一个张弦梁工程实例的探讨
摘要
张弦梁结构最早是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系，按其结构形式可将其分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构。
本文所涉及的结构即为平面张弦梁结构的张拉拱形式，本文通过对现场的工程实例中出现的实际问题及其分析、解决办法进行介绍，并分别从设计和施工两个角度分别对结构形式、钢拉杆张拉方案等设计本身及施工中实际遇到的问题进行剖析，从理论上提出了解决办法及其理论依据，并通过实践使解决办法得到了验证。
关键词：张弦梁张拉拱钢拉杆张拉
一、工程实例
1.1工程概况
北京某地铁线高架站站房屋架设计采用平面张弦梁张拉拱形式，上拱梁采用φ299×12mm钢管，材质为Q345B，张拉段梁长度为11.3m；柔性拉索采用Q650B 材质的φ40mm的钢棒拉杆，拉杆上端通过耳板与横梁下连接板销钉连接，下端通过耳板与竖向撑杆下端销钉连接，连接采用直径Φ40mm销钉；竖向撑杆上端设计亦采用Φ40mm销钉和拱梁连接，竖向撑杆为1根主杆为Φ83×7mm的钢管，各榀梁在横梁顶部沿屋架纵向用Φ102×5mm钢管系杆连接系杆横向间距4m。
设计施工图明确张弦梁初始态的上弦失高为34mm，拉索(杆)张拉力为124KN；拉杆的张拉采用旋拧拉杆两端的六角螺母施加预应力而进行。
工程实体照片及构件位置关系
1.2施工深化方案及产生问题
1.2.1施工深化方案
施工单位对设计图纸进行审图和深化设计，确定采用把张弦梁各组成部分采用散件吊装，进行高空拼接最后张拉的方案。
因此，为了钢结构施工高空安装方便，深化设计时，竖向撑杆和拱梁销钉连接处的连接板间游隙预留为5mm；张拉杆采用厂制成品钢拉杆，按照设计拉杆尺寸定制专用张拉螺母，螺母设计按照螺纹沿杆轴方向承压600KN以上设计。
施工单位对横梁深化设计时，考虑结构自重、设计张拉力及初始态上拱值，使用结构软件利用反迭代法进行零状态的计算，确定放样状态。
张拉钢拉杆预拉力采用扭矩—拉力转换的方式确定，利用经验公式扭矩T = KPd，系数K值由经
验确定为0.2；P为拉杆预拉力；d为拉杆直径。
1.2.2产生问题
问题一：张拉完毕后，两根钢拉杆与竖向撑杆构成的理论平面发生了扭转，表现为竖向撑杆下端出现水平位移(位移值约50mm)，偏出拱梁竖向轴平面；
问题二：钢拉杆采用对称张拉，张拉施加扭矩按照设计预拉力和上述扭矩—拉力转换关系达到计算数值时，拱梁上弦失高并未达到34mm，仅有18mm左右。
1.3问题分析及解决方案
1.3.1问题一
(1)问题分析
问题一出现可能有以下原因
高空拼接、安装误差为问题出现埋下隐患，尤其是竖向撑杆和拱梁连接的连接板间游隙过大，给竖向撑杆产生水平位移创造了条件；
竖向撑杆在垂直张拉面两侧无侧向约束，张弦梁在平面外仅有顶部系杆连接，其在平面外本身就是瞬变体系。
(2)解决方案
将张拉完成的张弦梁拉杆的预应力进行放张，使竖向撑杆成自然垂直状态，在撑杆垂直张拉面两侧增加侧向刚性斜撑，固定竖向撑杆，保证其在一定的外力作用下不会发生水平位移，然后在进行对称张拉。
竖向撑杆两侧加侧向支撑
1.3.2问题二
(1)问题分析
问题二出现可能有以下原因
由于平面张弦梁平面外稳定性的先天缺陷，竖向撑杆下端水平位移的产生，对钢梁的竖向起拱值产生了影响；
扭矩—拉力转换关系公式中系数K按照经验确定，理论转换计算的扭矩值
可能比实现设计预拉力所实际需要达到的扭矩小，从而导致起拱偏小；
张弦梁组成构件放样加工阶段对张弦梁零状态的定义出现偏差或偏差过大，导致实际起拱值小于设计要求值。
(2)解决方案
首先对张弦梁的零状态进行重新定义复核，确认放样状态无误。
