关键字：张弦梁；索；体育场馆；预应力；张拉方案
引言
在场馆类建筑中，由于建筑功能的需要，一般都有大跨度的屋盖，以形成高大空旷的围合空间。随着时代的发展，场馆类建筑的造型外观日趋新颖而富有变化，屋盖是场馆类建筑最具表现力的内容，凭借独特的屋盖设计，使得建筑能给人留下深刻的印象。伴随着结构设计理论的不断成熟、结构计算软件的更加精确全面以及建筑材料的不断优化升级，使得屋盖系统的结构方案有多种选择变为可能。常用的大跨度屋盖结构形式有网架、网壳、平面型钢桁架、平面管桁架、空间管桁架、张弦梁结构等。
张弦梁结构是由上弦刚性构件、下弦高强柔性拉索或钢拉杆以及连接两者的撑杆组成的半刚半柔混合结构体系，随着下弦拉索预应力的施加，使得三者协调工作，分别充分发挥各自材料的材料力学优势；撑杆在设计时常作为上弦杆的弹性支撑点，拉索预应力施加后，使上弦杆在支撑点处产生反向附加弯矩，可以有效地减少大跨度梁的跨中弯矩，也减少了结构在荷载作用下的挠度，提高整体受力性能；拉索以及拉索预应力的存在，平衡了斜屋面在支座节点处产生的侧向力，从而减少了屋盖结构对下部结构抗侧性能的影响，并有效地改善了支座节点的反力和位移，使得支座节点受力明确，易于设计与制作。
在场馆类建筑中，建筑和结构密切相关，以致于建筑和结构经常融为一体，结构构件很多时候就是建筑表达的一部分。张弦梁结构建筑造型适应性强、轻盈通透的特性，使得场馆类建筑整体显得既宏伟大气，又不失细腻精致，增加建筑结构的统一美感。
张弦梁结构根据形式可分为单向张弦结构、双向张弦结构和空间张弦梁结构。本文案例根据实际跨度需求、矩形平面的特点以及建筑表达的要求，选择单向张弦梁结构作为屋盖的局部结构受力体系。
1、项目概况
项目位于重庆市，整体形状为蝌蚪形，主要包括主体体育馆、附属商业及配套用房、地下汽车库及设备用房等，主体体育馆和附属商业配套用房之间设有连廊连接。为使整体结构尽可能简单规则，工程进行设缝处理。设缝后的整体结构，无论是体育馆，还是附属商业配套用房以及连接体的主体结构均相对独立、规则、简洁。项目典型平面如图1所示。.png)
项目的主要设计参数如下：设计使用年限为50年；建筑结构安全等级为二级；建筑抗震设防分类为乙类；建筑抗震设防烈度为六度；建筑基本设计地震加速度为0.05g；多遇地震作用下水平地震影响系数最大值为0.04，设计地震分组为第一组；场地类别为Ⅱ类;特征周期为0.35秒。混凝土强度等级为C30，钢筋的强度等级均采用HRB400级钢筋，钢材强度等级均为Q345B。基本风压为ω0=0.40kN/m2，屋面围护采用保温金属屋面材料，考虑梁格等自重，屋面附加恒荷载为1.5kN/m2（验算风吸力作用下下弦钢拉杆是否退出工作时取1.0kN/m2），不上人屋面活荷载为0.5kN/m2。
2、主体体育馆结构选型
主体体育馆结构选型采用混凝土框架结构和钢框架结构的组合形式，其中看台部分的核心区域采用现浇钢筋混凝土整体框架结构，周边环廊部分采用钢结构框架。抗震设防类别为乙类，按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强抗震措施，框架结构抗震等级为三级，按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。钢结构阻尼比为0.03，混凝土结构阻尼比为0.05。
