1、概述
本項(xiàng)目為
玻璃頂張弦梁工程，跨度24.6米。
張弦梁結(jié)構(gòu)（Beam String Structure，簡(jiǎn)稱BSS）的概念由日本M•Saitoh教授在20世紀(jì)80年代初首先提出，它得名于“弦通過
撐桿對(duì)梁進(jìn)行張拉”這一基本形式，是雜交空間結(jié)構(gòu)在大跨體系中的良好嘗試。張弦梁結(jié)構(gòu)是由上弦剛性拱（或組合桁架）、撐桿以及下弦柔性索組成的自平衡受力體系，其合理地將各種構(gòu)件（抗拉、抗壓、抗壓彎）組合在一起，充分發(fā)揮了其各自的材料力學(xué)性能，因而整個(gè)體系具有許多良好的受力性能。例如，弦的
預(yù)應(yīng)力使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反
撓度，故結(jié)構(gòu)在
荷載作用下的最終撓度可以減小，從而提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。撐桿對(duì)抗彎受壓構(gòu)件提供彈性支撐，改善后者的受力性能。
本設(shè)計(jì)采用目前應(yīng)用較為成熟的結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000進(jìn)行了各種工況下的分析。根據(jù)相關(guān)規(guī)范驗(yàn)算了所有桿件在各種工況下的
強(qiáng)度、穩(wěn)定及剛度等。同時(shí)應(yīng)用MIDAS軟件對(duì)其計(jì)算進(jìn)行了復(fù)核，計(jì)算結(jié)果基本一致。
2、設(shè)計(jì)依據(jù)的規(guī)范及規(guī)程:
1）《預(yù)應(yīng)力
鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS212-2006）
2）《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50001-2001）（2006年版）
3）《建筑
抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2001）（2008年版）
4）《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2003）
5）《
建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接與驗(yàn)收規(guī)程》（JGJ81-91）
6）《鋼結(jié)構(gòu)工程施工與驗(yàn)收規(guī)范》（GB50205-95）
7）《鋼結(jié)構(gòu)工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（GB50221-95）
3、荷載計(jì)算：
6）預(yù)應(yīng)力荷載：
以施加溫度荷載的方式對(duì)下弦單元施加預(yù)應(yīng)力，對(duì)張弦梁而言,保持下弦始終處于受拉狀態(tài)是結(jié)構(gòu)存在的必要條件。因此，對(duì)下弦
拉桿所施加的預(yù)應(yīng)力應(yīng)保證在
風(fēng)荷載最不利工況下下弦拉桿仍處于受拉狀態(tài)。
4、荷載工況組合：
對(duì)于張弦梁結(jié)構(gòu)，施工階段即施加預(yù)應(yīng)力和自重階段，其非線性較強(qiáng)，而在其他荷載條件（如恒載、活載、風(fēng)載等工況）下，若上弦梁剛度不是很小或者預(yù)加應(yīng)力不是很大時(shí)，一般認(rèn)為張弦梁結(jié)構(gòu)非線性因素的影響可以忽略。本設(shè)計(jì)中，對(duì)YT+ZD（自重加預(yù)應(yīng)力工況）進(jìn)行非線性分析，以該分析的終點(diǎn)剛度對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，對(duì)其余工況（恒載、活載、風(fēng)載等）進(jìn)行線性分析。
1）YT+ZD
此工況為自重加預(yù)應(yīng)力工況，其中YT為預(yù)應(yīng)力荷載，ZD為自重荷載。在施工過程中非線性較強(qiáng)，對(duì)其進(jìn)行非線性分析。分項(xiàng)系數(shù)均為1.0。此工況在施工預(yù)拱階段，在各荷載施加時(shí)同時(shí)存在，分析時(shí)一并考慮。對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)而言，保持拉索始終處于受拉狀態(tài)是結(jié)構(gòu)存在的必要條件。對(duì)拉索施加足夠的預(yù)應(yīng)力是一種有效的措施，但屋架的張拉一般在拼裝臺(tái)上進(jìn)行，在此階段，拉索的預(yù)應(yīng)力在克服結(jié)構(gòu)自重后起拱并處于受張拉狀態(tài)。
2）YT+ZD+1.0D+0.5L
此工況主要用于控制結(jié)構(gòu)施工完成后張弦梁的最終位形，其中D為恒荷載，L為活荷載。由于計(jì)算的活載較為保守，對(duì)其乘以0.5來(lái)計(jì)算張弦梁的最終位形。
3）D+L
此工況主要用于控制張弦梁結(jié)構(gòu)的撓度，其中D為恒荷載，L為活荷載。
4）1.2D+1.4L+1.0（-TEMP）+1.32（YT+ZD）
此工況為張弦梁豎向最大受力工況，其中，D為恒荷載，L為活荷載，-TEMP為室外溫度降低到-30 時(shí)溫度荷載，YT+ZD為自重加預(yù)應(yīng)力工況。《
預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS212-2006）3.2.1節(jié)可知，預(yù)應(yīng)力分項(xiàng)系數(shù)γpi對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)取1.0，不利時(shí)取1.2。而張拉系數(shù)γT由3.2.2節(jié)可知，當(dāng)桿件的荷載應(yīng)力與預(yù)應(yīng)力符號(hào)相同，或符號(hào)相反但桿件的預(yù)應(yīng)力值大于應(yīng)力值時(shí)，張拉系數(shù)γT取1.1；當(dāng)桿件荷載應(yīng)力值大于預(yù)應(yīng)力值且符號(hào)相反時(shí)，張拉系數(shù)γT取0.9。