其次，对扭矩—拉力转换关系公式中系数K进行试验标定，现场随机取4根拉杆进行分级(4级)加载张拉试验，在拉杆上粘贴应变片，并采用应变仪采集记录数据，最后通过拟合扭矩和拉力(应力)关系曲线确定K值，应用于后续拉杆张拉过程控制扭矩。
最后，将实际起拱值和现场问题与设计沟通，确定增加竖向撑杆的侧向支撑方案，并据此进行结构受力分析和二次计算，调整张弦梁初始态为：钢拉杆预拉力100KN，上弦失高为22mm。
1.4处理结果
经过对现场出现的问题进行分析和对设计结构形式及施工方案进行调整，成功地实现了张弦梁钢拉杆的设计预拉力施加和上弦失高的准确控制，使工程施工得以顺利进行，同时保证了工程质量。
二、讨论
2.1设计结构形式的讨论
张弦梁结构最早是由日本大学M.Saitoh教授提出，是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系。
张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系，其受力机理为通过在下弦拉索中施加预应力使上弦压弯构件产生反挠度，结构在荷载作用下的最终挠度得以减少，而撑杆对上弦的压弯构件提供弹性支撑，改善结构的受力性能。
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，因此具有良好的应用前景。
我国首次使用张弦梁结构形式的工程是在1999年建成的上海浦东国际机场航站楼。
本工程设计中，张弦梁的柔性拉索采用φ40mm的钢棒拉杆，不同于传统意义上的预应力钢丝束拉索；钢棒拉杆区别于钢丝束的最大特点是既可以受拉又可以承压，这种拉索在以风荷载为主的工况作用下和存在较大振动荷载作用的工况下，可以避免在突然出现上弦受拉、下弦受压时下弦拉索退出工作的情况(称为“压力效应”)下，保证结构的使用安全。
传统张弦梁使用钢丝束拉索时，一般采用加大拉索预应力来抵抗压力效应，但应该注意的是：如果采用加大预应力的方法保证拉索在上述两种工况下不退出工作，相应地拉索中预应力必然较大。
而结
构中的预应力过大，在没有风荷载作用和振动荷载作用的工况下，实际是人为地加大了结构的负担，这会对结构产生不利影响。
这个特性也是张弦梁结构的主要缺点之一。
使用钢棒拉杆便可以充分利用钢棒的抗压性能，因此也就不存在需要加大预应力而增加结构负担的问题。
此外，从预应力施加工艺上看，一般的张弦梁柔性拉索的预拉力采用带压力表的千斤顶等工具施加，此种工艺在预应力施加方面比较成熟，便于控制，而本工程设计采用通过旋拧拉杆杆端螺母而产生杆内拉力的方法，该方法与高强螺栓连接施加预拉力的方法类似。
本工程设计也存在着一定的不足之处，即在平面张弦梁设计中，未在其竖向撑杆下端设置平面外稳定索等撑拉构件，同时其在平面外的刚度又不足以抵抗外界荷载的影响而使其自身保持平面外稳定，致使单榀张弦梁在平面外成为了一个瞬变体系，尤其是本工程是一个地铁高架站站房，车辆进出站时存在着较大的振动荷载，这种荷载通过站台和立柱结构传递至屋架，随时有可能造成屋架在平面外的扭转变形甚至失稳。
施工过程中设计对结构体系的调整即增加了竖向撑杆的侧向支撑，解决了这一缺陷。
然而，对于一个普通的采用张弦梁屋架的结构而言，在张弦梁竖向撑杆下端设置平面外稳定索等撑拉构件使其形成单向张弦梁空间结构是设计者较容易想到的稳定方案，但就本工程而言，由于其结构的特殊性，致使其无法按照上述稳定方案实施。
具体原因为：本工程为地铁站房，屋架上设有接触网吊杆，其位置正好布置于张弦梁竖向撑杆侧向平面内，如果设置平面外稳定索必然与其发生冲突，即便勉强设置稳定索，其与接触网吊杆的冲突也会给人的视觉感官以不舒服的感觉。
而最终采用的增加竖向小撑杆的方案是将小撑杆加在了接触网吊杆倒八字杆以内，即达到了张弦梁平面外稳定的目的，又避免了与吊杆发生冲突，同时也比设置平面外稳定索的方案相对经济，不失为一个即经济又实用的设计方案。