洪 斌

預應力張弦結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)新穎、節(jié)省材料、造型優(yōu)美等優(yōu)點在國內(nèi)外得到越來越廣泛的應用,本文對張弦結(jié)構(gòu)的種類、受力原理、特點及工程應用進行闡述,并且對張弦結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點進行介紹。

1 張弦結(jié)構(gòu)的定義

張弦結(jié)構(gòu)主要由柔性的索和剛性的上弦(梁、拱或桁架)組成。對下弦的索施加預應力并錨固在上弦梁的兩端,上下弦之間通過豎向撐桿相連接。典型的平面預應力張弦梁結(jié)構(gòu)。

2 張弦結(jié)構(gòu)的分類

2.1 平面張弦梁結(jié)構(gòu)

平面張弦結(jié)構(gòu)是指構(gòu)成張弦特征的結(jié)構(gòu)構(gòu)件(上弦梁、下弦拉索以及豎向撐桿)位于同一平面內(nèi),且以平面受力為主要受力特征的張弦結(jié)構(gòu)。當同一屋蓋體系中包含多榀平面張弦梁結(jié)構(gòu)時,各榀張弦梁結(jié)構(gòu)一般平行或既不平行也不相交布置。

2.2 空間張弦梁結(jié)構(gòu)

空間張弦結(jié)構(gòu)是由數(shù)榀平面張弦結(jié)構(gòu)雙向或多向交叉布置而成的。由于空間協(xié)同工作性能,空間張弦結(jié)構(gòu)較之平面張弦結(jié)構(gòu)在受力性能和經(jīng)濟性方面更為優(yōu)越。在大跨度空間結(jié)構(gòu)中有著廣闊的應用前景。

空間張弦結(jié)構(gòu)根據(jù)其平面布置情況還可分為雙向張弦結(jié)構(gòu)、多向張弦結(jié)構(gòu)兩種基本形式,如圖1所示。

雙向張弦結(jié)構(gòu)是由平面張弦結(jié)構(gòu)沿兩個方向交叉布置形成的空間受力體系,大多數(shù)情況下,兩個方向的張弦梁正交布置。其內(nèi)力和變形控制效果更為顯著。雙向張弦梁結(jié)構(gòu)可用于矩形、圓形、橢圓形等多種平面形狀的屋蓋結(jié)構(gòu)。

多向張弦結(jié)構(gòu)是將平面張弦結(jié)構(gòu)沿多個方向交叉布置而成的空間受力體系,在受力性能上,其與雙向張弦結(jié)構(gòu)沒有本質(zhì)的區(qū)別,可應用于圓形、多邊形以及其他不規(guī)則的平面形狀的屋蓋結(jié)構(gòu)。

3 張弦結(jié)構(gòu)的受力原理

從受力性能上看,由于張弦結(jié)構(gòu)的下弦索成為上弦的彈性支撐,在相同的豎向荷載作用下,相比同跨度的剛性梁或拱,上弦梁的內(nèi)力將顯著降低,可以減小梁的截面尺寸,降低結(jié)構(gòu)自重,減小用鋼量。對水平跨越結(jié)構(gòu)來講,其跨中彎矩與跨度成平方關系增長,所以在給定荷載的情況下,張弦梁結(jié)構(gòu)的跨越能力將十分強大。同時,由于上弦梁內(nèi)力的改善,在給定跨度及截面尺寸的情況下,結(jié)構(gòu)的承載力將得到顯著提高。通過對下弦索施加預應力,使上弦梁產(chǎn)生反拱,同時在荷載作用下,預應力筋的內(nèi)力將會增大,這樣也會抵消結(jié)構(gòu)的部分變形,有效地降低了結(jié)構(gòu)的撓度,使結(jié)構(gòu)的剛度得到提高。

4 張弦結(jié)構(gòu)的特點

1)承載能力高。2)使用荷載作用下變形小。3)自平衡功能。4)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性強。5)建筑造型適應性強。6)制作、運輸、施工方便。

5 國外的張弦梁工程

5.1 前南斯拉夫的張弦梁工程

張弦結(jié)構(gòu)在前南斯拉夫應用較早,典型的工程如貝爾格萊德新體育館。

1994年興建的貝爾格萊德新體育館可容納20 000人,其屋蓋結(jié)構(gòu)采用了雙向預應力張弦梁結(jié)構(gòu),平面尺寸達132.7 m×102.7 m。該屋蓋體系是由7榀平面張弦梁結(jié)構(gòu)組成的雙向正交結(jié)構(gòu)體系。

該結(jié)構(gòu)是一種非常經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)。該屋頂覆蓋面積約15 000 m2,屋架主梁網(wǎng)架的等效混凝土厚度只有8 cm/m2,預應力鋼筋的重量大約為6.5 kg/m2,非預應力鋼筋的重量小于12 kg/m2。

整個屋蓋采用預制結(jié)構(gòu)。屋蓋主梁一共由43個構(gòu)件構(gòu)成,其重量從52 t～96 t不等。構(gòu)件在體育館的地面上預制,在12個高5.90 m的鋼管腳手架塔上裝配成整體,并在腳手架上施加了第一階段預應力,其值約為設計預應力的60%。之后,把總重約3 200 t的屋架整體網(wǎng)架通過作用于柱頂?shù)囊簤呵Ы镯斚到y(tǒng)提升20 m至設計高度——主柱頂,支撐在兩個橡膠支座上,橡膠支座置于預制的鋼筋混凝土支撐梁上。

