摘要：本文介绍了张弦梁结构体系的结构形式、受力性能等特点，并结合工程实例对张弦梁结构设计进行分析。
关键词：大跨度、张弦梁结构、预应力、非线性分析
一、 前言
张弦梁结构是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系，是由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系，其结构组成是一种新型自平衡体系，是一种大跨度预应力空间结构体系，也是混合结构体系发展中的一个比较成功的创造。
张弦梁结构体系简单、受力明确、结构形式多样、充分发挥了刚柔两种材料的优势，并且制造、运输、施工简捷方便，因此被广泛应用。近年来，由于不少大跨度屋盖结构的建筑不断出现，这给张弦梁结构充分展现的机会，如1999年上海浦东国际机场航站楼（最大跨度82.6m）、广州国际会议中心（最大跨度126.6m）、哈尔滨国际会展中心（最大跨度128m）、深圳会议展览中心（最大跨度126m）。
二、 张弦梁的结构特征
1、承载能力高。张弦梁结构中索内施加的预应力可以控制刚性构件的弯矩大小和分布。
2、使用荷载作用下的结构变形小。张弦梁结构中的刚性构件与索形成的受力体系，这一空间受力结构的刚度就远远大于单纯刚性构件的刚度，在同样的使用荷载作用下，张弦梁结构的变形比单纯刚性构件小得多；而且不似单独工作的刚性构件需要有很大的截面。
3、自平衡功能。当刚性构件为拱时，将在支座处产生很大的水平推力。索的引入可以平衡侧向力，从而减少对下部结构抗侧性能的要求，并使支座受力明确，易于设计与制作。
4、结构稳定性强。张弦梁结构在保证充分发挥索的抗拉性能的同时，由于引进了具有抗压和抗弯能力的刚性构件而使体系的刚度和形状稳定性大为增强。
5、建筑造型适应性强。张弦梁的结构形式简洁，富于建筑表现力，结构中刚性构件的外形可以根据建筑功能和美观要求进行自由选择，而结构的受力特性不会受到影响。
三、 张弦梁结构设计
本文以某会展中心为例，该项目展厅为空间张弦梁结构，共计27榀，跨距和结构形式完全一样，沿轴线方向布置的单层建筑，跨距81m，柱距9m，单榀结构型式如图1。
图1
1、 张弦结构参数选择
该钢屋盖由大跨度张弦梁和屋架梁组成，张弦梁和屋架梁均为矩形断面，81m跨张弦梁WJ1截面为□1200×600×20×35，两端高差3450mm，矢高600mm，拉索垂度8300mm，屋架梁GL1截面为□500×300×8。WJ1张弦梁的拉索为φ7×151，撑杆为φ245×16，上端与张弦梁下翼缘铰接，下段与φ300钢球节点铰接将拉索固定。
2、 荷载设计参数选择
⑴恒荷载0.4kN/m2
⑵活荷载0.5kN/m2
⑶吊挂荷载0.3kN/m2
⑷风荷载0.8kN/m2，地面粗糙度：A类
⑸地震作用该地区抗震设防烈度为7.5度，设计基本地震加速度为0.15g
由于设计时考虑到屋面板的构造允许与梁及檩条有一定程度的滑动，故温度作用可以不计。
3、 计算工况
根据荷载规范及本结构的特点，结构分析时考虑5种最不利荷载组合：
⑴1.2×恒载＋1.4×活载
⑵1.2×恒载＋1.4×风载
⑶1.2×恒载＋1.4×活载＋1.4×0.6×风载
⑷1.2×恒载＋1.4×风载＋1.4×0.7×活载＋1.3×0.2×地震荷载
⑸1.2×恒载＋1.4×0.5×活载＋1.3×地震荷载
4、初始预应力的取值
给张弦梁的拉索施加一定的预应力，是为了使整个结构具有一定的刚度，但与悬索结构不同，该预应力并不能为结构提供较高的刚度；同时由于结构形式的特点，初始预应力对张弦梁的内力和初始变形影响较大，因此必须选取合理的初始预应力，主要考虑以下因素：
⑴在各种工况下，索应保持为拉力，且有一定的安全储备；
⑵预应力过小，可能会使拉索在负风压的作用下退出工作，不能保证结构的安全；
⑶预应力过大，会给张弦梁施加太大的轴向应力和弯矩，从而增加结构的用钢量，也会使索张拉施工增大难度；
⑷最主要不能产生过大的反拱值。
设计中主要以张弦梁的反拱量来控制预应力的大小，
5、设计计算
本次设计计算采用Sap2000大型有限元软件进行分析计算。根据张弦梁的特点，将拱梁离散为空间直梁元，撑杆视为杆元，弦及纵向连接索视为不能受压的杆元，拱梁与支座处之间连接采用一端铰支、一端滑动的连接方式。所有分析均考虑了几何非线性。
四、 计算结果分析
五、 节点设计
1、支座节点
为保证结构的预应力自平衡和释放部分温度应力，张弦梁结构的一端支座采用滑动支座（如图2）来确保拉索参与整体工作，使索内力与上弦梁内应力共同作用，构成一个自平衡的结构体系。
2、撑杆与下弦拉索节点
由于设计要求，张弦梁撑杆在张弦梁平面内可适当转动，因此撑杆与索的连接处采用了球形节点。
3、撑杆与上弦梁节点
由于下弦索平面外没有支撑，因此在撑杆与上弦梁连接处，设计为平面内可转动，平面外受限制的节点构造形式。本设计采用的是铸钢节点。
六、 结论和建议
1、该项目张弦梁结构体系采用轻型屋盖，当风吸力大于屋盖自重时，会引起下弦拉索张力消失而退出工作，导致结构整体失效，因此必须考虑抗风设计；若采用加大拉索预应力，需同时加大上弦杆截面刚度，效果不一定理想，又不经济，所以考虑在上弦拱梁中灌砂石作为配重。
2、计算结果以及相关研究表明，考虑几何非线性效应的结果和线性分析结果非常接近，因此在此类结构荷载态的分析可不考虑几何非线性的影响，即符合小变形的假定。
3、在张弦梁结构中，垂跨比和矢跨比对张弦梁结构的刚度与结构的内力分布有直接重大影响，对地震响应影响也较大，需根据设计要求合理选取这2项参数。
4、目前对张弦梁结构的抗震设计研究还比较少，应加强这方面的研究，比如拉索预张力大小对地震响应影响比较大，地震响应对支座的约束条件非常敏感，还有，应充分重视纵向地震对支撑系统内力的影响。
参考文献：
1、张毅刚、薛素锋、杨庆山、范峰等编，《大跨度空间结构》，机械工业出版社，2005.1；
2、杜文风、张慧等编，《空间结构》，中国电力出版社，2008；
3、张胜、甘明、范波等编，安福大厦双向张弦梁设计研究，《预应力索杆结构论文集》；
4、焦瑜、宋剑波、周晓峰、李亚明等编，某张弦梁屋盖结构的设计与施工研究，《预应力索杆结构论文集》；
5、刘开国等编，大跨度张弦梁式结构的分析，《空间结构》，2001.7（2）；
6、孙文波等编，广州国际会展中心大跨度张弦梁的设计的探讨，《建筑结构》，2002（2）。
7、张志宏、张明山、董石鳞等编，张弦梁结构若干问题的探讨，《工程力学》，2004.12
8、余学红、姜正荣、王仕统等编，平面张弦梁结构的受力特点分析，《广东土木与建筑》，2005.2
