双索张弦梁结构_王果

研究与探索

王果双索张弦梁结构

：

ＹＡＮＪＩＵＹＵＴＡＮＳＵＯ

双索张弦梁结构

王果

（），

合肥工业大学建筑设计研究院安徽合肥

２３０００９

摘要张弦梁结构在强风压作用下会产生向上的风吸力过大的风吸力会导致下弦张拉索的应力为零而张弦梁结构体系的特

：，，，

殊性要求下弦拉索的应力不能为零文章提出一种新型的大跨双索张弦梁结构从张弦结构的形态上和施工过程分析了双索张

。，

弦梁结构和普通张弦梁结构的区别分析结果表明双索张弦梁结构能够很好的解决施工过程中的负风压问题并且减轻了由于

。，

施工工序引起的上弦结构的附加荷载

。

关键词双索张弦梁结构强风压上弦索反向作用

：；；；

（）：；；：：

中图分类号文献标识码文章编号

ＴＵ３９３．３ＴＵ２２３ＴＵ３２３．３Ａ１６７３５７８１２０１２０５０５７９０３

－－－

在自我私有空间逐渐扩随着社会的进步和发展构件小得多总之张弦梁结构使压弯构件和抗拉构

，。，

公共活动空间如文化体育场馆等的需求也大的同时

，

与日俱增这些需求带动了建筑结构体系特别是空

。，教授把可能发挥材料的作用日本大学

间结构体系的发展建筑的结构体系不仅呈现出多

。

１

］［

。，

大样化的特征而且已经发展到概念设计的阶段

２

］［

，

因跨度空间建筑中最需要建筑与结构的紧密配合

协同工作其目的在于使每种构件都尽件取长补短

，，

。

ＳａｉｔｏｈＭ．

这种用撑杆连接抗弯构件和受拉结构定义为

ＢＢＳ

“

５

］［

。”