5.2 日本的張弦梁工程

張弦梁結(jié)構(gòu)在日本的應用相當廣泛,例如著名的北九州穴生穹頂。建于1994年的北九州穴生穹頂位于皿倉山附近,該地是日本著名的滑翔運動發(fā)源地。該建筑造型設計表現(xiàn)為“滑翔傘降落于綠色叢林”。其屋蓋中部采用張弦梁結(jié)構(gòu),兩端與柱頂?shù)膽冶壅奂芟噙B,屋蓋跨度達61.8 m。屋面覆蓋薄膜材料。

該結(jié)構(gòu)設計的重點之一是其抗風設計,一方面在薄膜表面穩(wěn)定拉索,增加薄膜的剛度,另一方面在柱頭設置抗風穩(wěn)定索以抵抗風吸力。

6 國內(nèi)的張弦梁工程

我國大跨度預應力張弦結(jié)構(gòu)自20世紀90年代末開始在工程中應用,目前已建成的代表性工程包括：上海浦東國際機場航站樓屋蓋、廣州國際會議展覽中心屋蓋、哈爾濱國際會議展覽體育中心屋蓋、深圳展覽中心屋蓋、全國農(nóng)業(yè)展覽館中西展廳屋蓋以及奧運國家體育館屋蓋等。

上海浦東國際機場航站樓建成于1999年,是國內(nèi)最先采用張弦梁結(jié)構(gòu)的工程。該工程的進廳、辦票大廳、商場和登機廊四個單體建筑的屋蓋結(jié)構(gòu)均采用了平面張弦梁結(jié)構(gòu),其中以辦票大廳的張弦梁跨度為最大,其水平投影跨度達82.6 m。該工程的張弦梁均采用拱梁懸索形平面張弦梁結(jié)構(gòu),其上弦由1根400 mm×600 mm的矩形鋼管和2根300 mm×300 mm的方形鋼管組成,撐桿采用325 mm的圓鋼管,下弦拉索采用241φ 5平行鋼絲束。

廣州國際會議展覽中心建成于2002年,其屋蓋跨度126.6 m,采用了平面張弦桁架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)上弦采用了倒三角形立體桁架,下弦拉索采用337φ 7高強度低松弛冷拔低碳鋼絲。撐桿采用筍325 mm的圓鋼管(如圖2所示)。

國家體育館建于2006年,為北京2008年奧運會三大主場館之一,其屋蓋首次采用了大跨度雙向張弦桁架結(jié)構(gòu),兩個方向的跨度分別達114 m和144.5 m。張弦桁架上弦采用倒三角形立體桁架,下弦拉索采用高強度低松弛鍍鋅鋼絲束,短方向采用雙索,截面從 2×109φ 5～ 2×367φ 5 不等,長方向為單索,截面分 253φ 5和367φ 5兩種,撐桿采用φ 219×12的圓鋼管。

除了上述典型工程外,張弦結(jié)構(gòu)由于其良好的力學性能,優(yōu)美的造型,越來越受到建筑師和業(yè)主的青睞,目前在國內(nèi)應用已相當廣泛。特別在一些中小型跨度屋蓋結(jié)構(gòu)中,使用張弦結(jié)構(gòu),不僅使得用鋼量大大降低,而且能使結(jié)構(gòu)輕盈、美觀。

如包頭一機展覽館跨度為48 m,縱向長56 m,柱高9.5 m,柱距為7 m,屋面采用上下兩層壓型鋼板、中間鋪保溫玻璃棉的現(xiàn)場復合型輕鋼屋面。業(yè)主要求展覽館空曠、開透、具有現(xiàn)代感,采用張弦桁架拱結(jié)構(gòu),桁架拱選用倒三角形管桁架,用鋼量約為26 kg/m2。

7 張弦結(jié)構(gòu)的節(jié)點構(gòu)造

張弦結(jié)構(gòu)的節(jié)點主要包括索與撐桿的連接節(jié)點、撐桿與上部結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點以及錨固端節(jié)點。

索與撐桿的連接節(jié)點一般由兩個半球構(gòu)成,上半球與撐桿連接,索安裝完后,安裝下半球,上下半球之間通過螺栓連接,上下半球夾緊與索產(chǎn)生的摩擦力應大于撐桿左右兩邊索的不平衡力。

撐桿與上部結(jié)構(gòu)的連接采用鉸接,節(jié)點為單向張弦梁撐桿與上部結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點,撐桿在平面內(nèi)能轉(zhuǎn)動,平面外不能轉(zhuǎn)動。上下張弦梁應采用球鉸,保證兩個方向都能轉(zhuǎn)動。

索的錨固可采用叉耳式錨具或穿心螺桿式錨具。叉耳式錨具在結(jié)構(gòu)的下部,索的安裝相對簡單,但張拉比較困難(見圖3);穿心螺桿式錨具的特點正好相反,在結(jié)構(gòu)的后面錨固,安裝相對復雜,但張拉容易操作。

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