预应力张弦结构设计中的总结

预应力张弦结构设计中的总结

陈小建

陈小建（南通勘察设计有限公司江苏南通226001）

摘要：考虑建筑视觉的因素，现在结构的跨度越做越大，尤其是屋盖系统，追求大跨、轻巧的理念。空间网架结构、平面或空间张弦结构是通用的屋盖形式，空间网架结构虽然截面高度比平面张弦结构稍小，但杆件多，且形式相对单一，适用于规整结构。而张弦结构的通用性比网架好，而且视觉相对开阔，因此适应性更强。南京会展中心、上海浦东机场、烟台世界贸易中心、广州会展中心均采用了张弦结构屋盖，本文就张弦结构的设计概念做一总结。

关键词：大跨度张弦结构预应力度稳定

一、张弦结构定义：张弦结构：用撑杆连接抗弯受压构件和抗拉构件而形成的自平衡体系。该体系是一种大跨度屋架，本质上类似于鱼腹式屋架梁，但由于下弦采用了预应力钢索，因此这种结构可以在一定程度上发挥高强材料的性能。整个梁结构由上弦、下弦、撑杆组成。上弦通常采用三角桁架，下弦为预应力钢索，连接上下弦的腹杆，三角桁架主材多采用圆管。某些结构的上弦也采用H型钢。如上弦采用拱形组合截面，可以减小上弦截面，相应带来明显的经济效益。

二、张弦结构空间特性：张弦结构适用于大跨度结构。和普通梁或屋架一样，既然跨度大，最大内力截面必须有足够的高度，才能满足极限使用状态和正常使用状态的要求。但由于张弦结构的下弦施加了预应力，因此整个截面高度可以适当降低。而且轻巧的空腹钢结构可以适当削弱压抑感。下弦杆张拉力度按照最不利受力工况下不出现压力为控制条件。

三、张弦结构的受力优点：3.1张弦结构为自平衡构件。注意，该自平衡是由一定的条件的。

3.2张弦结构对结构产生的水平推力很小，如一端采用滑动支座，在预应力力度适中的情况下，完全忽略水平推力的存在。

3.3张弦结构对风荷载敏感。设计中只要避免了拉索受压退出工作，下弦通常采用截面经济的高强材料。

3.4施工上制造简单，运输方便，张拉控制明确。

四、张弦结构的受力缺点：4.1大跨度的结构高度较高，跨高比为12～16，占用建筑空间较大。

4.2用钢量较大（与常规空间结构相比）。

4.3理论上是自平衡体系，考虑施工等工况，侧向的支撑体系不能忽略，也可采用双向张拉体系，但张拉同步等问题较突出，控制困难。

4.4在风载较大的地区，如山区、海岛，需要施加较大的预应力和加强结构刚度才能保证在风吸力作用下拉索不退出工作。而加大预应力度、加强结构刚度均导致上弦用钢量的增加，也导致结构的自重大幅增加。

4.5一般管桁架结构的剪力转化为腹杆的拉、压力由腹杆承担。

但张弦结构抗剪截面和刚度小，须对抗上弦截面进行受剪承载力复核。

五、张弦结构的侧向稳定：5.1如果体系具有足够的侧向刚度（如密布檩条），则上弦受压梁出平面失稳的影响可以不予考虑，事实上通常的上弦三角拱桁架平面外刚度也很大，配以交叉支撑，平面外不会失稳。

5.2由于受压撑杆的长细比都比较小，因此屈曲失稳临界荷载远大于极限状态的荷载，因此能保持稳定。

5.3在满足A和B的条件下，则撑杆出平面失稳的影响可以不予考虑，即不会出现撑杆绕上弦连接点转动的撑杆。

5.4需要特别注意的是，张弦结构的支座必须满足夹支的条件（GB50017-2003第4.2.5条），A～C的讨论才有意义。如果不满足夹支的条件，只要包括屋盖在内真个桁架自重重心低于支座，结构也是稳定的，事实上，支座处通常设支座桁架，就是为了满足上述夹支的条件。