体育馆屋盖的结构选型，是将设备马道的需求和屋盖结构的主要结构承载功能结合起来，使建筑功能、设备功能与结构功能达到和谐统一。屋盖系统设置两榀巨型马道桁架作为核心承载结构，每榀桁架两端各设置一道剪力墙作为竖向构件。桁架端部通过三维固定的压力球铰成品抗震支座与剪力墙相连。通过两榀马道桁架，将整个屋盖划分为左中右三个区域。其中左右区域由于巨型马道桁架结构的设置其最大结构跨度为19.3米，该区域屋面结构采用常规实腹式钢梁即可满足；而中间区域屋盖的结构跨度为45米，考虑到屋面梁格的经济性和美观性，其结构承载采用单向张弦梁结构体系，沿纵向共设置七榀单向张弦梁。由于马道桁架的结构高度与其他屋面梁格的结构高度相差较大，其间采用隅撑杆件过渡，隅撑杆件的两端，考虑节点位置弯矩的释放采用销轴连接，隅撑与张弦梁上弦的连接节点与张弦梁下弦钢拉杆连接处结合设置，此处下弦钢拉杆与屋面梁的连接也采用销轴连接。屋盖主要结构平面布置如图2所示。限于篇幅，本文主要对其中的张弦梁部分进行细述，具体分析则以正中一榀的ZXL-4为例进行描述，用3D3S软件及ANSYS软件进行结构分析。
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3、张弦梁结构的设计
单向张弦梁的设计，首先要确定合适的矢跨比。张弦梁结构的矢跨比的取值，将直接影响结构的整体刚度。矢跨比越大，刚度越大，撑杆作为弹性支撑对上弦的弯矩调整作用越明显。但矢跨比过大又会影响建筑美观，影响场馆的空间使用功能。根据工程经验，单向张弦梁的矢跨比一般取跨度的1/10左右。本项目张弦梁跨度为45米，矢高取为5米。ZXL-4张弦梁的立面如图3所示。
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图3 ZXL-4张弦梁的立面图
上弦刚性构件可根据建筑造型的要求、梁本身的跨度等进行选择，常见做法有实腹钢梁或者倒三角的空间桁架等。虽然与简支梁相比，由于下弦拉索预应力和撑杆作为弹性支撑使得上弦刚性构件在荷载的作用下，弯矩和挠度大大得到改善，但在撑杆之间的部分，尤其是本案例仅在跨中设置了一道撑杆，在荷载作用下，仍然会在上弦产生较大的弯矩，这就使得上弦作为压弯构件仍然需要有较大的刚度。因此在初选设计时，按照上弦一半跨度即22.5米来预估上弦构件的规格。经多次试算后，最终构件规格为焊接方钢B900X400X25X25。
常见张弦梁下弦拉索的材料，一般可采用高强钢丝束、钢丝绳、钢拉杆等。本案例采用Q460B钢拉杆作为下弦拉索。钢拉杆相比于钢丝缆索类拉索，具有韧性大、整体性好、抗疲劳应力高等，特别是在借助外加防腐和防火介质之后，其防火防腐性能可以大大提高。经试算后，本项目张弦梁下弦拉索最终采用规格为2-?80。
撑杆的上下节点，一般处理成在张弦梁平面内铰接，理论上撑杆作为纯受压构件来考虑，受力状态比较简单，但不宜把撑杆截面取得过于小，免得在受压作用下发生失稳，可按受压构件的长细比要求来进行选型。本案例撑杆采用圆钢管D245X12。
张弦梁的节点设计也是张弦梁设计的一个重要内容。由于本案例梁端是与马道桁架弦杆进行焊接，不单独设置支座，因此本文对张弦梁梁端支座节点做法不做赘述。撑杆与上弦杆连接节点、撑杆与下弦拉索连接节点和拉索两端与梁的固定节点，在受力分析时，均按照平面内铰接，平面外半刚接的连接方式，因此节点均采用销轴连接，以实现张拉施工阶段及受荷变形使用阶段的平面内自由转动。销轴连接属精密的机械连接，其应用也给建筑结构增添了不少的细节，使得建筑显得更加细腻，增加结构的统一美感。该三处的节点详图，如图4所示。
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图4：张弦梁典型节点详图
在各榀张弦梁之间，在上弦的跨中处设置圆钢管D325X10作为刚性系杆作为平面外支撑，用来增强屋盖体系的平面内刚度，防止张弦梁发生平面外失稳，使整个屋盖形成整体性能良好的空间结构体系，同时也可以有效地传递风荷载、地震作用等水平力。
4、张弦梁钢拉杆初始张拉力的确定
张弦梁钢拉杆的初始张拉力的确定，是张弦梁设计中的要点和难点，贯穿设计的全过程，影响张弦梁组成的各个构件。同时初始张拉力的取值，还跟建筑形状、施工工艺、边界条件等方面有关。
