雙索張弦梁結(jié)構(gòu)_王果

研究與探索

王果雙索張弦梁結(jié)構(gòu)

：

ＹＡＮＪＩＵＹＵＴＡＮＳＵＯ

雙索張弦梁結(jié)構(gòu)

王果

（），

合肥工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計研究院安徽合肥

２３０００９

摘要張弦梁結(jié)構(gòu)在強風(fēng)壓作用下會產(chǎn)生向上的風(fēng)吸力過大的風(fēng)吸力會導(dǎo)致下弦張拉索的應(yīng)力為零而張弦梁結(jié)構(gòu)體系的特

：，，，

殊性要求下弦拉索的應(yīng)力不能為零文章提出一種新型的大跨雙索張弦梁結(jié)構(gòu)從張弦結(jié)構(gòu)的形態(tài)上和施工過程分析了雙索張

。，

弦梁結(jié)構(gòu)和普通張弦梁結(jié)構(gòu)的區(qū)別分析結(jié)果表明雙索張弦梁結(jié)構(gòu)能夠很好的解決施工過程中的負(fù)風(fēng)壓問題并且減輕了由于

。，

施工工序引起的上弦結(jié)構(gòu)的附加荷載

。

關(guān)鍵詞雙索張弦梁結(jié)構(gòu)強風(fēng)壓上弦索反向作用

：；；；

（）：；；：：

中圖分類號文獻標(biāo)識碼文章編號

ＴＵ３９３．３ＴＵ２２３ＴＵ３２３．３Ａ１６７３５７８１２０１２０５０５７９０３

－－－

在自我私有空間逐漸擴隨著社會的進步和發(fā)展構(gòu)件小得多總之張弦梁結(jié)構(gòu)使壓彎構(gòu)件和抗拉構(gòu)

，。，

公共活動空間如文化體育場館等的需求也大的同時

，

與日俱增這些需求帶動了建筑結(jié)構(gòu)體系特別是空

。，教授把可能發(fā)揮材料的作用日本大學(xué)

間結(jié)構(gòu)體系的發(fā)展建筑的結(jié)構(gòu)體系不僅呈現(xiàn)出多

。

１

］［

。，

大樣化的特征而且已經(jīng)發(fā)展到概念設(shè)計的階段

２

］［

，

因跨度空間建筑中最需要建筑與結(jié)構(gòu)的緊密配合

協(xié)同工作其目的在于使每種構(gòu)件都盡件取長補短

，，

。

ＳａｉｔｏｈＭ．

這種用撐桿連接抗彎構(gòu)件和受拉結(jié)構(gòu)定義為

ＢＢＳ

“

５

］［

。”

構(gòu)件而形成的自平衡體系

為力學(xué)上合理的建筑造型是能體現(xiàn)結(jié)構(gòu)美進而可以

，

充分表現(xiàn)出文化內(nèi)涵張弦梁結(jié)構(gòu)正是在這樣一種

。

結(jié)構(gòu)哲學(xué)研究的背景下逐步發(fā)展起來的一種優(yōu)良的

，

３

］［

。

它是近幾年發(fā)展起來的大跨空間結(jié)構(gòu)體系之一

圖張弦梁結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)成圖

１

２

在風(fēng)荷載作用下的不利影響及考慮

張弦梁結(jié)構(gòu)非常合理的利用不同材料的特性揚

，

長避短是今后大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢但是張弦

，。

也是需要在設(shè)計和施工過程梁結(jié)構(gòu)也有其一些缺點

，

］。［

中克服的一些缺點文獻對張弦桁架施工階段風(fēng)

６

荷載的影響與抗風(fēng)措施進行了分析和研究當(dāng)風(fēng)荷

。

風(fēng)的吸力足以使索退出工載與結(jié)構(gòu)自重相比較大時

，

作對于這個問題通常的解決辦法有三種增加

。：

①

下弦拉索的預(yù)拉力可以考慮在鋼結(jié)構(gòu)加工時先給予

：

使結(jié)構(gòu)受力后達到設(shè)計的位置一個預(yù)計的反拱值

。，

可采用稍重一些的屋面從經(jīng)濟角度來配重法

。：

②

似乎是得不償失的加豎向抗風(fēng)索可以在跨看

。：，

③

中設(shè)置拉索既能解決一定的負(fù)風(fēng)壓問題還能增加

，，

平面張弦梁結(jié)構(gòu)的平面外穩(wěn)定性上海浦東國際機

。

７

］［

，。

場航站樓屋蓋如圖所示

２

８

］［

。

其大跨結(jié)構(gòu)中的一種結(jié)構(gòu)體系叫懸索結(jié)構(gòu)

