張弦梁的結構特點

大跨度張弦梁的結構特點

提 要 ：張弦梁結構是近十余年來發展起來的一種新型大跨結構形式。結構由

抗彎剛度較大的剛性構件和高強度的拉 索組成，自重較輕，可以跨度很大空間。

本文在簡要介紹張弦梁結構特征、成形過程和研究現狀的基礎上，對需要研究的

課題提出建議。

關鍵詞 ：張弦梁，施工控制，結構穩定，振動

一 概述

大跨度張弦梁結構（Beam String Structure，簡稱BSS）是近十余年來快

速發展和應用的一種新型大跨空間結構形式。結構由剛度較大的抗彎構件（又稱

剛性構件，通常為梁、拱或桁架）和高強度的弦（又稱柔性構件，通常為索）以

及連接兩者的撐桿組成;通過對柔性構件施加拉力，使相互連接的構件成為具有

整體剛度的結構，如圖1所示。由于綜合應用了剛性構件抗彎剛度高和柔性構件

抗拉強度高的優點，張弦梁結構可以做到結構自重相對較輕，體系的剛度和形狀

穩定性相對較大，因而可以跨越很大的空間。一般說來，盡管張弦梁的梁、拱和

桁架截面可為空間形狀，但結構的整體仍表現為平面受力結構。同時，張弦梁的

組合亦可構成空間受力結構，如1991年日本建造的天城穹頂就是以張弦梁為基

本受力單元組合成的空間穹頂結構 (1) 。

張弦梁結構已經應用于若干實際工程中。二十世紀九十年代，在日本建造了

諸如Green Dome Maebashi，Ogasayama Dome，Urayasu Municipal Sports Hall

等十幾座類型各異的以張弦梁為主要受力結構的場館，其中Green Dome

Maebashi的平面尺寸達167×122m (2) 。1997年建成的上海浦東國際機場候機

樓是我國首次將張弦梁結構應用于超大跨空間結構中，其最大跨度達82.6m

(3) ；目前在建的廣州國際會展中心也在屋蓋體系中采用張弦梁結構，其最大跨

度達126.5m；擬建的深圳會展中心，其張弦梁結構跨度也將達124m。張弦梁結

構在我國的研究和應用尚處于初級階段，本文擬簡單介紹張弦梁結構的結構特

征、成形過程和若干理論問題的研究現狀，并在此基礎上對需要進一步研究的課

題提出建議。

二 張弦梁的結構特征

張弦梁結構的整體剛度貢獻來自抗彎構件截面和與拉索構成的幾何形體兩

個方面，是種介于剛性結構和柔性結構之間的半剛性結構 (4) ，這種結構具有

以下特征：

⑴ 承載能力高

張弦梁結構中索內施加的預應力可以控制剛性構件的彎矩大小和分布。例

力后，通過支座和撐桿，索力將在梁內引起負彎矩，如圖2(c)。當預應力使梁

的跨中彎矩也達到時，張弦梁結構中梁的最大彎矩最終只有單純梁時最大彎矩的

1/4，如圖2(d)。同時，調整撐桿沿跨度方向的布置，還可以控制梁沿跨度方向

內力的變化，使各個截面受力趨于均勻。而且由于剛性構件與繃緊的索連在一起，

限制了整體失穩，構件強度可得到充分利用。

⑵ 使用荷載作用下的結構變形小

張弦梁結構中的剛性構件與索形成整體剛度后，這一空間受力結構的剛度就

遠遠大于單純剛性構件的剛度，在同樣的使用荷載作用下，張弦梁結構的變形比

單純剛性構件小得多。

⑶ 自平衡功能

當剛性構件為拱時，將在支座處產生很大的水平推力。索的引入可以平衡側

向力，從而減少對下部結構抗側性能的要求，并使支座受力明確，易于設計與制

作。

⑷ 結構穩定性強

張弦梁結構在保證充分發揮索的抗拉性能的同時，由于引進了具有抗壓和抗

彎能力的剛性構件而使體系的剛度和形狀穩定性大為增強。同時，若適當調整索、

撐桿和剛性構件的相對位置，可保證張弦梁結構整體穩定性 。

⑸ 建筑造型適應性強

張弦梁結構中剛性構件的外形可以根據建筑功能和美觀要求進行自由選擇，

而結構的受力特性不會受到影響。例如浦東國際機場屋蓋上弦是焊接鋼管組成的

