作者 | 鰻魚

本文來源于微信公眾號“非解構(gòu)”（id：non-structure）

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張弦梁的產(chǎn)生

張弦梁是最早出現(xiàn)的張弦結(jié)構(gòu)，1839年德國建筑師Georg Ludwig Friedrich Laves發(fā)明了一種預(yù)應(yīng)力梁，他把梁分為上下兩層并用立柱連接，通過這種連接方式梁的強(qiáng)度明顯提高且將其用在Herrenhausen花園的溫室中，這是目前查到最早的張弦梁雛形。Paxton將預(yù)應(yīng)力梁這個概念進(jìn)一步應(yīng)用于實際工程，分別建成了1851年倫敦萬國博覽會的水晶宮和1876費城博覽會的國際展廳。近代張弦梁（Bean String Structure）結(jié)構(gòu)由日本大學(xué)名譽(yù)教授齋藤公男明確提出并研究其受力特性和分析設(shè)計原理。

1851年倫敦萬國博覽會屋蓋鋼結(jié)構(gòu)806的張弦梁結(jié)構(gòu)

1876年費城博覽會展館國際展廳

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張弦梁的結(jié)構(gòu)形式及受力特性

（1）結(jié)構(gòu)類型

張弦結(jié)構(gòu)顧名思義，由最初的“將弦進(jìn)行張拉，與受力桿件組合”這一基本形式而得名。張弦梁結(jié)構(gòu)有三種基本的構(gòu)件組成，即承受壓彎構(gòu)件的上弦剛性構(gòu)件、承受拉力的下弦索和連接兩者的受壓撐桿。

張弦梁結(jié)構(gòu)組成

張弦梁根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為三種基本類型：張拉直梁、張拉拱和張拉人字型拱。張拉直梁張弦梁結(jié)構(gòu)多用于樓面結(jié)構(gòu)和小坡度屋面結(jié)構(gòu)；拱形張弦梁結(jié)構(gòu)多用于大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)甚至超大跨度的屋蓋結(jié)構(gòu)；人字形拱張弦梁，需要先用索撐構(gòu)件對兩個坡面梁進(jìn)行加強(qiáng)，形成兩個獨立的張弦梁，在補(bǔ)加下弦拉索，形成二次張弦梁結(jié)構(gòu)。三種形式中張拉拱受力最為合理、美觀且富于變化，因此廣泛應(yīng)用于實際工程和理論研究。

張弦梁基本形式示意圖

數(shù)榀張弦梁結(jié)構(gòu)通過不同布置方式可以形成不同的結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)空間結(jié)構(gòu)可分為平面張弦梁和空間張弦梁。平面張弦梁是以平面受力為主的單向張弦梁結(jié)構(gòu)；空間張弦梁以空間受力為主的結(jié)構(gòu)體系，包括雙向張弦梁結(jié)構(gòu)、多向張弦梁和輻射式張弦梁結(jié)構(gòu)。

（a）單向張弦梁結(jié)構(gòu)

（b）雙向張弦梁結(jié)構(gòu)

（c）多向張弦梁結(jié)構(gòu)

（d）輻射式張弦梁結(jié)構(gòu)

張弦梁結(jié)構(gòu)體系的基本類型

雙向張弦梁是兩個方向交叉的平面張弦梁的彈性支撐桿，荷載由雙向布置的上弦傳給下部索撐體系，由于兩個方向的平面張弦梁互為對方提供平面外彈性約束，克服了單向張弦梁側(cè)向穩(wěn)定性差的缺點，可以更好的發(fā)揮張弦梁的優(yōu)勢。多向張弦梁在工程上多應(yīng)用于三向交叉布置，相對于單向、雙向張弦梁結(jié)構(gòu)來說，它的空間傳力作用更大，但制作很復(fù)雜，尤其多根上弦相交的節(jié)點構(gòu)造和連接焊縫復(fù)雜，較適用多邊形結(jié)構(gòu)形式。輻射式張弦梁結(jié)構(gòu)在中央位置敷設(shè)剛性環(huán)，上弦梁或桁架與剛性中央環(huán)連接且呈輻射狀布置。下弦拉索將中央環(huán)與上弦梁連接為一體，并通過撐桿對上弦剛性構(gòu)件提供作用。