可用于屋蓋還可用于墻體結(jié)構(gòu)如玻璃幕度鋼結(jié)構(gòu)

，，

墻的立柱具有受力合理自重輕制造施工簡單運

，，，，

輸方便富有時代氣息等優(yōu)點

，。

１

張弦梁結(jié)構(gòu)概述

）（、

平面張弦梁結(jié)構(gòu)是由拱梁弦及撐桿組合

ＢＳＳ

而成的新型平面承力結(jié)構(gòu)張弦梁結(jié)構(gòu)的受力機理

。

施加在抗拉構(gòu)件的預(yù)拉力使壓彎構(gòu)件產(chǎn)生反撓為

：

；，（）

度結(jié)構(gòu)在荷載作用下的最終撓度得以減少圖

１

撐桿對壓彎構(gòu)件提供彈性支撐改善后者的受力性

，

能壓彎構(gòu)件為拱梁其形式可以是單一型鋼也可以

；，，

４

］［

。（）

抗拉構(gòu)件是由多桿件組成的桁架拱一般為索

承受拱梁的水平推力減輕拱對支座產(chǎn)生的負(fù)擔(dān)減

，，

少滑動支座的水平位移由于索參與工作使張弦結(jié)

。，

構(gòu)的整體剛度遠大于單純剛性構(gòu)件的剛度因此在同

，

樣的使用荷載作用下張弦梁結(jié)構(gòu)的變形比單純剛性

，

；：：

收稿日期修改日期

２０１２０７１６２０１２０７２５

－－－－

中預(yù)應(yīng)力雙層懸索結(jié)構(gòu)是由一系列下凹的承重索和

，：（，，，）

作者簡介王果男安徽合肥人碩士合肥工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計研究院工程師

．１９７６－

《》

工程與建設(shè)年第卷第期

０１２２６５２

５７９

研究與探索

王果雙索張弦梁結(jié)構(gòu)

：

雙索張弦梁結(jié)構(gòu)也分為三個形態(tài)與普通張弦梁

，

即同時對上弦索結(jié)構(gòu)的區(qū)別主要是在第二個形態(tài)上

，

和下弦索施加預(yù)拉力新的三種狀態(tài)如圖所示

，。

４

ＹＡＮＪＩＵＹＵＴＡＮＳＵＯ

圖雙索張弦梁結(jié)構(gòu)的形態(tài)

４

３．２

雙索張弦梁結(jié)構(gòu)的三種形態(tài)下的內(nèi)力與變形

對普通張弦梁結(jié)構(gòu)而言其初始形態(tài)是建筑設(shè)計

，

所給定的基本形態(tài)即結(jié)構(gòu)竣工后的驗收狀態(tài)如果

，。

張弦梁結(jié)構(gòu)的上弦構(gòu)件按照初始形態(tài)所給定的幾何

那么在張拉拉索時由于上弦結(jié)參數(shù)進行加工放樣

，，

構(gòu)剛度較弱拉索的張拉勢必然引起上弦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生向

，

圖浦東國際機場張弦梁結(jié)構(gòu)

２

上的變形當(dāng)拉索張拉完畢后結(jié)構(gòu)上弦構(gòu)件的形狀

。，

將偏離初始形態(tài)從而不滿足建筑設(shè)計的要求因此

，，，

張弦梁結(jié)構(gòu)上弦構(gòu)件的加工放樣通常要考慮拉索張

拉產(chǎn)生的變形影響從目前已建張弦梁結(jié)構(gòu)工程的

。

通常是采用每榀張弦梁張拉完畢后進施工工序來看

，

行整體吊裝就位再鋪設(shè)屋面板和吊頂因此該類結(jié)