六、张弦结构的张拉控制应力和合理工作应力：6.1张拉索的工作应力不宜过大，钢结构的工作应力，通常控制在在（0.4～0.55）fptk以内。因此拉索截面不宜过小，因为张拉索的面内刚度低，自重小，可变荷载（尤其是风荷载）相对变化幅度较大，应力幅值不得超过250N/mm2，应力幅值直接取决于索的截面面积，工作应力的降低对提高索的疲劳强度是最有力的保证。张弦索的的控制应力工况一般出现于竖向荷载的最大组合值。

6.2张拉索的张拉应力不宜过大，虽然混凝土预应力规范的通用做法是0.65fptk，甚至更高，但实际钢结构的初始预应力远低于此值，在0.4～0.5fptk左右，有效张拉力则更低。如果张拉是在恒荷载全部到位后，则取高值，否则取低值。控制预应力的理由是①张拉索的面内刚度低，自重小，可变荷载（尤其是风荷载）相对变化幅度较大。

②张弦结构的自重小，施加过多的预应力使结构起拱过大，导致结构的整体延性急剧变差。

6.3张拉索的张拉应力也不宜过小，理论上出现张拉应力即可，但由于自重的作用，过小的拉应力导致拉索不能拉直张紧。因此控制任一工况下σ＞20N/mm2，索的最小拉应力一般由风吸力组合控制。

6.4张拉索的合理张拉应力：自重效应+张拉力组合下，桁架的控制节点位移为0，即结构不对支座产生水平力。此时张拉力大致抵消结构自重q产生的作用效应。按此推算，有效张拉力的公式为：，式中：f1+f2相当于矢高。由于上弦高度撑杆长度较小，因此，可直接用最长的撑杆长度等代矢高。

七、针对部分问题的解决办法7.1风吸力大于自重：增设预应力斜向抗风拉索，如上海浦东国际机场，锚索既可抵抗风吸力，又可增加平面外抗侧刚度，但需解决建筑通行于锚索的关系。

7.2张弦结构预应力索与撑杆的连接：通用的做法的是尽可能滑动，①是保证结构的实际受力模式与设计本意相吻合，②减少了预应力损失，保证拉索全截面应力尽可能相同。

但实际情况是该位置应采取一定的锁定装置。①因为拉索的预应力储备比较大，瞬时的应力变化可以由结构变形所吸收；②增加了结构的冗余度，同时也增加了结构面内的刚度。因此，张拉完成后通常使用插孔夹具来锁定拉索。

八、几何分析：8.1由于变形较大，张弦结构构件应采用非线性分析，以求得更为准确的结果，包括双向张拉的空间结构。

8.2实际工程中由于风载等多方面的因素，整个结构的控制应力较低，因此结构处在弹性变形阶范围内，可以采用线性分析处理，误差不超过5%，在工程误差允许范围内，因此对大部分结构，可采用线性分析。

8.3地震作用：和通常的大跨度结构一样，采用振型分解反应谱法计算地震作用，对中等及以下烈度地区，地震作用的组合通常不是控制组合。在和刚度较大的钢筋混凝土结构组合计算时，应仔细分析地震振型的有效性。

8.4计算软件：工程常用的sap系列软件以及国内的3D3S均可很好的对平面和空间的张弦结构进行计算，其中预应力的实现通常由温度变化来模拟。

九、张拉施工工艺和监测：9.1通常有三种张拉方案:吊装前张拉；吊装后张拉；吊装前初次张拉、吊装后二次张拉。对于空间张弦结构，可采用多次循环张拉。

张拉过程中同步测量桁架的位移。对于跨度不大的平面桁架，通常采用吊装后做好侧向支撑，一次张拉到设计值。

9．2应定期测量预应力拉索的内力，并将实际值报告给相关设计单位，以便及时补偿索力。同时查看拉索有无断丝、磨损和锈蚀。

在罕见暴风雪天气过后应检查测量，并判断是否需要采取必要的措施。

参考文献：[1]预应力钢结构技术规程CECS212：2006[2]钢结构设计规范GB50017-2003[3]王帆--张弦结构设计中几个概念问题的探讨,工业建筑2004.34