提要 ：張弦梁結構是近十餘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徵、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）是近十餘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）以及連線兩者的撐桿組成;通過對柔性構件施加拉力，使相互連線的構件成為具有整體剛度的結構，如圖1所示。由於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，儘管張弦梁的梁、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2023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於若干實際工程中。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等十幾座型別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) 。2023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於超大跨空間結構中，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採用張弦梁結構，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於初級階段，本文擬簡單介紹張弦梁結構的結構特徵、成形過程和若干理論問題的研究現狀，並在此基礎上對需要進一步研究的課題提出建議。
二張弦梁的結構特徵
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，是種介於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徵：
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。例如，當剛性構件為梁時，在梁跨中設一撐桿，撐桿下端與梁的兩端均與索連線，如圖2(a)所示。在均布荷載作用下，單純樑內彎矩見圖2(b); 在索內施加預應力後，通過支座和撐桿，索力將在樑內引起負彎矩，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，使各個截面受力趨於均勻。而且由於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後，這一空間受力結構的剛度就遠遠大於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效能的要求，並使支座受力明確，易於設計與製作。
⑷ 結構穩定性強
張弦梁結構在保證充分發揮索的抗拉效能的同時，由於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 建築造型適應性強
張弦梁結構中剛性構件的外形可以根據建築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。張弦梁結構的建築造型和結構布置能夠完美結合，使之適用於各種功能的大跨空間結構。
⑹ 製作、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製作、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後，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，一般用於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採用此法施加預拉力。
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，適用於跨度較大的結構。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採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。在結構安裝後卸除支承，由於剛性結構的變形，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。單獨採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
一般採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後一次張拉; 也可以在臨時支架上進行張拉，張拉完畢後再提公升並滑移至結構支座處。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後再次張拉，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後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，必要時可以採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於諸多實際工程中，但是關於其理論和試驗的系統研究尚鮮有涉足，並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式，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引數對成形後的張弦梁結構效能的影響 (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效能 (13) ；通過**振動台模型試驗，初步分析了張弦梁結構屋蓋系統在**動下的反應特徵 (14) 。
以上研究使人們對張弦梁的受力效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後的引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乙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，合理確定這三個引數才能獲得理想的幾何位形並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並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，只能得到乙個近似的預拉力。一般情況，索內張力為 (20) ：
其中te——結構自重引起的拉力
tp——為控制結構效能而引進的拉力
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張弦梁形成乙個相對獨立的結構，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鬆弛，即t > 0，to≥ta故。對只承受向下荷載作用的結構， ta大於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後，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。
最後，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效能，儘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引數就是工廠加工製作構件的依據；②位於放樣狀態和設計狀態之間的過渡狀態，對於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，一是提公升或滑移中的受力狀態；對在結構支座處裝配並張拉的張弦梁結構，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，該狀態就是建築設計的依據，也是結構成形後受力分析的初始條件，故亦稱初始狀態。
大跨度張弦梁的結構特點和研究課題
摘要 大跨度張弦梁結構是近十餘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 以及連線兩者的撐桿組成 通過對柔性構件施加拉力，使相互連線的構件成為具有整體剛度的結構。關鍵詞 大跨度張弦梁張弦梁結構已經應用...
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玉的結構特點
和田仔料 顆粒度很細小的氈狀及纖維交織結構，這種結構會有柔和的反光，同時你如果放大看表面，會發現表面的起伏是圓潤柔和的，所以手感會較油潤。裡面的面都是交織在一起，分布均勻而邊界模糊。于田料 是一種呈層狀分布的纖維交織結構，顆粒也叫小，反映在結構上也較油潤，它的層狀結構較有規則，所以感覺會較和田料稍透...