（2）基本構(gòu)件

 拉索作為張弦結(jié)構(gòu)體系的核心構(gòu)件，屬于柔性結(jié)構(gòu)。一般可分為鋼絲繩、鋼鉸線、鋼絲束和鋼拉桿。拉索的抗拉強(qiáng)度按f = Nmax/A式計算，其中Nmax是鋼索最大軸力設(shè)計值。在實際設(shè)計中索的設(shè)計影響因素眾多，如震動會給索反復(fù)施加荷載，從而引起松弛，需考慮索的疲勞和松弛效應(yīng)；長期暴露在室外環(huán)境的弦支結(jié)構(gòu)，外部溫度變化引起的預(yù)應(yīng)力損失亦不可忽視。此外，索結(jié)構(gòu)的腐蝕會帶來嚴(yán)重安全隱患，現(xiàn)工程中多采用高釩索防腐，不僅防腐效果較好還具有良好的抗扭轉(zhuǎn)和抗滑移性能。

 撐桿是連接梁和索的重要構(gòu)件，它在結(jié)構(gòu)中又有什么特殊要求呢？張弦梁的撐桿可以沿跨度方向均勻或不等距布置，其高度依據(jù)建筑功能及受力特性決定。一般撐桿的高度越高承載效率越高，撐桿過高會使其易失穩(wěn)。若使每個撐桿有效承壓，在布置時每三個相鄰撐桿之間連成凹形，整個索呈外凸型；當(dāng)荷載沿梁均勻分布時，桿高宜按其彎矩拋物線軌跡布置。當(dāng)梁的某處有集中荷載時，應(yīng)當(dāng)在該處設(shè)置撐桿以平衡集中荷載，撐桿的高度按彎矩值比例計算。

撐桿位置與高度的設(shè)置原則

（3）受力特性

1）受力機(jī)理

張弦梁的受力體系通常是對下弦拉索施加預(yù)應(yīng)力，通過撐桿對上部剛性構(gòu)件產(chǎn)生豎向頂升力，改善了上部構(gòu)件的內(nèi)力幅值與分布，減小了由外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和變形。張弦梁是典型的剛、柔雜交結(jié)構(gòu)，這樣不僅充分利用了拉索的高強(qiáng)度性能，而且通過帶預(yù)應(yīng)力的拉索改變結(jié)構(gòu)的受力性能。

張弦梁的受力機(jī)理圖示

2）撐桿數(shù)量對結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移的影響

當(dāng)沒有撐桿時，該結(jié)構(gòu)實質(zhì)是一個彎矩比較大的拱型梁。當(dāng)有一個撐桿時，上弦桿具有較大的軸力，同時彎矩峰值急劇下降。當(dāng)撐桿的數(shù)量達(dá)到一定時，對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形并沒有明顯的改善，所以撐桿的數(shù)量不易過多。

無荷載時撐桿數(shù)量的影響

撐桿數(shù)量對張弦梁內(nèi)力及位移響應(yīng)的影響

3）初始預(yù)應(yīng)力的影響

預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)一般有三種狀態(tài)：初始態(tài)（結(jié)構(gòu)僅在預(yù)應(yīng)力作用下的設(shè)計目標(biāo)態(tài)）、零狀態(tài)（在初始態(tài)基礎(chǔ)上把預(yù)應(yīng)力釋放掉后的受力狀態(tài)）和荷載態(tài)（在初始態(tài)基礎(chǔ)上施加其他荷載后的受力狀態(tài)）。對于張弦梁施加預(yù)應(yīng)力的過程是從零狀態(tài)到初始態(tài)的過程，當(dāng)結(jié)構(gòu)承受外部荷載時從初始態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楹奢d態(tài)。下圖中給出不同的預(yù)應(yīng)力只是改變了預(yù)應(yīng)力和外荷載組合作用下的撓度值，并沒有改變張弦梁結(jié)構(gòu)的剛度值（即荷載位移曲線的初始斜率）。因此預(yù)應(yīng)力的大小并沒有改變張弦梁結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下的剛度值，只是改變了結(jié)構(gòu)在荷載作用下的撓度值。

