大跨度张弦梁结构特点及施工方案对比

2019-01-12常海霞

魅力中国 2019年17期

常海霞

（身份证号：1321291974****2843）

一、张弦梁结构特点

（一）张弦梁结构定义

大跨度张弦梁结构（Beam String Structure）是近年来发展起来并广泛应用的一种新型大跨空间结构体系，该体系是在上世纪80年代由日本Nihon大学的Masao Sitoh教授首先提出。张弦梁结构是用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件, 并通过在抗拉构件上施加预拉力以减轻压弯构件负担而形成的自平衡体系，一般抗弯构件又称刚性构件，通常为梁、拱或桁架，抗拉构件弦又称柔性构件，通常为索。由于抗弯构件利用施加在抗拉构件上的预应力使其产生反挠度，使结构在荷载作用下的最终挠度得以减少；撑杆对抗弯构件提供支撑，改善了其受力性能；抗拉构件承受了抗弯构件的水平推力，减轻了其对支座的负担，并减少了滑动支座的水平位移，所以这种构件受力简洁明确，能充分发挥材料受力特长的新型结构可以得到广泛的应用。同时其多种组合结构亦称空间受力结构也为建筑师乐于采用。

（二）张弦梁结构特征

张弦梁结构的整体刚度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。其能在诸多大跨度空间结构中得到快速发展和广泛应用，主要由于其有如下优点：

（三）承载能力强

张弦梁结构中的抗拉构件提高了结构的整体刚度，在同样荷载的作用下，张弦梁结构的变形远小于单纯刚性构件。此外，由于预应力抗拉构件对撑杆提供支撑，使其对上弦构件提供弹性支撑，进而使其产生与荷载方向相反的弯矩，进而减小上弦构件弯矩，增强了结构稳定承载力。同时，调整撑杆方向，还能使上弦构件各个截面受力更加均匀。

（四）适用跨度大

同普通的平面桁架相比，张弦梁结构的下弦采用高强度拉索，取消了较长的斜腹杆。当跨度增加时，结构的跨中厚度可以相应地提高来保证必要的整体刚度。而跨度增加造成的下弦内力的增加又通过高强度拉索来承担。同时由于不存在斜腹杆，竖腹杆的受力较小，其间距也较普通平面桁架大。以上特点使得张弦梁结构具有跨越较大空间的能力。

（五）建筑造型适应性强

张弦梁结构中的上弦刚性构件的外形可以根据建筑功能和美观的要求自由的选择，而结构的受力特性不会受到影响。

（六）受力合理

通常张弦梁结构为平面受力体系，或为平面受力单位组合而成的空间受力体系，其有很大的截面高度，从而具有很大的竖向刚度，而且其截面高度变化形式与弯矩变化形式一致，所以其受力比较合理。此外由于没有斜腹杆，所以其结构形式简洁，力流传递明确。

二、张弦梁结构施工方法

目前，国内对施工控制的研究主要集中在桥梁方面[5]，关于张弦梁结构的施工控制研究还不够成熟，随着对近些年建造的大跨度张弦梁结构工程（如：03年的哈尔滨国际会议展览体育中心、05年的全国农业展馆、06年的国家体育馆等）的理论分析和实验研究，在位形控制和稳定性分析等方面取得了一定成果，但对张弦梁结构的施工方法缺乏总结，特别是在下弦钢索张拉力的优化、预应力张拉控制以及施工全过程跟踪模拟等方面的研究还不够全面，使得张弦梁结构的施工控制理论落后于工程实践。

三、张弦梁的施工主要包括以下两个部分：

张弦梁结构施工时可根据张弦梁的结构形式和场地大小选择以下两种方式进行拼装和张拉：

（一）单步张拉法：当张弦梁跨度较小，屋面荷载也不大，可根据计算结果采用单步张拉法。所谓单步张拉法，即拉索的预张量考虑了梁自重以及之后施加在屋面檀条、支撑系统和屋面板等荷载的作用，在地面拼装并一次张拉到位然后再整体吊装的方法。单步张拉法的特点是：施工方便、需要场地大、对吊装设备要求高、吊装施工难度较大，施工效率不高。

（二）分级张拉法：当张弦梁跨度较大，屋面荷载也较大，可根据计算结果先在地面张拉一次，再吊装就位然后再分级张拉。所谓分级张拉法，即拉索的预张量只考虑了张弦梁自重和屋面荷载的作用，等屋面结构安装完成后再进一步张拉的方法。分级张拉法中张拉方式按空间位置又可分为胎架张拉和吊起张拉。