，，

構(gòu)的變形控制應(yīng)該像懸索結(jié)構(gòu)那樣以初始態(tài)為參考

，

形狀也就是說恒荷載和可變荷載在該狀態(tài)下產(chǎn)生

，，

的結(jié)構(gòu)變形才是正常使用極限狀態(tài)所要求控制的變

即結(jié)構(gòu)變形不應(yīng)該計入預(yù)應(yīng)力對結(jié)構(gòu)提供的反拱形

，

效應(yīng)

。

雙索張弦梁結(jié)構(gòu)受上述施工工序的影響較小根

，

據(jù)屋面和吊頂荷載計算結(jié)構(gòu)的變形可以計算出荷載

，

狀態(tài)下上弦變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載施加在結(jié)構(gòu)上這樣在

，，

初始態(tài)的結(jié)構(gòu)與零狀態(tài)的結(jié)構(gòu)變形差就非常的小上

，

弦結(jié)構(gòu)也不會受到初始態(tài)狀態(tài)下來自下弦索拉力的

，

安裝荷載而且在屋面和吊頂荷載作用下上弦結(jié)構(gòu)

。，

受壓變形有壓縮的趨勢而只要有壓縮變形上弦索

，，

的拉力就會損失所以最終的變形要小于沒有上弦拉

，

索情況下的變形如果采用高強度低松弛的鋼絲索

。，

即在相同變形情況下索的拉力損失越大則荷載態(tài)

，，、

初始態(tài)和零狀態(tài)的區(qū)別就越小

。

３．３

雙索張弦梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計

普通張弦梁結(jié)構(gòu)的屋面系統(tǒng)通常采用輕質(zhì)屋面

，

質(zhì)量較輕因此當(dāng)結(jié)構(gòu)在以風(fēng)荷載為主的工況下由

，，

于風(fēng)荷載體形系數(shù)大多為向上的吸力較為容易克服

，

結(jié)構(gòu)自重和屋面恒荷載的重量使張弦梁結(jié)構(gòu)出現(xiàn)向

，

上的分布荷載作用從而導(dǎo)致上弦受拉下弦受壓

，，。

上凸的穩(wěn)定索以及它們之間的連系桿拉桿或壓桿

，（）

組成它的形狀與張弦梁結(jié)構(gòu)類似在雙層懸索體系

，。

中設(shè)置穩(wěn)定索有三種作用一是和承重索共同在預(yù)

，：

以抵抗豎向荷載拉力作用下為整個結(jié)構(gòu)提供支撐力

，

作用二是保持索系的穩(wěn)定保證屋面形狀的穩(wěn)定三

；，；

是抵抗風(fēng)吸力的作用

。

通過普通張弦梁結(jié)構(gòu)體系和雙層懸索結(jié)構(gòu)體系

的對比提出一種雙索張弦梁結(jié)構(gòu)

，（

ＤｏｕｂｌｅＣａｂｌｅ

－

），

即在張弦梁上弦結(jié)構(gòu)中設(shè)

ＢｅａｍＳｔｒｉｎＳｔｒｕｃｔｕｒｅ

ｇ

置適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力鋼索的結(jié)構(gòu)體系其優(yōu)點有三個方

。

面一是在強負(fù)風(fēng)壓作用下結(jié)構(gòu)受到向上的吸力由

：，，

于上弦預(yù)應(yīng)力索的存在可以抵抗風(fēng)吸力二是由于

，；

預(yù)應(yīng)力索的存在限制的上弦的變形使下弦索不會因

，

為上弦受拉變形過度而喪失拉力和退出工作三是改

；

善了施工工序引起的上弦結(jié)構(gòu)的附加荷載

。

３

雙索張弦梁結(jié)構(gòu)與普通張弦梁結(jié)構(gòu)

３．１

雙索張弦梁結(jié)構(gòu)與普通張弦結(jié)構(gòu)的形態(tài)

（），

零狀態(tài)是拉索張拉前的狀態(tài)實際上是指構(gòu)

