张弦梁结构知识

1、-作者xxxx-日期xxxx张弦梁结构知识【精品文档】张弦梁结构简介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。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

2、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

3、结构的作用力减少的最小限度。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。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。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

4、式张弦梁结构。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。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

5、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

6、态定义的原因。大跨度张弦梁的结构特点和研究课题摘要：大跨度张弦梁结构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。 关键词：大跨度 张弦梁 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

7、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。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，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，

8、撑杆下端与梁的两端均与索连接，在均布荷载作用下，单纯梁内弯矩; 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。 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。同时，若适

9、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。 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。张弦梁结构的成形

10、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 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

11、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

12、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。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；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

13、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；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。（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，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。 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。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

14、下都不能松弛其次，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，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

15、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，张弦梁结构设计状态的几何条件一般是给定的。 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

16、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

17、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。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。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

18、度张弦梁结构。张弦梁结构的探讨1、张弦梁结构的受力机理和分类1.1、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

19、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。1.2、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，（如图2）。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

20、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1 张弦梁结构得名形式图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。（如图3）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

21、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。图3 空间张弦梁结构2、张弦梁结构的找形分析2.1 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

22、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。2.2 张弦梁结构找形分析目前有关文献中找形的方法不外乎有张其林提出的逆迭代法、文献中改进的逆迭代法。逆迭代法实际上是一种非常自然的思路：既然设计蓝图上的张弦梁几何尺寸是初状态(预应力张拉完毕时结构的状态)的尺寸，那么就可以以此初状态尺寸为近似零状态尺寸建立有限元

23、模型，然后对其施加预应力(预应力值按设计要求)进行张拉，得到近似初状态。然后将此近似初状态的几何尺寸与设计图中真正的初状态的几何尺寸的差值反向增加到原有限元模型的节点坐标上，作为近似初状态重新建模，并再次进行张拉，如此循环迭代，直到近似初状态与初状态的坐标差值足够小，即可视此近似初状态为初状态，而由之张拉而来的近似零状态为要求的零状态。如此既可得到零状态几何尺寸(施工人员据此放样)，又可得到初状态的内力、应力分布，从而完成找形工作。实践证明，只需进行次数不多的迭代，就可达到足够的找形计算精度。上面提到的逆迭代法是将端部索段断开，释放该处屋架上下弦的水平约束，并将该索段的预拉力的水平分量作为外力

24、分别反向作用在屋架上下弦端部，进而一步步逆迭代计算。这种处理方法固然可以求出零状态的几何参数和初始态预应力分布，但是如果要在此基础上继续进行荷载态的分析，则举步维艰。因为索切断之后的结构已经转化为静定结构，在这个静定结构上加载分析显然不能反映原先结构的受力特性，特别是此时下弦索内力已不会再随荷载的变化而变化，失去了其原有的作用。改进的逆迭代法，不是把索段用力张拉来实现，而是在索段中施加一定大小的初应变，使其在变形协调后该索段的内力等于预定值，通过这样的改变使得研究问题可以在此基础上连续进行承受外荷载作用下的分析。从而弥补了以往预应力张弦梁结构的力学性能研究中未能考虑受力状态改变的缺陷。具体迭代

25、过程如下：假定图纸给定的结构初始态坐标表示为X Y Z ，经过第k次迭代后所得的零状态几何坐标为X Y Z 初始态坐标为X Y Z ，位移为U 。(1)首先假设当前的几何即为零状态几何，即令X Y ZX Y Z。(2)在某(些)索段加上初应变(预估)，对几何为X Y Z 的结构计算得位移U ，k1(3)计算X Y ZX Y Z+ U，令X Y Z 一X Y Z 。(4)判别是否满足给定的精度。若满足，则X Y Z即为所求的零状态几何坐标；若不满足，则令X Y Z X Y Z + ，转第二步，并令 kk+ 1。(5) 由以上步骤得出零状态的几何参数后，将初应变值赋予该索段求出平衡后所得到的状态即

26、为初始态预应力分布。此时，应当检验该索段的内力值是否为预定值，如果不是，则应当调整初应变值从步骤(2)重新计算。3、单榀张弦梁结构性能各影响因素分析3.1 对单榀张弦梁结构性能各影响因素分析的研究现状文献4通过对撑杆数目、垂跨比、高跨比、梁的截面特性和弦的预应力等参数对单棍张弦梁结构静力性能的影响进行分析，得出以下结论:(1)、撑杆数目：通过撑杆连接拱和弦的张弦梁结构，受力合理。但是撑杆数目的增加并不能改善结构的受力性能，文献4以一跨度为22.4m的单榻张弦梁为例进行分析，认为该情况下撑杆数超过3个后，受力性能改善效果不再明显，所以撑杆数目以3个为益。(2)、垂跨比或高跨比的影响： 垂跨比是下

27、弦索的垂度和结构跨度的比值价/L),高跨比是上弦梁的矢高和结构跨度的比值切IL)。随着垂跨比或高跨比的增大，除剪力外，其它内力如梁的弯矩和轴力以及索的最大应力都减小，同时结构的变形也减小，但半跨荷载下的变形幅度小于全跨荷载下的变形幅度，因此，当垂跨比达到某个特定值后，位移反应的不利荷载由全跨荷载转为半跨荷载。(3)、上弦梁的惯性矩的影响：随着上弦梁的惯性矩的增大，全跨荷载下的变形儿乎没有变化，但半跨荷裁下的变形显著减小，并且全跨荷载下的最大正应力和半跨荷载下的梁的正应力也减小，所以通过增大梁的惯性矩，来提高半跨荷载下的刚度及结构受力性能是有益的。(4)、梁截面面积的影响：随着梁截面面积的增大，除梁的正应力有所减小外、其它内力及变形几乎没有变化，所以提高梁的面积，对一受力性能的改善是不明显的。(5)、下弦索的预应力的影响：随着下弦索的预应力的增大，变形显著减小，拱的正应力也趋向于减小，但不明显，所以弦的预应力主要有助于减小变形。(6)、下弦索的面积的影响：随着下弦索的面积的增大，变形和索的内力显著减小，梁的正应力也趋向于减小，但幅度不大，所以单纯增大弦的面积，虽能提高刚度，但弦的材料强度不能充分利用。(7)、梁截面型式的影响：梁截面采用工字型截面相比采用钢管截面，从力学角度看，更经济合理。(8)、张弦梁结构尺寸应在建筑允许的条件下