截面，結構外形如振翅欲飛的鯤鵬；廣州國際會展中心屋蓋上弦是空間桁架，結

構外形如游曳的魚。張弦梁結構的建筑造型和結構布置能夠完美結合，使之適用

于各種功能的大跨空間結構。

⑹ 制作、運輸、施工方便

與網殼、網架等空間結構相比，張弦梁結構的構件和節點的種類、數量大大

減少，這將極大地方便該類結構的制作、運輸和施工。此外，通過控制鋼索的張

拉力還可以消除部分施工誤差，提高施工質量。

三 張弦梁結構的成形過程

張弦梁結構的成形過程包括張弦梁剛性構件的裝配、索內預拉力的施加和整

體結構的安裝就位等。只有在對索施加一定的預拉力之后，張弦梁才能成為具有

整體剛度的承重結構，因此索內預拉力的施加是其成形的關鍵環節。

（一）張弦梁結構中索內預拉力的施加方法

對鋼索施加預拉力的方法多種多樣，在張弦梁結構中常用的有三種 (7) ：

花籃螺絲調節法（圖3a）、張拉鋼索法（圖3b）和支承卸除法（圖3c）。

⑴ 花籃螺絲調節法是通過調節索在兩個固定點間的長度來施加預拉力，一般用

于施加較小預拉力的張弦梁結構。浦東國際機場候機樓張弦梁結構小比例模型試

驗中即采用此法施加預拉力。

⑵ 張拉鋼索法是通過錨具和千斤頂直接張拉鋼索以施加預拉力，一般有兩端張

拉和一端張拉兩種方法。兩端張拉可以使預拉力沿索長的分布相對均勻，適用于

跨度較大的結構。浦東國際機場候機樓和廣州國際會展中心的張弦梁屋蓋都是采

用兩端張拉來施加預拉力。

⑶ 支承卸除法是利用結構自重或附加在結構上的配重來施加預拉力。在結構安

裝后卸除支承，由于剛性結構的變形，將部分結構自重和配重傳遞給撐桿，通過

撐桿對索施加拉力。單獨采用支承卸除法來施加預拉力時必須預先對剛性構件起

拱。

（二）索預拉力的施加方案

一般采用張拉鋼索法對大跨度張弦梁結構施加預拉力。鋼索可以在張弦梁結

構各構件裝配在結構支座處后一次張拉; 也可以在臨時支架上進行張拉，張拉完

畢后再提升并滑移至結構支座處。對在臨時支架上張拉的張弦梁結構，可能還有

必要在其安裝到結構支座處后再次張拉，即分批張拉。進行分批張拉的原因有二：

其一，考慮到張弦梁整體剛度形成后的強幾何非線性和屋面荷載尚未施加等因

素，若在臨時支架上將全部預拉力一次施加上去，可能導致結構變形太大，無法

獲得理想的幾何位形；其二，對安裝在支座上的張弦梁結構再次張拉可以調整幾

何位形方面的施工誤差，提高施工質量。

索內預拉力的施加方法和方案應根據結構特點、張拉機具、錨具特點和吊裝

能力等綜合確定，必要時可以采用不同方法的組合方式以施加預拉力。

四 張弦梁結構的若干研究重點

雖然大跨張弦梁結構已經應用于諸多實際工程中，但是關于其理論和試驗的

系統研究尚鮮有涉足，并很少出現在可查的文獻中。已有的研究包括：利用商用

或自行編制的考慮幾何非線性的分析程序，考察撐桿數目、矢跨比、梁弦剛度比、

弦的預拉力和邊界約束條件等參數對成形后的張弦梁結構性能的影響

(8)-(13) ；對浦東國際機場候機樓張弦梁屋蓋進行縮尺和足尺模型試驗，比較

全面地分析了張弦梁結構在張拉階段和使用階段的受力性能 (13) ；通過地震振

動臺模型試驗，初步分析了張弦梁結構屋蓋系統在地震動下的反應特征 (14) 。

以上研究使人們對張弦梁的受力性能有了比較清楚的認識，為張弦梁的設計和施

工提供一定的參考依據。但是這些研究主要集中在張弦梁結構成形后的參數分析

或僅針對某一實際結構進行全面分析，這遠遠滿足不了實際工程的需要。結合張

弦梁結構在實際工程中的應用，有必要對以下問題進行系統和深入地研究。

一）施工控制問題

張弦梁結構作為一種半剛性結構，其整體剛度由剛性構件截面尺寸和結構空

間幾何形體兩方面共同組成，且具有整體剛度和幾何形態與施工過程密切相關、