本项目张弦梁在初始张拉力确定时，首先根据在正常使用（本案例在设计时按荷载条件为1.0恒+1.0初始张拉力）条件下结构的挠度接近于零这一原则来初步确定结构的初始张拉力。对ZXL4经过试算，按此条件，初算得到的初始张拉力为155kN。在此基础上，再经荷载效应分析调整，综合各种因素，最终确定合理结构的初始张拉力。在调整的过程中需要考虑以下几个因素：a）、关注上弦弯矩值变化，最大限度发挥撑杆作为上弦弹性支撑而带来的弯矩优化；b）、在最不利工况作用下，保证下弦钢拉杆工作应力的安全性能，因下弦钢拉杆作为张弦梁的关键构件，并且其破坏形态往往是脆性的，因此要对其留有较大的安全储备，用安全系数法K来对其进行校核，K值不小于1.8；c）、验算在负风压的作用下，拉索始终处于受拉状态，此时由于恒载起有利作用，因此恒载按保守值1.0kN/m2考虑，并取分项系数为1.0，若验算不能通过，则需采取在上弦梁灌水泥砂浆等措施进行处理；d）、协调考虑相邻各榀，确保在正常使用条件下，梁顶标高基本一致，保证屋面檩条及屋面板的顺利安装；e）、在以上条件满足的前提下，初始张拉力尽力小，否则会使得上弦构件的轴力过大，从而人为加大了上弦的受力，造成经济性较差。
经过综合考虑各种因素后多次试算，确定本案例ZXL-4的最终初始张拉力为155kN。各主要验算结果如下表所示：
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5、张弦梁结构的张拉方案和吊装
张弦梁现场施工的张拉方案选取，应根据项目自身的特点、预应力钢结构本身的力学特性及锚具特点、施工现场条件、施工单位的人员技术、机械设备、工期等，并参考相关工程经验来进行确定。在正式确定张拉方案前，需对张弦梁的施工过程进行施工模拟分析，对张拉和吊装时的各种工况进行强度和稳定性的验算以保证施工阶段的工程可靠性。
根据张弦梁下弦预应力的张拉时机，可分为地面张拉和高空张拉；根据张拉的位置，可分为两端张拉和一端张拉；根据张拉次数，可分为一次性张拉到位和分级多次张拉。本项目由于现场场地空旷条件良好，且张弦梁跨度不算太大，所施加的预应力也不大，故采用将上弦钢梁在加工厂分段制作后现场组装焊接，然后在地面设置地面拼装胎架按照设计状态直立拼装并在地面进行两端一次性张拉到位,张拉完毕后再采用汽车吊提升到位与两端马道桁架进行连接。选用地面张拉，可以省去高空张拉所必须设置的高空支撑胎架，避免高空作业所带来的施工困难；选用两端张拉，可以有效控制跨中撑杆在张拉前后的偏摆量，可最大程度保证建筑的效果；选用一次性张拉到位，使得张拉作业操作便捷，施工效率提高。
对施工过程的施工模拟分析，可分为张拉阶段工况、高空吊装阶段工况、就位安装阶段的工况等。限于篇幅，本部分内容不再赘述。
6、结语
张弦梁结构体系建筑造型优美、结构轻巧、含钢量经济性也比较可观，在大跨度屋盖中的应用可以起到意想不到的效果，并且随着技术的成熟以及在实际项目中应用经验愈加丰富，张弦梁的形式也更加多种多样。
在设计的过程中，拉索初始预拉力的确定，是张弦梁设计中的要点，目前还没有明确的原则来对其进行规定，所以只能根据每个项目本身的特征，具体问题具体分析，进行多次的试算后确定最终的张拉力数值，综合各种相关影响因素，以取得最好的受力性能，充分发挥预应力拉索在张弦梁中的有利作用。在施工过程中，由于张弦梁属于特殊的预应力钢结构，所以对施工水平和现场的管理，也需要提出较高的要求。需对施工过程中的各种工况进行施工模拟，受力分析，编制专项的施工方案，以保证张弦梁在实施过程中取得预期的效果。
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论文作者:孟曙
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第24期
论文发表时间:2020/4/13
标签：结构论文; 撑杆论文; 上弦论文; 下弦论文; 建筑论文; 桁架论文; 预应力论文; 《建筑实践》2019年第24期论文;