构件而形成的自平衡体系

为力学上合理的建筑造型是能体现结构美进而可以

，

充分表现出文化内涵张弦梁结构正是在这样一种

。

结构哲学研究的背景下逐步发展起来的一种优良的

，

３

］［

。

它是近几年发展起来的大跨空间结构体系之一

图张弦梁结构的基本构成图

１

２

在风荷载作用下的不利影响及考虑

张弦梁结构非常合理的利用不同材料的特性扬

，

长避短是今后大跨空间结构的发展趋势但是张弦

，。

也是需要在设计和施工过程梁结构也有其一些缺点

，

］。［

中克服的一些缺点文献对张弦桁架施工阶段风

６

荷载的影响与抗风措施进行了分析和研究当风荷

。

风的吸力足以使索退出工载与结构自重相比较大时

，

作对于这个问题通常的解决办法有三种增加

。：

①

下弦拉索的预拉力可以考虑在钢结构加工时先给予

：

使结构受力后达到设计的位置一个预计的反拱值

。，

可采用稍重一些的屋面从经济角度来配重法

。：

②

似乎是得不偿失的加竖向抗风索可以在跨看

。：，

③

中设置拉索既能解决一定的负风压问题还能增加

，，

平面张弦梁结构的平面外稳定性上海浦东国际机

。

７

］［

，。

场航站楼屋盖如图所示

２

８

］［

。

其大跨结构中的一种结构体系叫悬索结构

可用于屋盖还可用于墙体结构如玻璃幕度钢结构

，，

墙的立柱具有受力合理自重轻制造施工简单运

，，，，

输方便富有时代气息等优点

，。

１

张弦梁结构概述

）（、

平面张弦梁结构是由拱梁弦及撑杆组合

ＢＳＳ

而成的新型平面承力结构张弦梁结构的受力机理

。

施加在抗拉构件的预拉力使压弯构件产生反挠为

：

；，（）

度结构在荷载作用下的最终挠度得以减少图

１

撑杆对压弯构件提供弹性支撑改善后者的受力性

，

能压弯构件为拱梁其形式可以是单一型钢也可以

；，，

４

］［

。（）

抗拉构件是由多杆件组成的桁架拱一般为索

承受拱梁的水平推力减轻拱对支座产生的负担减

，，

少滑动支座的水平位移由于索参与工作使张弦结

。，

构的整体刚度远大于单纯刚性构件的刚度因此在同

，

样的使用荷载作用下张弦梁结构的变形比单纯刚性

，

；：：

收稿日期修改日期

２０１２０７１６２０１２０７２５

－－－－

中预应力双层悬索结构是由一系列下凹的承重索和

，：（，，，）

作者简介王果男安徽合肥人硕士合肥工业大学建筑设计研究院工程师

．１９７６－

《》

工程与建设年第卷第期

０１２２６５２

５７９

研究与探索

王果双索张弦梁结构

：

双索张弦梁结构也分为三个形态与普通张弦梁

，

即同时对上弦索结构的区别主要是在第二个形态上

，

和下弦索施加预拉力新的三种状态如图所示

，。

４

ＹＡＮＪＩＵＹＵＴＡＮＳＵＯ

图双索张弦梁结构的形态

４

３．２

双索张弦梁结构的三种形态下的内力与变形

对普通张弦梁结构而言其初始形态是建筑设计

，

所给定的基本形态即结构竣工后的验收状态如果

，。

张弦梁结构的上弦构件按照初始形态所给定的几何

那么在张拉拉索时由于上弦结参数进行加工放样

，，

构刚度较弱拉索的张拉势必然引起上弦结构产生向

，

图浦东国际机场张弦梁结构

２

上的变形当拉索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拉索张

拉产生的变形影响从目前已建张弦梁结构工程的

。

通常是采用每榀张弦梁张拉完毕后进施工工序来看

，

行整体吊装就位再铺设屋面板和吊顶因此该类结

，，

构的变形控制应该像悬索结构那样以初始态为参考

，

形状也就是说恒荷载和可变荷载在该状态下产生

，，

的结构变形才是正常使用极限状态所要求控制的变

即结构变形不应该计入预应力对结构提供的反拱形

，

效应

。

双索张弦梁结构受上述施工工序的影响较小根

，

据屋面和吊顶荷载计算结构的变形可以计算出荷载

，

状态下上弦变形的大小然后用反算上弦拉索的拉

，

力用上弦索的拉力代替荷载施加在结构上这样在

，，

初始态的结构与零状态的结构变形差就非常的小上

，

弦结构也不会受到初始态状态下来自下弦索拉力的

，

安装荷载而且在屋面和吊顶荷载作用下上弦结构

。，

受压变形有压缩的趋势而只要有压缩变形上弦索

，，

的拉力就会损失所以最终的变形要小于没有上弦拉

，

索情况下的变形如果采用高强度低松弛的钢丝索

。，

即在相同变形情况下索的拉力损失越大则荷载态

，，、

初始态和零状态的区别就越小

。

３．３

双索张弦梁结构的抗风设计

普通张弦梁结构的屋面系统通常采用轻质屋面

，

质量较轻因此当结构在以风荷载为主的工况下由

，，

于风荷载体形系数大多为向上的吸力较为容易克服

，

结构自重和屋面恒荷载的重量使张弦梁结构出现向

，

上的分布荷载作用从而导致上弦受拉下弦受压

，，。

上凸的稳定索以及它们之间的连系杆拉杆或压杆

，（）

组成它的形状与张弦梁结构类似在双层悬索体系

，。

中设置稳定索有三种作用一是和承重索共同在预

，：

以抵抗竖向荷载拉力作用下为整个结构提供支撑力

，

作用二是保持索系的稳定保证屋面形状的稳定三

；，；

是抵抗风吸力的作用

。

通过普通张弦梁结构体系和双层悬索结构体系

的对比提出一种双索张弦梁结构

，（

ＤｏｕｂｌｅＣａｂｌｅ

－

），

即在张弦梁上弦结构中设

ＢｅａｍＳｔｒｉｎＳｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｇ

置适当的预应力钢索的结构体系其优点有三个方

。

面一是在强负风压作用下结构受到向上的吸力由

：，，

于上弦预应力索的存在可以抵抗风吸力二是由于

，；

预应力索的存在限制的上弦的变形使下弦索不会因

，

为上弦受拉变形过度而丧失拉力和退出工作三是改

；

善了施工工序引起的上弦结构的附加荷载

。

３

双索张弦梁结构与普通张弦梁结构

３．１

双索张弦梁结构与普通张弦结构的形态

（），

零状态是拉索张拉前的状态实际上是指构

１

）。，（

件的加工和放样形态通常也称结构放样态图

３ａ

（），

初始态是拉索张拉完毕后结构安装就位的

２

）。，（

形态通常也称预应力态图

３ｂ

）（

荷载态是外荷载作用在初始态结构上发生

３

［］

９１０

－

）。（

变形后的平衡状态图

３ｃ

图普通张弦梁结构的形态

３

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研究与探索

王果双索张弦梁结构

：

因此在风荷载较大的地区采用张弦梁结构设计时通构零状态初始态及荷载态三种状态的分析结构的

，、，

