张弦梁(桁架)结构在日本的工程应用

摘要：张弦梁结构是一种新型的大跨度结构体系，该结构在日本大学斋藤公男教授于20世纪80年代明确提出之后，凭借其高效的传力机制和优美的外形效果，在日本的大型公共建筑中得到了极为广泛的应用。本文对日本的张弦梁（桁架）工程进行简要的介绍，并对张弦梁（桁架）结构的概念进行阐述。

关键词：张弦结构；张弦梁（桁架）；工程应用

0 引言

张弦梁结构是由日本大学斋藤公男教授于20世纪80年代明确提出，斋藤公男教授将其明确为“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”[1]，从该定义可知，张弦梁结构是由三类基本构件组成，即“抗弯受压构件”、“抗拉构件”和“撑杆”，

其中，“抗弯受压构件”的形式可以是梁、拱或者桁架，“抗拉构件”的形式可以是高强钢拉索或钢棒。

1 张弦梁（桁架）结构的概念

关于张弦梁（桁架）结构的受力特点，可以从不同的角度去理解：其一，张弦梁（桁架）结构可以看做是在梁或桁架的体外布置拉索而成；其二，张弦梁（桁架）结构可以看做是在常规桁架的基础上将下弦受拉杆件用高强度拉索替换而成；其三，张弦梁（桁架）结构可以看做是在索桁架的基础上用刚性构件替换上弦拉索而成。

2 张弦梁（桁架）结构在日本的工程应用

张弦梁结构可以说是一个既古老又新颖的结构形式，该结构形式的最初应用是在桥梁结构中，如英国1859年建造的Royal Albert桥。随着20世纪80年代斋藤公男教授明确提出张弦梁结构的概念，张弦梁结构在大跨度结构中得到了广泛的应用，国外应用张弦梁结构的工程主要集中在日本，该时期代表性的工程有：

1、日本大学理工体育大厅[3]，其平面尺寸为85m×58m，屋盖采用人字型张弦梁，各榀张弦梁间距5m，每榀拉索预拉力为640kN，施工采用滑移法。

2、日本五洋建设技术研究所多功能实验楼[4]是张弦梁与膜结构结合的成功案例，该屋盖平面尺寸为22.4m×35m，各榀张弦梁间距8.75m，各榀张弦梁之间铺设有膜材。

3、日本京都水族馆表演场[3]，在屋盖的短方向并列布置张弦梁，同时使小立柱上的连线与游泳池的轴线一致。为了有效地释放温度应力，在外侧设置了橡胶支座，同时，首次实现了“BSS大屋盖的隔震化”。

4、日本浦安市综合体育馆的屋顶由两跨张弦梁结构组成，上弦采用波浪形刚性空腹桁架，由4根核心柱支撑的游泳馆的桁架考虑到顶部的采光的透明度取V字形。室内比赛场的屋顶支点处采用双向滚轴支座。在跨度方向设置下弦拉索，在面外支点间设置预应力拉索以约束柱脚的移动。

5、日本绿色穹顶体育馆的屋盖采用辐射式张弦桁架结构，平面近似椭圆形，长轴尺寸为l67m，短轴尺寸为122m，由平行布置和由中央辐射状布置的张弦桁架共34榀组合而成，采用桁架作为上部抗弯受拉构件，桁架杆件采用H型钢，采用哪个钢缆作为下部受拉构件，屋盖跨中设置有刚性环为张弦桁架提供支撑。各榀张弦桁架之间设置水平支撑和檩条，用以提高结构的面外刚度。

6、日本琦玉县大型体育馆琦玉超级体育馆的主体结构由固定看台、移动看台、侧台、文娱区域，以及屋盖这五部分构成。

屋面尺寸约为130m×130m，支撑在环形承重墙和圆形塔柱上，三角形截面桁架和直线型张弦桁架构成屋盖结构。三角桁架采用变截面，最大截面高度约为10m。屋盖呈倾斜锥体曲面。屋面结构的张弦桁架的下部受拉构件由三根平行拉索组成，每根拉索施加10000kN的预拉力。

7、日本出云穹顶采用张弦立体拱结构，直径为143m，高度为49m。木材是出云穹顶采用的主要建筑材料，结构中的构件布置如同“环状的伞”，同时屋面材料采用了PTFE膜材，与日本传统建筑风格完美地匹配，结构采用由木拱和拉杆组合而成的张弦立体拱复合型结构，环索在对称荷载下起承载作用，刚性撑杆的设置使得结构能够较好地抵抗非对称荷载。

8、日本酒田市国体纪念体育馆是张弦梁结构与悬臂式桁架组合应用，采用格贝式张弦梁结构，上部的梁采用几乎水平布置的H型钢梁，跨度为54m。该工程由日本建筑师谷口吉生与日本大学斋藤公男教授合作设计完成。

9、日本穴生穹顶位于日本的滑翔降落伞的发祥地北九州，所以其建筑外观设计为滑翔降落伞的造型，该工程建于1994年，平面尺寸为61.8m×108m，张弦桁架作为屋盖的主体结构形式支撑在两边的树状支撑柱上，上部结构采用钢构件外包木材的构造方式。由于九州是台风多发地，所以该工程采用张紧拉索和在膜屋面的谷底设置抗风索的措施来以抵抗风荷载。

10、日本静冈埃克帕体育馆与静冈埃克帕体育场隔广场相望，采用平缓的曲线屋盖以实现与景观的和谐。结构形式采用了“天秤式悬臂桁架”，通过这种桁架与张弦梁相结合，使跨度超过了90m。

11、日本掘之内城镇体育馆跨度为38m，地处日本多雪地带，结构采用复合式张弦梁，上部的梁采用木材，施工采用地面拼装完成后吊装就位。

除以上介绍的工程外，还有一些张弦梁工程较为典型，如日本大学理工学部CST大厅、日本山梨学院悉尼纪念游泳馆、日本大海中学体育馆以及日本唐户市场等。

3 结语

张弦梁（桁架）结构在日本得到的广泛应用充分说明了该结构体系的优越性，随着社会的发展和研究的深入，张弦梁（桁架）结构必将在更多的国内外大型公共建筑中得到应用。

参考文献：

[1] Saitoh Masao.Role of string-aesthetics and technology of the beam string structure[A].“Light Structure in Architecture Engineering and Construction"， Proceeding of the LSA98 Conference[C]，1998

[2] 陈志华，弦支穹顶结构[M]，北京：科学出版社，2010

[3] [日]斋藤公男，空间结构的发展与展望――空间结构设计的过去・现在・未来（季晓莲，徐华译）[M]，北京：中国建筑工业出版社，2006

[4] Msao Saitoh et a1.Study on Mechaical Characteristics of a Light-weight complex Structure Composed of a Membrane and a Beam String Structure[A].Spatial，Lattice and Tension Structure，Proc.of IASS―ASCE Int.Symp，1994

[5] Masao Saitoh， et a1. A Study on Structural Characteristics of Beam String Structure.Part II：Static Behavior for Additional Load[A].Summaries of Technical Papers of Annual Meeting Architectural Institute of Japan[C]，1987. （in Japanese）

[6] [日]小堀.日本琦玉超级体育馆的结构设计[J].建筑钢结构进展，2008，10（3）：50～53