试析大跨度建筑结构设计

　　摘要：随着现代建筑事业的快速发展和建筑物使用功能要求的不断提高，现在的建筑物结构跨度越来越大。预应力钢结构因其良好的受力性能和广阔的应用前景已经越来越得到人们重视。本文论述了建筑新技术充分利用高强索的强抗拉性改善了整体结构受力性能，成为受力合理、制造运输方便、施工简单的自平衡体系，是具有良好应用价值和前景的新型结构形式。
　　关键词：大跨度建筑；预应力；结构设计
　　
　　1．预应力对柱支承球面扁网壳稳定的作用
　　钢扁网壳很多采用柱作支承。当柱间跨度较大时，为控制结构在竖向荷载作用下的变形和减小扁网壳支座的水平推力，一般采取以下措施：
　　1．1设置较大的钢或钢筋混凝土边缘构件（边梁、边桁架）；
　　1．2在外加边缘构件的体内或体外施加预应力，以协调扁网壳与边缘构件的变形，减小边缘构件的断面尺寸；
　　1．3沿扁网壳周边拉力环域施加适当预应力，为了简单有时也直接在扁网壳相邻支座之间布索。相对而言第3种方法比较经济。对预应力扁网壳结构的分析，以前都采用线弹性方法。但在某体育馆的结构设计中，其屋盖为8柱支承周边悬挑的预应力球面扁网壳。通过比较，表明预应力的施加能够有效控制结构的变形，并降低用钢量。
　　2．张力松弛法在预应力空间结构中的应用
　　张力松弛法是针对预应力空间网格结构设计与施工张力控制值计算问题而研究出的一种力学分析方法。这种方法不仅能计算索的张力施工控制值，而且能计算结构中所有构件在张拉施工任一阶段时的内力、节点变位。当采用分组分批张拉施工方法时，每批索只要一次张拉到计算所得的张力施工控制值即可，当最后一批索张拉完毕，所有组索的实际内力将达到它们各自的张力设计值。这样，目前通常所采用的分阶段分组分批张拉，逐阶段张力调整的施工方法将得以改善，张拉施工的工作效率将大大提高，施工成本大大降低。
　　2．1张力松弛法解决的问题
　　（1）计算结构中各构件在索张拉施工每一阶段时的实际内力，包括在索张拉全部完成时各构件的最终实际内力；（过程内力计算）
　　（2）依据索张力设计值，根据张拉的实际情况，计算张拉各阶段中索的张力施工控制值，以使张拉工作全部完成时，各组索的实际内力恰好等于其张力设计值；（以结果内力为目标反推算过程内力）
　　（3）用于预应力空间结构设计，进行合理布索与结构优化分析。
　　2．2预应力空间结构的主要优点及注意问题
　　预应力空间结构的主要优点在于增加结构的整体刚度和提高结构的承载力；减轻结构的重量；优化结构的空间利用并使结构更美观。结构中的索若采用整体张拉方法则施工费用相当高昂；若采用分组分批张拉、逐步调整张力的施工方法，工艺简单且易于操作，但施工的张力调整工作相当麻烦费时且费用亦较高且必须考虑以下问题：
　　（1）分批张拉时，后批索张拉必然会造成前面所有批索实际张力发生改变，这种变化既不是纯粹的递增关系也不是纯粹的递减关系，但这种变化并不是没有规律的。
　　（2）当最后一批索张拉完毕时，除最后一批索外，所有的索的实际内力值均不是施工时的张力控制值，即：几乎所有的索由于张拉施工的原因，其初始内力都发生了变化。
　　（3）预应力空间结构中有许多与刚性构件相连接的索，这些索分成若干个组，其中每组索包含同时张拉施工的索，各组索的划分应根据结构索的分布情况以及施工的实际情况而定。
　　2．3关于使用张力松弛法的结论：
　　（1）张力松弛法主要应用于带有施加预应力加强索的空间结构受力分析，可应用于张力施工控制值的计算，也可应用于张拉施工过程各阶段中各索及杆件的实际内力值的计算。同时，还能计算结构中所有构件在张拉施工任一阶段时的内力与节点变位。