加大下弦拉索预应力来抵抗常采取增大屋面恒荷载如何进行上下弦索同时张拉的问题等等变形问题

，，，

压力效应或者在张弦梁结构下设置地锚拉索来抵抗有待于更进一步的研究与探索

，。

一部分风吸力而这些措施也各有其不利的一面增

。，

加屋面荷载和加大下弦拉索预应力必然带来材料的参考文献

浪费以及加大上弦结构在没有风荷载作用下的负担

，

设置地锚索可能会影响整个建筑的使用功能而且也

，

不能从根本解决风荷载的问题所以这是张弦梁结

。

构的主要缺点之一

。

双索张弦梁结构可解决上述问题首先在风荷载

，

作用下上弦结构受拉有伸长的趋势由于上弦拉索

，，，

此时由上弦拉索来抵抗风吸力而且限制了的存在

，，

同时又减少了下弦索收缩上弦结构整体受拉的变形

，

的变形有效的防止的下弦索拉力为零而退出工作的

，

不利情况其次双索张弦梁结构不会影响结构的使

；，

用功能

。

ＹＡＮＪＩＵＹＵＴＡＮＳＵＯ

〔〕

［］，，，

沈祖炎夏绍华等结构概念及全张力体系的工作机理钱若军

．１

［］（）：，，

空间结构

Ｊ．１９９７３２３－９．

［］——［］—

回顾与展望大跨空间结构的发展土木工程学沈世钊

２Ｊ．．

（）：，，

报

１９９８３１３５－１４．

［］］［，

预应力大跨度空间钢结构的应用和展望浙江建筑董石麟

３Ｊ．．

（）：

２００２Ｓ１１－６．

［］［：］

大型张弦梁结构的设计与施工济南山东科学技黄明鑫

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术出版社

，

２００５．

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－－

ｙ

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ｐｙｐ

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预应力张弦桁架施工技术研究南京东南大学土施骏

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木工程学院

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张富林浦东国际机场一期工程航站楼钢结构研究与汪大绥

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结构工程师设计

Ｊ．２０００Ｓ１２１－２３．

［］［：，］

索和膜结构上海同济大学出版社张其林

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［］］［，，

白正仙张弦梁结构受力性能的分析结构设计刘锡良

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（）：，

１９９８１３１４４－８．

［］——，—，

张弦梁结构刘锡良李义生新型空间结构形式白正仙

．１０

［］（）：，，

空间结构

Ｊ．２００１７２３３－３８．

４

结束语

目前双索张弦梁结构的提出是建立在理论的基

础上还没有进行精确的计算分析和施工可行性的研

，

比如说上弦索的弹性模量控制在什么数值比较合究

，

适上弦索安装在上弦结构的什么部位比较合适结

，，

（）。

上接第页构的设计提供了新的支座型式

５７８

用降低动力荷载对网壳结构的危害性

，。

（）、、，〔〕

弹簧支座加工简单安装方便造价低廉加参考文献

５

快了设计向成果转化的进度缩减了施工工期为企

，，

３

］［

。

业带来了社会效益和经济效益

［］］［，

网壳结构技术规程

１ＧＪ６１－２００３Ｓ．Ｊ

［］］［，

董石麟空间网壳结构的形状优化浙江大学学报邓华

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工学版

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大跨度网壳结构优化设计研究施工技术齐月芹

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空间网格结构高立人译北京中国建筑工约翰奇尔顿

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业出版社

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新型空间结构分析设计与施工北京人民交通出董石麟

５Ｍ．．

版社

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２００６．

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水泥厂熟料库屋盖网架施工技术研究与开发工程卢晓明

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与建设

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建筑结构荷载规范

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网壳结构稳定性北京科学出版社沈世钊

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韩庆华李海旺建筑钢结构稳定理论与应用北罗永峰

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基于性能的空间网壳结构设计理论研究杭州浙杜文风

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２００７．

《》

工程与建设年第卷第期

０１２２６５２

５８１

６

结束语

机械弹簧在机械领域应用非常广泛但在建筑行

，

业很少研究或采用没有相关的技术资料以及设计标

，

准目前国内外尚未见有单位设计建成无中心支

。，

承有侧限网壳结构屋面水泥熟料库的文献报道北

、。

流无中心支承网壳结构熟料库设计采用有侧限的机

械弹簧支座在国内还属首创是跨学科间的成功应

，

解决了网壳在温度应力下的变形问题同时机械用

，，

弹簧的应用提供了合理的网壳整体刚度减少网壳用

，

钢量节约工程造价机械弹簧在建筑工程中的应用

，。

为类似大跨度受温度以及动力敏感的结构设计提供

、

了一个新的设计思路为今后大跨度环型材料库高

，（

温差振动及大型的公共建筑和体育场馆的屋盖结

、）