徐 皓， 張 倩， 高 璞， 高瑞琪， 田卜元

（中國建筑第六工程局有限公司，天津300451）

張弦結(jié)構(gòu)是將張拉整體的概念引入傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)而形成的一種結(jié)構(gòu)形式，能夠很好地解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定性、支座反力等方面的問題[1～2]，在很大程度上提高結(jié)構(gòu)剛度并能通過調(diào)整拉索中的預(yù)應(yīng)力來減小支座的水平推力，使之成為自平衡體系。基于眾多優(yōu)勢，越來越多的大跨度結(jié)構(gòu)或者對建筑外觀有要求的輕型屋蓋采用了張弦結(jié)構(gòu)[3～4]。

1 工程概況

某建筑為加強(qiáng)采光，同時使用玻璃采光頂和玻璃幕墻并將采光頂與幕墻連成整體。見圖1。

圖1 建筑效果

采光頂為張弦梁結(jié)構(gòu)，平面尺寸為45.9 m×57.6 m；玻璃幕墻為張弦桁架結(jié)構(gòu)，立面尺寸為45.9 m×60 m。見圖2。

圖2 采光頂與幕墻整體

1.1 荷載條件

包括恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載和溫度效應(yīng)[5]。

1.1.1 恒荷載

1）采光頂和幕墻鋼結(jié)構(gòu)的自重。

2）玻璃窗的自重。采用整體式天窗，玻璃、窗框、配件等全部在工廠組裝，窗扇尺寸為2.4 m×1 m，整體式固定窗質(zhì)量為120 kg，可開啟窗質(zhì)量為150 kg，固定窗和可開啟窗交替布置。經(jīng)換算，玻璃窗傳遞到采光頂張弦梁上的荷載為1.3 kN/m，傳遞到幕墻吊桿立柱上的荷載為0.75 kN/m。

3）屋面排水溝、防水、保溫、裝飾等的自重作用于采光頂張弦梁上，取0.4 kN/m。見圖3。

圖3 采光頂建筑做法

1.1.2 活荷載

不上人屋面，取0.5 kN/m2，作用于整個采光頂。

1.1.3 風(fēng)荷載

考慮采光頂承受-1.2 kN/m2（風(fēng)吸），分別考慮幕墻承受1 kN/m2（風(fēng)壓）或-0.6 kN/m2（風(fēng)吸）。

1.1.4 雪荷載

基本雪壓取0.4 kN/m2，作用于采光頂，模擬雪的不均勻堆積和不均勻除雪，考慮滿跨和各種半跨分布。

1.1.5 溫度效應(yīng)

設(shè)計溫度為20 ℃，溫差為±30 ℃。

1.2 結(jié)構(gòu)布置

1.2.1 采光頂張弦梁結(jié)構(gòu)布置

由17 道張弦梁及縱向次梁構(gòu)成采光頂?shù)某兄伢w系。除拉索外，均采用Q355B鋼材。見圖4。

主梁采用箱形截面□500 mm×524 mm×16 mm×16 mm；撐桿采用φ152 mm×14 mm鋼管；拉索采用2×φ42 mm高釩索，極限抗拉強(qiáng)度1 670 MPa；縱向次梁□120 mm×80 mm×6 mm；交叉拉桿采用φ35 mm實(shí)心鋼拉桿。

采光頂三邊支承，另一側(cè)與幕墻連接。其中張弦梁一端設(shè)置固定鉸支座，另一端設(shè)置活動鉸支座。

1.2.2 玻璃幕墻張弦桁架結(jié)構(gòu)布置

采用3 道張弦桁架、9 道水平索以及吊桿立柱構(gòu)成幕墻的承重體系。其中，最上面的張弦桁架連接采光頂和幕墻，起過渡作用。除拉索外，均采用Q355B鋼材。見圖5。

圖5 張弦桁架

桁架外側(cè)上弦桿采用箱形截面□500 mm×400 mm×30 mm×40 mm；內(nèi)側(cè)上弦桿500 mm×400 mm×20 mm×25 mm；上弦層大橫桿□350 mm×150 mm×20 mm×20 mm，小橫桿□100 mm×80 mm×8 mm，交叉拉桿φ55 mm；桁架撐桿采用φ133 mm×14 mm 鋼管；拉索采用2×φ90 mm高釩索，極限抗拉強(qiáng)度為1 670 MPa；幕墻吊桿立柱□400 mm×80 mm×16 mm×30 mm，水平索采用2×φ20 mm高釩索。

張弦桁架一端設(shè)置固定鉸支座，另一端設(shè)置活動鉸支座。幕墻吊桿立柱與張弦桁架外側(cè)上弦桿相連，水平索穿過幕墻吊桿立柱并固定在兩側(cè)既有結(jié)構(gòu)上。見圖6。

圖6 玻璃幕墻結(jié)構(gòu)布置

2 預(yù)應(yīng)力設(shè)計及優(yōu)化

張弦結(jié)構(gòu)中，預(yù)應(yīng)力的主要作用是抵消荷載產(chǎn)生的部分彎矩，減小結(jié)構(gòu)的撓度變形。拉索預(yù)應(yīng)力值的大小對張弦結(jié)構(gòu)的工作形態(tài)和用鋼量都有重要影響[6]。預(yù)應(yīng)力過大，會對結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生額外的壓力而起拱，從而增加用鋼量；預(yù)應(yīng)力過小，則拉索的功能得不到充分發(fā)揮且在風(fēng)荷載的吸力作用下拉索有可能出現(xiàn)松弛。

