网球馆张弦梁结构的设计

摘要：张弦梁结构是将上弦刚性受压实腹梁通过撑杆与下弦拉索组合在一起形成自平衡的受力体系，是一种大跨度预应力空间结构体系。其广泛应用在拱形屋盖体系中。该结构具有拉索和撑杆为上弦构件提供弹性支撑以减小拱上弯矩的特点，拉索张力与拱推力相抵消，既发挥了上弦拱的受力优势又充分利用了拉索抗拉强度高的优点，

关键词：张弦梁结构；自平衡受力体系；初始状态 ；拉索张拉控制

前言

张弦梁结构是将上弦刚性受压实腹梁通过撑杆与下弦拉索组合在一起形成自平衡的受力体系，是一种大跨度预应力空间结构体系。其广泛应用在拱形屋盖体系中。

网球馆新建训练馆新馆钢结构部分平面尺寸82.5mx37.81m，两侧为两榀排架柱钢柱截面形式为HN700型钢，柱距6米，两侧排架柱横向设置联系钢梁，砌体填充墙结构，柱顶标高15.700m，屋盖建筑设计采用拱形屋盖，矢高4米。

屋盖结构在方案论证阶段，考虑了几种设计形式。第一种方案屋盖采用圆柱面壳结构，柱面壳与两侧排架柱跨度方向能够自由滑动，该方案因用钢量大，柱面壳水平位移过大而被否定。第二种方案屋盖仍采用圆柱面壳结构，柱面壳与两侧排架柱跨度方向铰接连接，该方案拱形网架屋盖对下部钢柱产生较大水平推力，使得钢柱柱脚弯矩难以承受而被否定。几经论证后，屋盖采用张弦梁结构，该结构为平面自平衡结构。该结构具有拉索和撑杆为上弦构件提供弹性支撑以减小拱上弯矩的特点，拉索张力与拱推力相抵消，既发挥了上弦拱的受力优势又充分利用了拉索抗拉强度高的优点，比较适用于本网球馆工程特点。

1计算模型与结构参数

网球馆新馆平面尺寸82.5mx37.81m，两侧为两榀排架柱，柱距6米，柱顶标高15.700m，荷载情况如下：

恒荷载：采光顶（隐框玻璃）0.65 kN/m2

轻型屋面0.35 kN/m2

活荷载：0.5 kN/m2

工程地面粗糙度为B类，抗震设防烈度为六度，设计地震分组为第二组，基本加速度为0.05g。地区50年一遇的基本风压值为0.55 kN/；基本雪压：0.45kN/m2；

屋盖结构形式为平面张弦梁结构，结构跨度为37.81米，上部拱形钢梁截面为H700X300X14X20，上弦矢高为4米，下部拉索为φ5X55(直径为41mm)，下弦垂度为2.4米，每榀张弦梁有3根竖杆，竖杆截面为φ180X10。

2、拉索工作状态工况分析：

初始状态Temp:对模型拉索施加温度荷载（模拟预拉力），对钢梁施加檩条荷载对结构进行分析。分析结果显示：在Temp工况作用下，两侧柱顶向内变形各为4mm,拱顶变形为13mm(向上)。Temp工况考虑结构自重作用下单榀张弦梁结构拉索轴力为83.7KN，由此确定初始拉索内力为83.7KN。

正常状态Dead：对结构施加1.0倍恒荷载作用，对结构进行分析。分析结果显示：在Dead工况作用下，两侧柱顶向内变形各为0.5mm,拱顶变形为1.2mm(向下)。Dead工况考虑结构自重作用下单榀张弦梁结构拉索轴力为158KN。

