使刚性结构受力最小(17)。国内外目前尚未对张弦梁结构的最佳预拉力提出合理的确定方法，但对初始预应力的分布的计算已提出一些切实可行的办法 (17)(19)。文献(17)提出了根据预应力向量的最小方差原理、索伸长量最小方差原理和最小势能原理确定索初始预应力的方法，但是该方法只考虑在给定几何和边界条件下索拉力的计算，没有考虑几何位形随预应力变化的特点，只能得到一个近似的预拉力。一般情况，索内张力为(20)：其中：Te结构自重引起的拉力 Tp为控制结构性能而引进的拉力 Ta附加荷载引起的拉力 To结构成形时索的拉力因此就是待确定的索内预拉力。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，即T 0，ToTa故。对只承受向下荷载作用的结构， Ta大于0，ToTa自动满足；当结构承受向上的荷载作用（如风吸力）时，Ta 0，则所需的最小预拉力To=-Te。因此所需的最小预拉力为max(Te-Ta)。其次，为了获得理想的几何形体，必须控制To的最大值。以浦东国际机场候机楼R2张弦梁屋架为例(13)，张拉过程中，当张弦梁脱离临时支架后，每施加10KN的预拉力，张弦梁跨中顶部上拱50mm，且上拱速度逐步加快。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。 放样几何的确定张弦梁结构在成形过程中经历以下几种状态：放样状态，此时所有构件内力均为0，亦称零状态，这个状态对应的几何参数就是工厂加工制作构件的依据；位于放样状态和设计状态之间的过渡状态，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和索内预拉力，其中包括两种情况，一是张拉完毕，支承在临时支架的受力状态，一是提升或滑移中的受力状态；对在结构支座处装配并张拉的张弦梁结构，该状态的受力为结构自重和作用在其上的其它结构重量；设计状态，此时索内预拉力施加完毕，结构受力为结构自重和预拉力，该状态就是建筑设计的依据，也是结构成形后受力分析的初始条件，故亦称初始状态。张弦梁结构设计状态的几何条件一般是给定的，因此其形状确定问题表现为确定结构初始状态的预应力分布和放样状态的几何形状，以进行构件加工。从放样状态到设计状态，张弦梁经历的是大位移弹性变形过程，必须采用非线性方法进行分析。已有的形状确定方法主要是关于索网结构和膜结构的形状确定，例如力密度法(21)(22)、动力松弛法(23)(24)和最小二乘法(25)等，它们解决的问题是给定边界几何或初始预应力分布寻找空间形状的问题，即设计状态几何形状的确定。对于给定设计状态的几何和预拉力确定结构的放样几何，文献(26)提出采用逆迭代法确定索梁初始状态和放样状态的方法，这种方法包含多次非线性迭代和多次试算，经验要求较高，耗时较多。因而有必要寻找一种方向性更为明确的算法，直接从设计状态进行逆分析求放样几何，避免过多的迭代和试算。 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）。针对于具体的工程项目和施工条件，每种施工方案各有利弊，应权衡之后再进行选择。当采用张拉钢索法施加预拉力时，对刚性构件刚度相对较小，而要求的预拉力相对较大的张弦梁结构，应尽量采用分批张拉，避免出现过大的反拱位移，破坏结构的几何位形。在结构支座处张拉钢索可以避免吊装，而且钢索只要在结构支座上张拉即可。但是这要求高空作业，难度较大，而且此时张弦梁结构已经与支撑或其它屋盖结构构件连接在一起，张拉钢索引起的结构变形会给支撑施加附加的外部作用，因此还必须分析这种附加作用产生的不利影响。当采用在临时支架上张拉的方案时，张弦梁结构将从临时支架吊装到结构支座上，必须分析吊装状态下结构的受力性能。总之，施工方案的多样性在方便施工的同时也对结构施工状态的分析提出更多、更高的要求。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。因此，建立一个反演施工过程的数值模型，预测下一施工时段的结构性态，并与其它判断模块集成在一起形成一个正确指导结构施工的系统。对施工控制的研究目前主要集中在斜拉桥和悬索桥(27)(29)，它们与张弦梁结构的施工控制有许多类似的方面，例如索力确定、张拉控制和位形控制，对张弦梁结构施工控制的研究 具有一定的参考价值。（二）结构稳定问题张弦梁的稳定问题有两类，一是结构中各结构构件，如上弦杆和撑杆的稳定问题；另一类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。文献(30)对广州国际会展中心张弦梁结构的上弦杆的稳定问题进行了数值分析，结果表明在使用荷载作用下，上弦杆不会出现失稳破坏。在结构的整体稳定性方面，首先，在张拉过程中，结构尚未成形，整体刚度较弱，如果处理不当，可能出现弦杆结构的平面外失稳和平面内失稳。其次，成形后的张弦梁结构可以看做是一类特殊的“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，与一般桁架的差别主要在于用高强度钢索代替普通桁架的下弦。因此一般桁架中的稳定问题也可能在张弦梁结构中出现(31)。再次，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。同时，张弦梁结构的重心位于结构的上部，因此整体结构的倾覆是不可忽视的问题。应该指出的是，张弦梁结构中索内预拉力的存在是结构整体刚度的保证，同索杆、索膜结构一样，结构稳定首先要求索不能出现松弛(6)。文献(30)利用STRAND7.0对广州国际会展中心屋盖进行稳定分析，得到当荷载为设计荷载的22.3倍时，结构最先发生平面内屈曲。文献(11)在张弦梁足尺试验中对张弦梁下弦的跨中和四分点共4点分别施加3KN面外水平荷载，屋架平面外水平变形非常微小，而且卸除该荷载后变形也基本恢复。这在一定程度上反映了张弦梁结构的稳定性能，但是这些研究仅局限在某一结构的某一方面的稳定分析，针对张弦梁结构特点的稳定分析理论和数值分析方法尚未建立。（三）振动问题张弦梁结构单位重量轻，在风荷载作用下容易发生较大的变形和振动，甚至导致预应力索发生松弛而使结构处于不稳定状态(15)。水平和竖向地震作用引起的反应往往是同数量级的，地震反应分析一般需要考虑三维地震输入(14)(32)；同时由于结构跨越了较大跨度，且可能支承在不同结构上，异相位差问题突出。大跨空间结构的频率分布密集，往往前十几阶振型均对地震反应有贡献(33)(34)。此外，在风载和地震作用下，张弦梁结构的支撑和节点连接等也会出现不同于静力荷载作用时的性能和破坏特征。文献(14)对浦东国际机场候机楼屋盖进行了缩尺模型的振动台试验，揭示了张弦梁结构在地震作用下的地震反应特征和薄弱环节。关于张弦梁结构的动力分析目前尚未进行系统研究，由于该类结构具有与高层和高耸结构不同的动力性能，而且索在振动过程中张力不断变化，一般的振型分解法在张弦梁结构的动力反应分析中将不再适用，其它的动力分析方法如何有效考虑这些差异是值得探讨的问题。五 结语若干张弦梁结构的实际工程应用已经证明，该类结构具有结构简单，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，在大跨度空间结构方面具有广阔的应用前景。而目前的理论研究，尤其是结构分析与施工过程相结合的系统分析尚落后于实际工程应用，因此有必要对此进一步加以研究和探讨，提出合理的设计、施工和优化方法，以建造技术先进、经济合理、安全适用的大跨度张弦梁结构。 参考文献（1） 日本钢结构协会. 鋼構造技术总览. 技报堂出版，东京，1998.（2） M. 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