１

）。，（

件的加工和放樣形態(tài)通常也稱結(jié)構(gòu)放樣態(tài)圖

３ａ

（），

初始態(tài)是拉索張拉完畢后結(jié)構(gòu)安裝就位的

２

）。，（

形態(tài)通常也稱預(yù)應(yīng)力態(tài)圖

３ｂ

）（

荷載態(tài)是外荷載作用在初始態(tài)結(jié)構(gòu)上發(fā)生

３

［］

９１０

－

）。（

變形后的平衡狀態(tài)圖

３ｃ

圖普通張弦梁結(jié)構(gòu)的形態(tài)

３

５８０

《》

工程與建設(shè)年第卷第期

０１２２６５２

研究與探索

王果雙索張弦梁結(jié)構(gòu)

：

因此在風(fēng)荷載較大的地區(qū)采用張弦梁結(jié)構(gòu)設(shè)計時通構(gòu)零狀態(tài)初始態(tài)及荷載態(tài)三種狀態(tài)的分析結(jié)構(gòu)的

，、，

加大下弦拉索預(yù)應(yīng)力來抵抗常采取增大屋面恒荷載如何進行上下弦索同時張拉的問題等等變形問題

，，，

壓力效應(yīng)或者在張弦梁結(jié)構(gòu)下設(shè)置地錨拉索來抵抗有待于更進一步的研究與探索

，。

一部分風(fēng)吸力而這些措施也各有其不利的一面增

。，

加屋面荷載和加大下弦拉索預(yù)應(yīng)力必然帶來材料的參考文獻

浪費以及加大上弦結(jié)構(gòu)在沒有風(fēng)荷載作用下的負(fù)擔(dān)

，

設(shè)置地錨索可能會影響整個建筑的使用功能而且也

，

不能從根本解決風(fēng)荷載的問題所以這是張弦梁結(jié)

。

構(gòu)的主要缺點之一

。

雙索張弦梁結(jié)構(gòu)可解決上述問題首先在風(fēng)荷載

，

作用下上弦結(jié)構(gòu)受拉有伸長的趨勢由于上弦拉索

，，，

此時由上弦拉索來抵抗風(fēng)吸力而且限制了的存在

，，

同時又減少了下弦索收縮上弦結(jié)構(gòu)整體受拉的變形

，

的變形有效的防止的下弦索拉力為零而退出工作的

，

不利情況其次雙索張弦梁結(jié)構(gòu)不會影響結(jié)構(gòu)的使

；，

用功能

。

ＹＡＮＪＩＵＹＵＴＡＮＳＵＯ

〔〕

［］，，，

沈祖炎夏紹華等結(jié)構(gòu)概念及全張力體系的工作機理錢若軍

．１

［］（）：，，

空間結(jié)構(gòu)

Ｊ．１９９７３２３－９．

［］——［］—

回顧與展望大跨空間結(jié)構(gòu)的發(fā)展土木工程學(xué)沈世釗

２Ｊ．．

（）：，，

報

１９９８３１３５－１４．

［］］［，

預(yù)應(yīng)力大跨度空間鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用和展望浙江建筑董石麟

３Ｊ．．

（）：

２００２Ｓ１１－６．

［］［：］

大型張弦梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與施工濟南山東科學(xué)技黃明鑫

４Ｍ．．

術(shù)出版社

，

２００５．

［，］，

Ｓ５ａｉｔｏｈＭ．ＨｂｒｉｄＦｏｒｍＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｈｅ１１ＭｅｍＳ

－－

ｙ

，［］，，

ｂｒａｎｅａｎｄＳａｃｅＦｒａｍｅＰｒｏＪ．ＬＡＳＳＳｍｏｓｉｕｍＯｓａｋａ１９８６

ｐｙｐ

（）：

２２５７－２６４．

［］［：］

預(yù)應(yīng)力張弦桁架施工技術(shù)研究南京東南大學(xué)土施駿

６Ｄ．．

木工程學(xué)院

，

２００３．

［］（），

張富林浦東國際機場一期工程航站樓鋼結(jié)構(gòu)研究與汪大綏

．７

］（）：，［

結(jié)構(gòu)工程師設(shè)計

Ｊ．２０００Ｓ１２１－２３．

［］［：，］

索和膜結(jié)構(gòu)上海同濟大學(xué)出版社張其林

８Ｍ．２００１．．

［］］［，，

白正仙張弦梁結(jié)構(gòu)受力性能的分析結(jié)構(gòu)設(shè)計劉錫良

．９Ｊ．

（）：，

１９９８１３１４４－８．

［］——，—，

張弦梁結(jié)構(gòu)劉錫良李義生新型空間結(jié)構(gòu)形式白正仙

．１０

［］（）：，，

空間結(jié)構(gòu)