极限状态1.2Dead+1.4LIVE1：对结构施加1.2倍恒荷载+1.4倍满跨活荷载作用，对结构进行分析。分析结果显示：在1.2Dead+1.4LIVE1工况作用下，两侧柱顶向外变形各为6mm,拱顶变形为28mm(向下)。1.2Dead+1.4LIVE1工况考虑结构自重作用下单榀张弦梁结构拉索轴力为327KN。1.2Dead+1.4LIVE1工况作用下，结构变形最大，拉索拉力最大，因此认定1.2Dead+1.4LIVE1为结构最不利工况。327KN为张弦梁结构在使用过程中的最大设计拉力，考虑5倍的安全系数，选取5X55拉索(直径为41mm)，其破断拉力为1803KN。

不稳定状态1.0Dead+1.4WIND1：对结构施加1.0倍恒荷载+1.4倍横向风荷载作用，对结构进行分析。分析结果显示：在1.0Dead+1.4WIND1工况作用下，拉索轴力为84KN,拉索并没有失效。

3、索与钢梁、竖杆连接节点设计：

拉索与钢梁连接节点选用成品张拉索双耳内旋式锚具，拉索与竖杆连接采用铸钢索夹，销轴及连接板用有限元软件ANSYS进行应力复核验算分析。

4、预应力拉索的防护：

张拉索钢丝采用5x55,直径41mm。张拉索钢丝采用高强度低松弛热浸镀锌钢丝(fptk=1670N/m), f=334N/m,镀锌量300g/。

(1)成品拉索在生产制作过程中应采取诸多防护手段，在出厂前对索体进行必要的包装防护。

(2)当索盘运至施工现场后，在安装的各个阶段必须注意索的防护，具体如下：

a.索盘展开过程中外包的防护层不得除去；

b.在牵引索、安装索、张拉索的各道工序中，均应避免碰伤、刮伤索体；

c.不允许有任何焊渣和熔融的铁水落在索体上及用硬物刻划索体，以免损坏索的PE护套。

5、施工时预应力拉索张拉控制要求及控制目标：

(1)新馆部分拉索张拉按一阶段张拉，张拉在屋面檩条安装完成后进行。

(2)张拉阶段的张拉监测主要技术参数：变形控制技术参数(包括钢柱柱顶水平位移、钢梁拱顶挠度、拉索的伸长值)；轴力控制参数(拉索内力);

(3)张拉时服从统一指挥，按张拉给定的控制技术参数进行精确控制张拉。

(4)张拉阶段控制目标：钢柱柱顶水平位移控制值4mm(向内)；钢梁拱顶挠度控制值13mm(向上)；拉索内力控制值83.7KN；拉索的收缩值控制值13.8mm。

(5)张拉阶段拉索张拉的控制原则：变形控制为主，索力控制为辅;变形控制时柱顶位移控制为主，拱顶挠度控制为辅。

结论

(1)平面张弦梁结构受力特性相当于简支梁的受力特性，结构在竖向荷载作用下的整体弯矩由上弦钢梁的压力和下弦拉索的拉力形成等效力矩来承担，结构整体剪力及剪力产生弯矩由上弦钢梁承担。

(2)平面张弦梁结构上弦钢梁既要满足跨中弯矩作用下上弦构件的压力要求，又要具有较大的抗弯刚度满足局部弯矩受弯要求，设计时既要考虑截面面积又要考虑抗弯模量。

(3)平面张弦梁结构上弦平面外应布置系杆和水平交叉支撑，以减小平面外计算长度，解决平面外稳定问题。

(4)平面张弦梁结构上弦矢高和下弦垂度是设计时重点考虑的参数。张弦梁矢跨比和垂跨比增加，均能降低结构的跨中挠度及减小上弦构件的压力。

(5)平面张弦梁结构因其自身受力特点决定，其张拉控制参数对其受力状态尤为重要。结构零状态涉及结构构件的加工放样；结构初始状态（张拉之后）变形值是施工时进行张拉控制的技术参数；结构正常状态是竣工验收时的重要依据；满布荷载状态是设计者进行承载力和正常使用极限状态设计时进行应力及变形控制的极限状态；不稳定状态是验算结构是否失效的最不利状态。