預(yù)應(yīng)力對張弦梁結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)的影響（恒外載）

4）動力特性

如果張弦梁僅在兩支座處設(shè)置面外支撐，張弦梁振型見下圖，但是實際工程中上弦大多數(shù)由面外約束的，此時振型見下圖。

上弦面外無約束的振型

上弦面外存在約束的振型

5）缺點

   張弦梁用作屋蓋結(jié)構(gòu)時，屋面常采用輕質(zhì)圍護(hù)材料，此時張弦梁屬于風(fēng)荷載敏感型結(jié)構(gòu)。對于設(shè)計風(fēng)荷載較大且采用輕屋面系統(tǒng)的張弦梁屋蓋，在風(fēng)吸力作用下下弦拉索可能會受壓而退出工作，這將使得張弦梁結(jié)構(gòu)的整體受力狀態(tài)發(fā)生實質(zhì)性變化，會影響結(jié)構(gòu)的安全性。因此，在張弦梁結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用中常采用攬風(fēng)索拉住張弦梁中的上弦剛性梁，以保證在風(fēng)吸力作用下拉索不退出工作以及在拉索退出工作后剛性梁也不被破壞。此外，也可以采取加大張弦梁自重的做法或采用重型屋蓋以平衡風(fēng)吸力的作用。

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張弦梁結(jié)構(gòu)經(jīng)典案例

上海浦東國際機(jī)場（一期）航站樓屋蓋

上海浦東國際機(jī)場(一期)航站樓屋蓋是國內(nèi)首個采用張弦梁結(jié)構(gòu)的工程，如下圖所示。航站樓屋蓋張弦梁水平投影跨度依次為49.3m,82.6m,4m和54.3m。包括進(jìn)廳、辦票廳、商場及登機(jī)廊。單榀張弦梁的上部構(gòu)件為三根箱型截面鋼梁，鋼梁平行放置，中間為主弦，截面尺寸為400mm×600mm×18mm，兩側(cè)為副弦，截面尺寸為300mm×300mm×10mm。主弦和副弦之間由短鋼管焊接連接，并且通過設(shè)置擦條和斜撐來加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及抗側(cè)剛度。張弦梁之間的縱向間距為9m，空間梁系組成的托架分布于屋蓋側(cè)邊用于支撐屋架，鋼柱和混凝土剪力墻上承擔(dān)由縱向桁架傳來的荷載。值得注意的是，進(jìn)入廳和離港廳屋蓋均設(shè)置抗風(fēng)索，其作用是幫助屋蓋結(jié)構(gòu)抵御風(fēng)吸力。

上海浦東國際機(jī)場（一期）航站樓

上海浦東國際機(jī)場（一期）航站樓樓蓋

浦東機(jī)場T1航站樓剖面圖

國家體育館屋蓋

國家體育館由比賽館和熱身館兩部分組成，兩個館的屋頂投影為矩形，其中比賽館平面尺寸114m×144m。由于跨度較大，設(shè)計時為了減少結(jié)構(gòu)鋼用量，增加結(jié)構(gòu)剛度，采用雙向張弦結(jié)構(gòu)，其上弦為正交桁架組成的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，下弦為正交索網(wǎng)。

國家體育館

國家體育館屋蓋圖

國家體育館的比賽館上層由橫向18榀、縱向14榀正交的平面桁架組成，其中上弦、腹桿采用無縫圓鋼管，節(jié)點為焊接球，下弦采用矩形管，桁架材質(zhì)為Q345C。下層為鋼支撐桿及雙向預(yù)應(yīng)力空間張拉索網(wǎng)，橫向14榀、縱向8榀，橫向為雙索、縱向為單索，鋼索采用擠包雙互層大節(jié)距扭鉸型纜索，強(qiáng)度等級1670MPa,撐桿為φ219×12鋼管，最長為9.248m。桁架通過六個三向固定鉸支座和54個單向滑動球鉸支座支撐在周邊勁性鋼筋混凝土柱頂上。

國家體育館平面圖

國家體育館剖面圖

考慮到現(xiàn)場施工條件、施工工期和tag_17屋蓋的外形特點，施工采用了地面分段組裝，高空整榀拼裝，縱向桁架沿橫向帶索累積滑移，滑移到位后進(jìn)行雙向預(yù)應(yīng)力索分級對稱張拉的施工工藝。在累積滑移過程中，縱向索的預(yù)緊力為索預(yù)應(yīng)力值的10%。待整個屋蓋結(jié)構(gòu)安裝到位后，開始張拉預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力分兩級施加:第一級由兩邊往中間對稱張拉，施加80%;第二級則由中間往兩邊對稱張拉，施加20%。預(yù)應(yīng)力張拉前為避免屋蓋結(jié)構(gòu)的剛體位移，減少預(yù)應(yīng)力張拉對屋蓋結(jié)構(gòu)及下部結(jié)構(gòu)的影響，采取先固定兩個支座待預(yù)應(yīng)力張拉完畢后，各支座處均發(fā)生了相應(yīng)的水平位移，此時再視情況確定支座固定就位的合理位置。