對(duì)于此工況，YT+ZD工況分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取1.2×1.1=1.32。以考慮此預(yù)應(yīng)力工況對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響。-TEMP工況下桿件受拉，因此考慮其的不利影響。
5）0.6D+1.4W+1.0（+TEMP）+0.9（YT+ZD）
此工況為風(fēng)吸力控制工況，其中，D為恒荷載，W為風(fēng)荷載，+TEMP為室外溫度升高到40 時(shí)溫度荷載，YT+ZD為自重加預(yù)應(yīng)力工況。
張弦梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須考慮風(fēng)吸力作用下的穩(wěn)定問題。當(dāng)風(fēng)吸力大于屋蓋結(jié)構(gòu)自重時(shí)，拉索松弛而退出工作，結(jié)構(gòu)整體失效。對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)而言，保持拉索始終處于受拉狀態(tài)是結(jié)構(gòu)存在的必要條件。
在風(fēng)吸力作用下，恒載屬于有利荷載，對(duì)其取分項(xiàng)系數(shù)0.6進(jìn)行折減；另外，活載也是有利荷載，該工況不予考慮；風(fēng)荷載為不利荷載，分項(xiàng)系數(shù)取1.4；+TEMP下結(jié)構(gòu)受壓，考慮其不利影響；對(duì)于YT+ZD工況，根據(jù)《預(yù)應(yīng)力鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（CECS212-2006）3.2.1節(jié)及3.2.2節(jié)可知，預(yù)應(yīng)力分項(xiàng)系數(shù)γpi對(duì)結(jié)構(gòu)有利且當(dāng)桿件荷載應(yīng)力值大于預(yù)應(yīng)力值且符號(hào)相反；因此YT+ZD工況分項(xiàng)系數(shù)應(yīng)取1.0×0.9=0.9。
設(shè)計(jì)時(shí)在對(duì)預(yù)應(yīng)力的施加應(yīng)保證在該工況下下弦仍處于受拉狀態(tài)。
6）1.2D+0.6L+1.0（+TEMP）+1.3EQZ+1.32（YT+ZD）
此工況主要考慮豎向地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，其中，D為恒荷載，L為活荷載，+TEMP為室外溫度升高到43 時(shí)溫度荷載，EQZ為地震荷載，YT+ZD為自重加預(yù)應(yīng)力工況。
7）1.2D+0.6L+1.0（-TEMP）+1.3EQZ+0.9（YT+ZD）
此工況主要考慮豎向地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，需保證結(jié)構(gòu)在此工況下下弦桿仍處于受拉狀態(tài)。其中，D為恒荷載，L為活荷載，-TEMP為室外溫度降低到-30 時(shí)溫度荷載，EQZ為地震荷載，YT+ZD為自重加預(yù)應(yīng)力工況。
8）1.2halfdead+1.4halflive+1.0（-TEMP）+1.32（YT+ZD）
此工況主要考慮半跨荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，其中，halfdead為半跨恒荷載，halflive為半跨活荷載，-TEMP為室外溫度降低到-30 時(shí)溫度荷載， YT+ZD為自重加預(yù)應(yīng)力工況。
5、結(jié)構(gòu)分析模型：
目前不同的研究對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)提出了不同的力學(xué)模型，總的來(lái)說(shuō)有2種：①將撐桿連續(xù)化，將整個(gè)結(jié)構(gòu)看作是特殊的魚腹梁；②將梁（拱）離散成若干單元，用有限元方法進(jìn)行分析。對(duì)張弦梁結(jié)構(gòu)提出如下假設(shè)：①材料符合虎克定律；②拱梁與索之間的聯(lián)系撐桿是連續(xù)分布的，即把拱梁與索之間的離散力簡(jiǎn)化為連續(xù)分布的作用力，并假定這些連續(xù)撐桿為剛性，不考慮其軸向變形；③曲梁的曲率半徑與截面高度之比R/h≥5，符合小曲率構(gòu)件假設(shè)；④僅考慮小垂度和豎向荷載作用。
因張弦梁結(jié)構(gòu)中的索通常屬于只拉不壓型非線性單元，因此計(jì)算時(shí)需考慮幾何大變形這一非線性因素。基于上述假設(shè)，考慮幾何非線性的影響，可列出以下平衡方程：
聯(lián)立以上各式，結(jié)合邊界條件即可求解。
張弦梁結(jié)構(gòu)在施加預(yù)應(yīng)力階段和使用荷載階段的計(jì)算均可采用以上各式，該法很好地體現(xiàn)了張弦梁結(jié)構(gòu)的受力特性，采用的理論比較完善，基本假設(shè)與實(shí)際相符。但由于考慮幾何非線性，采用理論公式計(jì)算解析解并不現(xiàn)實(shí)，需借助計(jì)算機(jī)技術(shù)，采用數(shù)值方法解決。目前已能非常方便地解決相關(guān)問題，并在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到成功應(yīng)用。采用
有限元法建立結(jié)構(gòu)計(jì)算模型可將張弦梁結(jié)構(gòu)離散化為梁?jiǎn)卧⑺鲉卧蜅U單元。對(duì)梁可直接采用曲線形式，或?qū)⒘簡(jiǎn)卧本�化，采用多段直線單元形式；對(duì)撐桿可采用二力桿單元；對(duì)下弦索考慮其幾何非線性，需建立單元?jiǎng)偠染仃嚭驼w剛度矩陣，通過數(shù)值方法求解。
6、結(jié)構(gòu)模型與振型：
本結(jié)構(gòu)采用目前應(yīng)用較為成熟的結(jié)構(gòu)分析軟件SAP2000設(shè)計(jì)。同時(shí)應(yīng)用MIDAS軟件對(duì)其計(jì)算進(jìn)行了復(fù)核。
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