結構成形前剛度較弱等特點 (15) ，因而宜將張弦梁結構的施工階段作為一個獨

立的過程進行詳細分析。

張弦梁的成形過程涉及到預拉力確定、放樣幾何的確定以及施工方案的選擇

三個問題，合理確定這三個參數才能獲得理想的幾何位形并保證結構在不同荷載

作用下的整體剛度。

⑴ 預拉力確定

索內引進預拉力的目的是形成必要的整體剛度并獲得理想的幾何位形

(16) 。最佳預拉力就是在滿足以上兩個前提下，使剛性結構受力最小 (17) 。

國內外目前尚未對張弦梁結構的最佳預拉力提出合理的確定方法，但對初始預應

力的分布的計算已提出一些切實可行的辦法 ((17~19)) 。文獻 (17) 提出了根

據預應力向量的最小方差原理、索伸長量最小方差原理和最小勢能原理確定索初

始預應力的方法，但是該方法只考慮在給定幾何和邊界條件下索拉力的計算，沒

有考慮幾何位形隨預應力變化的特點，只能得到一個近似的預拉力。一般情況，

索內張力為 (20) ：

其中Te——結構自重引起的拉力

Tp——為控制結構性能而引進的拉力

Ta——附加荷載引起的拉力

To——結構成形時索的拉力

因此就是待確定的索內預拉力。

首先，結構整體剛度必須保證：①張弦梁形成一個相對獨立的結構，可以僅

依靠結構支座支承其重量，此時索內拉力與結構自重互相平衡，To=Te；②索在

任何外荷載作用下都不能松弛，即T > 0，To≥Ta故。對只承受向下荷載作

用的結構， Ta大于0，To≥Ta自動滿足；當結構承受向上的荷載作用（如風吸

力）時，Ta < 0，則所需的最小預拉力To=-Te。因此所需的最小預拉力為

max(Te’-Ta)。

其次，為了獲得理想的幾何形體，必須控制To的最大值。以浦東國際機場

候機樓R2張弦梁屋架為例 (13) ，張拉過程中，當張弦梁脫離臨時支架后，每

施加10KN的預拉力，張弦梁跨中頂部上拱50mm，且上拱速度逐步加快。張弦梁

結構的上拱會帶動支座的相對水平位移，即過多的上拱會影響結構的幾何位形。

張弦梁結構的上拱速率與剛性構件相對剛度和剛性構件的外形有關，剛性構件的

相對剛度越大，曲率半徑越大，上拱速度越小。

最后，最佳預拉力的確定在滿足結構整體剛度和幾何位形的前提下還要考慮

其在使用過程中的性能，盡量減少剛性構件在使用荷載作用下的應力和結構的變

形。

⑵ 放樣幾何的確定

張弦梁結構在成形過程中經歷以下幾種狀態：①放樣狀態，此時所有構件內

力均為0，亦稱零狀態，這個狀態對應的幾何參數就是工廠加工制作構件的依據；

②位于放樣狀態和設計狀態之間的過渡狀態，對于在臨時支架上張拉的張弦梁結

構，該狀態的受力為結構自重和索內預拉力，其中包括兩種情況，一是張拉完畢，

支承在臨時支架的受力狀態，一是提升或滑移中的受力狀態；對在結構支座處裝

配并張拉的張弦梁結構，該狀態的受力為結構自重和作用在其上的其它結構重

量；③設計狀態，此時索內預拉力施加完畢，結構受力為結構自重和預拉力，該

狀態就是建筑設計的依據，也是結構成形后受力分析的初始條件，故亦稱初始狀

態。

張弦梁結構設計狀態的幾何條件一般是給定的，因此其形狀確定問題表現為

確定結構初始狀態的預應力分布和放樣狀態的幾何形狀，以進行構件加工。從放

樣狀態到設計狀態，張弦梁經歷的是大位移彈性變形過程，必須采用非線性方法

進行分析。

已有的形狀確定方法主要是關于索網結構和膜結構的形狀確定，例如力密度

法 (21)、(22)) 、動力松弛法 (23)(24) 和最小二乘法 (25) 等，它們解決的

問題是給定邊界幾何或初始預應力分布尋找空間形狀的問題，即設計狀態幾何形

狀的確定。對于給定設計狀態的幾何和預拉力確定結構的放樣幾何，文獻 (26)

