大型张弦梁结构的设计与施工

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1、杭州黄龙体育中心网球馆张弦屋面设计杨治关富玲程媛（浙江大学土木系空间结构研究中心浙江杭州310027）摘要杭州黄龙体育中心网球馆钢结构开合屋盖固定屋面选用肋环型与张弦梁杂交支撑体系。本文结合设计实例，详细讨论了屋盖钢结构设计方案比选和张弦梁稳定分析过程，并给出了预应力张拉分析方法和设计要点。文章最后针对张弦梁结构特点开发了设计合理的节点形式。关键词预应力张弦梁结构设计中图分类号TU394文献标识码A1.引言张弦梁结构（BeamStringStructures）是近年发展起来的大跨度预应力结构，它充分利用了高强度拉索

2、的抗拉特性改善了整体结构的受力性能，具有良好的应用价值和发展前景。但该结构体系在国内刚刚起步，已公开的国外相关文献也比较少，系统的理论研究和工程实践经验都十分缺乏。因此，确定张弦梁结构的研究方法，分析其受力特点和性能，开发设计合理的节点形式并与实际工程相结合具有很重要的意义。2.结构设计2.1工程概况黄龙体育中心网球中心是浙江省重点工程，主要建设内容为比赛馆、训练馆及相应的综合配套设施。整体工程位于体育中心主体育场西侧，总用地面积2.8公顷，其中主建筑为一座5000座的网球比赛场，比赛馆要求满足国际大赛的需要，整体

3、结构呈圆形，顶部采用开合屋盖设计，平时处在开启状态，在天气恶劣或举行公共活动需要时，把活动屋面关闭。网球中心建筑效果如图1所示。图1网球中心开合屋盖建筑效果图2.2屋面部分结构方式选取根据建筑要求，屋盖部分覆盖直径86m的圆形区域，周边环桁架通过下部支撑布置在投影半径为37.3m的看台上；主拱桁架作为结构主要承力构件，一端搭设于落地的钢筋混凝土独立承台上，另外一端支撑在钢筋混凝土框架上，拱脚跨度为93.7m。活动屋面在两个主拱[作者简介]杨治（1979－），男，福建福州人，硕士研究生。关富玲（1944—），女，北京

4、人，教授，博士生导师。桁架中部的水平轨道桁架上运行，驱动机械采用索牵引与台车驱动结合的方式。完全打开后开启部分的水平投影面积为21m×36m（沿主拱方向），开启闭合时间约为15min。活动屋面联系桁架轨道桁架牵引索活动屋面(开启位置)台车滚筒台车车挡看台固定屋面环桁架主拱桁架网球馆开合屋盖结构布置网球馆开合屋盖开合原理图2网球馆开合屋盖结构由图2可知，固定屋面被主拱桁架平行划分为三个部分，两拱之间的部分设四道联系桁架以加强结构整体性，其余部分面积较小以单层网壳为主；拱两边的看台屋面一端沿拱桁架2下弦，另一端铰接在环

5、桁架上弦，最大跨度近24m，结构覆盖面积约3000m。环桁架与下部钢筋混凝土看台平行，轴线为波浪形不规则空间曲线，相连的该部分屋面外观也相应的呈不规则的扁壳形。屋面支撑杆件根据屋面板铺设要求呈辐射状布置。为满足设计需要，目前通常采用网壳或立体桁架作为支撑。但该部分屋面径向曲率很小，周边支承和投影形状也导致其可利用的壳体效应很弱。采用单层网壳在载荷作用下看台屋面随跨度增大中部挠度明显增加；双层网壳则存在杆件密集，影响网球场内视觉效果的问题；立体桁架在屋面外形条件下无法很好地构成建筑要求的平滑曲面外观，效果也不理想。在

6、经过多种方案的比较后决定采用单层肋环型网壳加张弦梁的杂交体系作为结构支撑。正如前面所述，单纯采用单层肋环型网壳，径向杆件的跨中挠度对结构起控制作用。这时候采用较高强度的钢材不能解决问题，必须要加大杆件截面。此时，增大截面是为了控制变形，没有充分利用钢材的强度，而且使用钢量大幅度增加，经济性指标大大下降。而引入张弦梁体系充分利用了高强索的强抗拉性改善了上弦杆件的受力和变形性能，使全结构成为受力合力的自平衡体系。可以说，这种结构既具有网壳造型灵活的特点，又具备了桁架简洁、明确的受力特点。环向杆径向杆HJ-4HJ-3环向

7、斜拉钢棒撑杆HJ-2预应力索HJ-1图3.屋面张弦支撑结构在这种结构中，下弦预应力拉索与屋面网壳的径向杆件一起构成张弦梁体系，为屋面结2构提供支撑。从受力形式上分析，张弦梁下弦预应力拉索通过撑杆提供弹性支撑，结构预应力反拱抵消了结构自重产生的竖向挠度，从而大大减少上弦杆件在使用阶段的弯矩，并在一定程度上抵消了梁端推力。环向杆件保证了张弦梁上弦的面外稳定，也利于檩条和屋面板的铺设。对于下弦拉索即撑杆的稳定问题可以通过图4分析：qANHNθLLBB`图4.张弦梁杆件及变形示意图假定撑杆下端B有一个平面外的微小位移⊿，如

8、图所示，因为撑杆的轴力大小等于拉索在该点的合力，它的竖向分力对上弦支点A所产生的使B向平面外的力矩为MN1=2×sinq×D，而该点的水平合力作用则是使B点回复原位，它所产生的回复力矩为M2=2N×cos/q×HL×D，两者比较可得M12/M=×tan/qLH。可知当张弦梁上弦上拱时H/L>tanθ，则M2>M1，亦即使撑杆回到平衡位置的力矩大于出平面力矩，