滑移過程示意圖

國家體育館施工圖

上海世博會主題館

上海世博會主題館是亞洲第一大跨度、大空間的展覽建筑。

上海世博會主題館

上海世博會主題館屋蓋圖

該工程屋蓋結(jié)構(gòu)布置在A~W列和1~26軸，根據(jù)跨度大小分別采用了張弦立體桁架和普通桁架結(jié)構(gòu)。西區(qū)（1~9軸）采用張弦立體桁架，共9榀，跨度為126m，間距18m。其上弦采用邊長為3m的正置三角形圓鋼管立體桁架，下弦采用兩根1670級高強(qiáng)束索，規(guī)格為PES C5-409，外包PE。下弦索為折線形，分為三個索段，折點處通過索夾與雙V字型撐桿聯(lián)相連。張弦立體桁架通過倒錐形支撐和支座連接，柱頂標(biāo)高為20.05m，縱向設(shè)置連系桁架、屋面支撐和檁條。鋼屋蓋在A列和W列外側(cè)懸挑，懸挑距離達(dá)到18.9m。

山西體育中心

山西體育中心位于山西省太原市長風(fēng)文化商務(wù)區(qū)南側(cè)，西臨晉陽湖，東依汾河。體育中心采用一場三館集中建設(shè)，體育館、游泳館、自行車館整合一體的設(shè)計方案，其中體育館、游泳館、自行車館上部為一整體鋼結(jié)構(gòu)屋蓋，支撐于下部5個獨立混凝土單元之上，縱向長度約512m，橫向長度約120m，最大跨度為88m，采用多重張弦網(wǎng)殼+空腹桁架+魚腹式桁架結(jié)構(gòu)體系，三館間通過6.00m標(biāo)高的兩座平臺連接。

山西體育館

山西體育館屋蓋

屋蓋上弦為單層網(wǎng)殼，采用焊接箱型界面。下弦索支撐體系沿短跨方向布置，可看做主張弦梁與次張弦梁間隔分布組成，其中次張弦梁的索支撐體系從網(wǎng)殼邊緣第三節(jié)點起布置，并采用由兩根鋼拉桿將撐桿下節(jié)點與相鄰兩榀主張弦梁的上弦第二節(jié)點拉結(jié)，形成空間工作，故稱多重張弦網(wǎng)殼。

自行車館、體育館、游泳館平面布置圖

結(jié)構(gòu)三維模型示意圖

由于張弦梁的案例較多，本文不多贅述，簡舉以下案例可供讀者欣賞

九龍湖體育館

東南大學(xué)九龍湖體育館外輪近似橢圓，由四個圓弧段構(gòu)成，屋蓋采用輻射布置張弦梁結(jié)構(gòu)

九龍湖體育館

九龍湖體育館側(cè)面

九龍湖體育館屋蓋

九龍湖體育場鋼屋蓋示意圖

廣州南站

廣州南站新客站建筑總高度約為50米，屋面由多跨連續(xù)的拱形組成的造型，中部最大處有一個64m跨拱形結(jié)構(gòu)，采用雙上弦張弦梁。

廣州南站

廣州南站屋蓋結(jié)構(gòu)內(nèi)景

廣州南站屋蓋結(jié)構(gòu)示意圖

日本埼玉縣大型體育館

日本埼玉縣大型體育館的屋蓋結(jié)構(gòu)由三角形截面桁架和直線型弦支桁架構(gòu)成。

琦玉超級體育館

琦玉超級體育館側(cè)面圖

琦玉超級體育館結(jié)構(gòu)圖

紹興體育會展館

紹興體育會展館為大跨度的空間預(yù)應(yīng)力索桁架結(jié)構(gòu)，屋蓋鋼結(jié)構(gòu)投影為橄欖狀，結(jié)構(gòu)矢高為25.3m，橫向長度為239.8m，縱向長度為144.6m，其中體育館場地70mx43m，設(shè)置位和式看臺。體育館屋蓋為環(huán)桁架、10榀張弦桁架和徑向桁架等組成，結(jié)構(gòu)矢高為25.1m。

紹興體育會展館

紹興體育會展館內(nèi)部圖

體育會展館屋蓋結(jié)構(gòu)布置圖

濟(jì)寧市游泳跳水館

游泳跳水館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)為折板型的空間大跨度形式，屋蓋采用張弦梁，跨度63.2m。

游泳跳水館

游泳跳水館內(nèi)部圖

參考文獻(xiàn)：

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