通常情況下，預(yù)應(yīng)力設(shè)計應(yīng)該滿足以下3個條件[7]：

1）盡量使結(jié)構(gòu)在自重和恒荷載作用下的撓度接近零；

2）在結(jié)構(gòu)正常使用過程中，拉索在任何工況下均不會松弛；

3）在滿足前兩個條件的前提下，使結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平最低。

拉索的最佳預(yù)應(yīng)力計算過程較為復(fù)雜，一般在設(shè)計中采用式（1）進(jìn)行計算[8]

式中：F——拉索預(yù)應(yīng)力；

q0——結(jié)構(gòu)自重和恒荷載；

l——跨度；

f1——上弦拱的矢高；

f2——下弦索的中央矢高。

經(jīng)過簡化計算和反復(fù)試算，確定張弦梁內(nèi)的拉索預(yù)應(yīng)力為475 kN，張弦桁架的拉索預(yù)應(yīng)力為4 120 kN，水平索的預(yù)應(yīng)力為230 kN。

此時，僅在恒載和預(yù)應(yīng)力作用下，采光頂和幕墻整體結(jié)構(gòu)的z向位移為11.7 mm（↑）和-13.7 mm（↓），其中采光頂部分的位移為2.8 mm（↑）和-3.4 mm（↓）。見圖7和圖8。

圖7 整體位移（僅恒載和預(yù)應(yīng)力）

圖8 采光頂位移（僅恒載和預(yù)應(yīng)力）

3 結(jié)構(gòu)整體靜力分析

考慮由恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、溫度效應(yīng)、拉索預(yù)應(yīng)力組合而成的荷載基本組合和標(biāo)準(zhǔn)組合[5]。

經(jīng)分析，采光頂和玻璃幕墻整體結(jié)構(gòu)中，除拉索外，鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為284.4 MPa，小于Q355B鋼材的強(qiáng)度設(shè)計值295 MPa；最大應(yīng)力僅出現(xiàn)在張弦桁架拉索端部節(jié)點(diǎn)附近，其余部位的平均應(yīng)力水平不高。見圖9。

圖9 整體應(yīng)力（除拉索外）

拉索最大應(yīng)力為505.1 MPa，遠(yuǎn)小于高釩索的極限抗拉強(qiáng)度1 670 MPa且拉索在任何荷載組合下未出現(xiàn)松弛。見圖10。

圖10 拉索應(yīng)力

采光頂和幕墻整體結(jié)構(gòu)最大位移為83.6 mm；其中，采光頂部分的z向位移為83.3 mm（↑）和-33.9 mm（↓），撓度＜L/250=198 mm[9]；玻璃幕墻部分的面外水平位移為80.3 mm（向內(nèi)），變形＜L/250=198 mm[10]，滿足設(shè)計要求。見圖11-圖14。

圖11 整體位移

圖12 采光頂z向位移（↑）

圖13 采光頂z向位移（↓）

圖14 幕墻位移

對于張弦桁架，由于玻璃幕墻及吊桿立柱是安裝在張弦桁架外側(cè)上弦桿件上的，內(nèi)外兩側(cè)上弦桿受力不一致，因此，張弦桁架在受彎的同時，還發(fā)生一定的扭轉(zhuǎn)。

4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)設(shè)計

張弦結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)包括拉索端部節(jié)點(diǎn)、支座節(jié)點(diǎn)、撐桿上節(jié)點(diǎn)、撐桿下節(jié)點(diǎn)等；不論是張弦梁還是張弦桁架結(jié)構(gòu)，都需要對其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計。

鑒于目前國內(nèi)外對撐桿上下節(jié)點(diǎn)和支座節(jié)點(diǎn)的研究都比較成熟且其構(gòu)造相對簡單，本文不再贅述。

由于本工程中張弦梁和張弦桁架的拉索預(yù)應(yīng)力較大，同時張弦桁架的拉索端部節(jié)點(diǎn)附近受力較為復(fù)雜、應(yīng)力較大；因此應(yīng)針對拉索端部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計。見圖15和圖16。

圖15 張弦梁拉索端部節(jié)點(diǎn)

圖16 張弦桁架拉索端部節(jié)點(diǎn)

5 結(jié)論

1）本文針對某建筑的采光頂和玻璃幕墻進(jìn)行了整體設(shè)計和分析，對張弦梁和張弦桁架的拉索預(yù)應(yīng)力進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化并對關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了加強(qiáng)設(shè)計。分析結(jié)果表明：整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及位移均滿足設(shè)計要求，結(jié)構(gòu)體系合理、具有良好的力學(xué)性能。

2）張弦結(jié)構(gòu)中的拉索預(yù)應(yīng)力能夠在很大程度上提高結(jié)構(gòu)的剛度，較好地減小荷載產(chǎn)生的變形。通過拉索預(yù)應(yīng)力設(shè)計和優(yōu)化，結(jié)構(gòu)僅在恒載和預(yù)應(yīng)力作用下的撓度較小，此時拉索預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的彎矩能夠基本抵消恒載產(chǎn)生的彎矩，上弦梁或上弦桁架以承受軸力為主。

3）由于本工程的玻璃幕墻及吊桿立柱是安裝在張弦桁架外側(cè)上弦桿件上的，內(nèi)外兩側(cè)上弦桿受力不一致，因此，張弦桁架在受彎的同時，還發(fā)生一定的扭轉(zhuǎn)。這點(diǎn)需要在類似結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工時引起注意。

4）拉索預(yù)應(yīng)力能減小結(jié)構(gòu)對支座的水平推力，使之成為自平衡體系，從而降低基礎(chǔ)的負(fù)荷。

5）當(dāng)結(jié)構(gòu)受到風(fēng)吸、負(fù)溫差等可能使拉索松弛的作用時，應(yīng)對拉索預(yù)應(yīng)力進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)算；保證結(jié)構(gòu)正常使用過程中，拉索在任何工況下均不會松弛?！酢?/p>