提出采用逆迭代法確定索梁初始狀態和放樣狀態的方法，這種方法包含多次非線

性迭代和多次試算，經驗要求較高，耗時較多。因而有必要尋找一種方向性更為

明確的算法，直接從設計狀態進行逆分析求放樣幾何，避免過多的迭代和試算。

⑶ 施工方案的選擇

施工方案的選擇除了考慮可以采用的設備之外，還要考慮結構自身的特點以

及在不同施工狀態下可能出現的問題。施工方案選擇主要是確定索內預拉力施加

方法（花籃螺絲調節法、張拉鋼索法或支承卸除法）、張拉位置（臨時支架處或

結構支座處）、張拉方案（一次張拉或分批張拉）以及安裝方法（一次吊裝、提

升并滑移到結構支座）。

針對于具體的工程項目和施工條件，每種施工方案各有利弊，應權衡之后再

進行選擇。當采用張拉鋼索法施加預拉力時，對剛性構件剛度相對較小，而要求

的預拉力相對較大的張弦梁結構，應盡量采用分批張拉。

（二）結構穩定問題

張弦梁的穩定問題有兩類，一是結構中各結構構件，如上弦桿和撐桿的穩定

問題；另一類是張弦梁作為一個整體結構的穩定問題。同其他鋼結構桿件一樣，

張弦梁結構的上弦桿和撐桿受壓時亦存在失穩問題。文獻 (30) 對廣州國際會展

中心張弦梁結構的上弦桿的穩定問題進行了數值分析，結果表明在使用荷載作用

下，上弦桿不會出現失穩破壞。

在結構的整體穩定性方面，首先，在張拉過程中，結構尚未成形，整體剛度

較弱，如果處理不當，可能出現弦桿結構的平面外失穩和平面內失穩。其次，成

形后的張弦梁結構可以看做是一類特殊的“桁架”，張弦梁結構的上弦、撐桿和

索分別是該“桁架”的上弦、腹桿和下弦，與一般桁架的差別主要在于用高強度

鋼索代替普通桁架的下弦。因此一般桁架中的穩定問題也可能在張弦梁結構中出

現 (31) 。再次，張弦梁結構中由于引入了張緊的預應力索，其結構的整體穩定

與剛性結構有所不同，調整索、撐桿和剛性構件的相對位置，可使張弦梁結構不

發生整體失穩。同時，張弦梁結構的重心位于結構的上部，因此整體結構的傾覆

是不可忽視的問題。應該指出的是，張弦梁結構中索內預拉力的存在是結構整體

剛度的保證，同索桿、索膜結構一樣，結構穩定首先要求索不能出現松弛 (6) 。

文獻 (30) 利用STRAND7.0對廣州國際會展中心屋蓋進行穩定分析，得到當

荷載為設計荷載的22.3倍時，結構最先發生平面內屈曲。文獻( (11) 在張弦梁

足尺試驗中對張弦梁下弦的跨中和四分點共4點分別施加3KN面外水平荷載，屋

架平面外水平變形非常微小，而且卸除該荷載后變形也基本恢復。這在一定程度

上反映了張弦梁結構的穩定性能，但是這些研究僅局限在某一結構的某一方面的

穩定分析，針對張弦梁結構特點的穩定分析理論和數值分析方法尚未建立。

（三）振動問題

張弦梁結構單位重量輕，在風荷載作用下容易發生較大的變形和振動，甚至

導致預應力索發生松弛而使結構處于不穩定狀態 (15) 。水平和豎向地震作用引

起的反應往往是同數量級的，地震反應分析一般需要考慮三維地震輸入

(14)(32) ; 同時由于結構跨越了較大跨度，且可能支承在不同結構上，異相位

差問題突出。大跨空間結構的頻率分布密集，往往前十幾階振型均對地震反應有

貢獻 (33)(34) 。此外，在風載和地震作用下，張弦梁結構的支撐和節點連接等

也會出現不同于靜力荷載作用時的性能和破壞特征。

文獻 (14) 對浦東國際機場候機樓屋蓋進行了縮尺模型的振動臺試驗，揭示

了張弦梁結構在地震作用下的地震反應特征和薄弱環節。關于張弦梁結構的動力

分析目前尚未進行系統研究，由于該類結構具有與高層和高聳結構不同的動力性

能，而且索在振動過程中張力不斷變化，一般的振型分解法在張弦梁結構的動力

反應分析中將不再適用，其它的動力分析方法如何有效考慮這些差異是值得探討

的問題。

五 結語

若干張弦梁結構的實際工程應用已經證明，該類結構具有結構簡單，傳力明

確，施工方便快捷和建筑造型與結構布置能完美結合等優點，在大跨度空間結構

方面具有廣闊的應用前景。而目前的理論研究，尤其是結構分析與施工過程相結

合的系統分析尚落后于實際工程應用，因此有必要對此進一步加以研究和探討，

提出合理的設計、施工和優化方法，以建造技術先進、經濟合理、安全適用的大

跨度張弦梁結構。