Ｊ．２００１７２３３－３８．

４

結(jié)束語

目前雙索張弦梁結(jié)構(gòu)的提出是建立在理論的基

礎(chǔ)上還沒有進行精確的計算分析和施工可行性的研

，

比如說上弦索的彈性模量控制在什么數(shù)值比較合究

，

適上弦索安裝在上弦結(jié)構(gòu)的什么部位比較合適結(jié)

，，

（）。

上接第頁構(gòu)的設(shè)計提供了新的支座型式

５７８

用降低動力荷載對網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的危害性

，。

（）、、，〔〕

彈簧支座加工簡單安裝方便造價低廉加參考文獻

５

快了設(shè)計向成果轉(zhuǎn)化的進度縮減了施工工期為企

，，

３

］［

。

業(yè)帶來了社會效益和經(jīng)濟效益

［］］［，

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程

１ＧＪ６１－２００３Ｓ．Ｊ

［］］［，

董石麟空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)化浙江大學(xué)學(xué)報鄧華

．２Ｊ．

（，（）：），

工學(xué)版

１９９９３３４３７１－３７６．

［］］［，，

大跨度網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究施工技術(shù)齊月芹

３Ｊ．２００９３８．

（）：

２３９３－３９６．

［］［：］·

空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)高立人譯北京中國建筑工約翰奇爾頓

．４Ｍ．．

業(yè)出版社

，

２００４．

［］、［：］

新型空間結(jié)構(gòu)分析設(shè)計與施工北京人民交通出董石麟

５Ｍ．．

版社

，

２００６．

［］］［

水泥廠熟料庫屋蓋網(wǎng)架施工技術(shù)研究與開發(fā)工程盧曉明

６Ｊ．．

（）：，，

與建設(shè)

２０１０２４３３９０－３９３．

［］］［，

建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范

７Ｂ５０００９－２０１０Ｓ．Ｇ

［］［：，］

網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性北京科學(xué)出版社沈世釗

８Ｍ．１９９９．．

［］，［］，

韓慶華李海旺建筑鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與應(yīng)用北羅永峰

．９Ｍ．

京人民交通出版社

：，

２０１０．

［］［（）：］

建筑施工手冊第版北京中國建筑施工手冊編寫組

４１０Ｍ．．

建筑工業(yè)出版社

，

２００３．

［］［：］

基于性能的空間網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)設(shè)計理論研究杭州浙杜文風(fēng)

１１Ｄ．．

江大學(xué)土木學(xué)院

，

２００７．

《》

工程與建設(shè)年第卷第期

０１２２６５２

５８１

６

結(jié)束語

機械彈簧在機械領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛但在建筑行

，

業(yè)很少研究或采用沒有相關(guān)的技術(shù)資料以及設(shè)計標(biāo)

，

準(zhǔn)目前國內(nèi)外尚未見有單位設(shè)計建成無中心支

。，

承有側(cè)限網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)屋面水泥熟料庫的文獻報道北

、。

流無中心支承網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)熟料庫設(shè)計采用有側(cè)限的機

械彈簧支座在國內(nèi)還屬首創(chuàng)是跨學(xué)科間的成功應(yīng)

，

解決了網(wǎng)殼在溫度應(yīng)力下的變形問題同時機械用

，，

彈簧的應(yīng)用提供了合理的網(wǎng)殼整體剛度減少網(wǎng)殼用

，

鋼量節(jié)約工程造價機械彈簧在建筑工程中的應(yīng)用

，。

為類似大跨度受溫度以及動力敏感的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供

、

了一個新的設(shè)計思路為今后大跨度環(huán)型材料庫高

，（

溫差振動及大型的公共建筑和體育場館的屋蓋結(jié)

、）