　　（2）各组索的张力施工控制值均是针对某一特定张拉施工顺序的，施工时的张拉顺序不同，则计算所得的张力施工控制值也不同。本方法的计算结果应用于分组分批张拉施工时，必须按照计算时设定的施工张拉顺序进行，否则最后的结果是错误的。每批索只要一次张拉到计算所得的相应的张力施工控制值即可，当最后一批索张拉完毕，所有组索的实际内力将达到它们各自的张力设计值。
　　（3）该方法还可用于预应力空间结构设计，进行合理布索与结构优化分析。
　　（4）张力松弛法是一种实用的、非常高效率的分析方法。
　　（5）张力松弛法可以推广应用到任何形状的预应力空间网格结构，无论结构中各根索的张力设计值相同或不相同。
　　3．张弦梁结构中的预应力作用
　　张弦梁结构是通过撑杆连接梁（拱）和索而形成的一种新型杂交结构形式，通过对下弦索施加预应力可以使结构形成整体共同参加工作。下弦索的预应力，通过撑杆使梁产生与使用荷载作用时相反的位移，从而部分抵消了外荷载的作用；联系索与梁之间的撑杆对于上弦梁起到了弹性支撑的作用，可以减小上弦梁的弯矩；同时，下弦索负担外荷载对上弦梁产生的外推力，从而不会对边缘构件产生水平推力，整体结构形成自平衡体系。
　　通常认为随着预应力的增大，结构的变形将减小；已有的一些对张弦梁结构的研究工作也得出类似结论，认为增大预应力可以有效的减小变形和上弦梁的正应力，有益于结构性能的改善。但是，分析该结构，必须区分其在施加预应力前后的状态，即零状态和初始态，本文定义零状态为体系在无自重、无预应力作用时的放样状态；初始态为体系在自重和预应力作用下的自平衡状态。为求解零状态几何参数和初始态预应力分布提出了逆迭代法，但是无法在此基础上连续进行承受外荷载作用下的分析。因而以往的一些对张弦梁结构力学性能的研究并未区分这两种状态，同时对预应力张拉过程中的位移（初始态位移）和承受使用荷载作用下的位移（荷载态位移）也未区分，这就可能造成对该结构力学性能的误识。
　　可以说，预应力的增大对于张弦梁结构位移的影响是很小的，尤其对竖向位移而言，更是微乎其微；在大跨度的情况下，由于仅仅依靠上弦梁的刚度是不足以抵抗结构自重和外荷载的，所以要通过预应力这个媒介，使梁、索、杆形成整体参与工作，从而使结构的整体刚度大大增加；但是单就预应力本身来讲，它的增大导致所有内力项都增大，但并不能有效地增加结构的刚度，所以预应力所起的作用主要就是使屋架形成整体结构。
　　就预应力对张弦梁结构内力的影响来看，预应力的增大会导致结构所有内力项都相应增大，对于上弦梁的主要内力项弯矩的影响尤为显著，这是不利于结构受力性能的改善的。所以，在实际工程中预应力的取值必须合理，该取值范围应当是在使结构形成整体的时候，初始态至荷载状态的过程中，应尽可能地减小上弦梁的弯矩和轴力。
　　4．大跨度预应力张弦钢管桁架的应用
　　张弦梁结构是最近几年发展起来的一种新型的大跨度钢结构，随着现代建筑美学的发展和使用功能的要求，现在的结构物跨度越来越大。对于大跨度或较大跨度的结构物大多采用钢结构，当然也有用“膜”完成的，但充气膜由于一些缺点近年来很少用，张力膜则也需要钢索和钢杆的支撑。大跨度钢结构多用于多功能体育场馆、会议展览中心、博览馆、候机厅、飞机库等。
　　预应力钢结构因其良好的受力性能和广阔的应用前景已经越来越得到人们重视。张弦梁结构由弦、撑杆和压弯构件组合而成的新型自平衡体系。它充分利用高强索的强抗拉性改善了整体结构受力性能，成为受力合理、制造运输方便、施工简单的自平衡体系，是具有良好应用价值和前景的新型结构形式。
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