前言

第1章 張弦(弦支)結構體繫概述

1.1 大跨度結構

1.2 預應力鋼結構

1.3 張弦(弦支)結構

第2章 拉索的基本特性

2.1 拉索的分類

2.2 拉索的基本特性

2.2.1 拉索的物理特性

2.2.2 拉索的抗力分項繫數及其可靠度

2.3 拉索的防腐蝕研究及新型拉索

2.3.1 防腐原理

2.3.2 高釩索及封閉索

2.3.3 新型索的工程應用

第3章 拉索的膨脹繫數

3.1 拉索膨脹繫數的研究現狀

3.2 拉索膨脹繫數測定公式的確定

3.3 拉索膨脹繫數的測定儀器

3.4 拉索膨脹繫數的試驗研究

3.4.1 試驗方法

3.4.2 空氣加熱索膨脹繫數試驗研究

3.4.3 水域加熱索膨脹繫數試驗研究

3.5 拉索膨脹繫數的統計參數及其分布類型的確定

第4章 張弦梁

4.1 張弦梁結構的概念

4.2 張弦梁結構的預應力設計

4.2.1 設計原理

4.2.2應用

4.2.3 算例分析

4.3 張弦梁結構的風振特性研究

4.3.1 風的基本特征

4.3.2 時域分析法介紹

4.3.3 頻域分析法介紹

4.3.4 算例分析

4.4 張弦梁索力測試的靜力平衡法

4.4.1 常用的索力測量方法

4.4.2 靜力平衡法

4.5 張弦梁結構的工程應用

4.5.1 國外工程應用

4.5.2 國內工程應用

第5章 張弦桁架

5.1 張弦桁架的概念

5.2 張弦桁架的預應力優化分析

5.2.1 優化分析概述

5.2.2 算例分析

5.3 張弦桁架的形態分析

5.3.1 形態分析概述

5.3.2 形態分析的內容與方法

5.3.3 算例分析

5.4 張弦桁架的靜力性能若干問題分析

5.4.1 基本靜力性能分析

5.4.2 線性疊加原理的驗證

5.5 張弦桁架的極限承載力分析

5.5.1 特征值屈曲分析

5.5.2 考慮非線性的極限承載力分析

5.6 張弦桁架的動力性能分析

5.6.1 自振特性分析

5.6.2 自振特性參數分析

5.6.3 動力時程分析

5.7 張弦桁架的工程應用

第6章 平面組合型弦支結構體繫

6.1 平面組合型弦支結構概述

6.2 雙向張弦梁結構非線性靜力分析

6.3 不同預應力水平對結構性能的影響

6.4 自振特性分析

6.5 平面組合型弦支結構的工程應用

第7章 弦支穹頂結構

7.1 弦支穹頂結構的概念

7.2 弦支穹頂結構的預應力設計

7.3 弦支穹頂結構的靜動力性能分析

7.3.1 計算模型

7.3.2 基本靜力性能分析

7.3.3 基本動力性能分析

7.3.4 弦支穹頂結構的風振和地震作用分析

7.4 弦支穹頂結構的穩定性能研究

7.4.1 弦支穹頂結構的基本穩定性能分析

7.4.2 弦支穹頂結構的穩定性參數分析

7.5 弦支穹頂結構節點設計

7.5.1 弦支穹頂節點設計原則

7.5.2 節點設計

7.6 弦支穹頂結構預應力張拉控制分析

7.6.1 考慮滑移摩擦的弦支穹頂結構張拉施工數值模擬

7.6.2 溫度變化對弦支穹頂結構預應力張拉施工的影響

7.7 扁平橢球殼弦支穹頂

7.7.1 工程概況

7.7.2 扁平橢球殼弦支穹頂靜、動力性能分析

7.7.3 扁平橢球殼弦支穹頂穩定性分析

7.7.4 屋蓋與下部結構整體分析

7.8 預應力損失補償措施

7.9 弦支穹頂結構的工程應用

第8章 弦支筒殼結構

8.1 弦支筒殼結構體繫的組成

8.2 弦支筒殼結構的預應力設計

8.2.1 設計原理

8.2.2 算例分析

8.2.3 弦支筒殼與普通筒殼的力學性能比較

8.3 影響弦支筒殼力學性能的關鍵參數研究

8.4 弦支筒殼結構的穩定性研究

8.4.1 弦支筒殼結構的穩定特性

8.4.2 影響弦支筒殼穩定性能的關鍵參數研究

8.5 弦支筒殼結構的動力性能研究

8.5.1 弦支筒殼結構的風振特性研究

8.5.2 弦支筒殼結構的地震響應分析

8.6 不同極限狀態下弦支筒殼結構的力學性能和可靠性能

8.6.1 算例和統計參數的選取

8.6.2 極限狀態方程的建立

8.6.3 弦支筒殼整體穩定性及其可靠性研究

8.6.4 主要參數對弦支結構可靠性的影響研究

8.6.5 目標可靠度的確定

8.7 弦支筒殼結構的試驗研究

8.8 弦支筒殼結構的工程應用

第9章 其他弦支結構

9.1 弦支剛架

9.1.1 門式剛架結構性能分析

9.1.2 弦支剛架結構性能分析

9.2 弦支混凝土樓板

9.2.1 弦支混凝土集成屋蓋結構的預應力設計

9.2.2 預制鋼筋混凝土板及其裂縫與強度控制

9.2.3 弦支混凝土集成屋蓋結構的自振特性

9.2.4 參數變化對弦支混凝土集成屋蓋結構力學特性的影響

9.3 弦支拱殼結構

9.3.1 弦支拱殼結構的基本概念

9.3.2 弦支拱殼結構的靜力性能分析

9.3.3 弦支拱殼結構的穩定性能分析

9.3.4 弦支拱殼結構的動力性能分析

9.4 弦支網架結構

9.4.1 弦支網架結構的概念及分類

9.4.2 弦支網架結構的性能研究

9.5 弦支鋼絲網架混凝土夾心板

9.5.1 弦支鋼絲網架混凝土夾芯板的提出

9.5.2 弦支鋼絲網架混凝土夾心板拉索預應力設計

9.5.3 弦支鋼絲網架混凝土夾心板的自振特性分析

9.5.4 弦支鋼絲網架混凝土夾心板的裂縫控制

參考文獻

第1章張弦（弦支）結構體繫概述

1.1大跨度結構

人類自有簡單建築活動以來，就一直向著更大跨度進行了不懈的努力。古羅馬人創造的拱頂，把梁式建築的有限跨度向前推進了一大步，但是由於在古代結構理論尚不完備且材料性能不足，更大跨度的結構一直沒有出現。真正意義上的大跨度結構是從19世紀末開始的，當時由於新興工業以及新技術革命的興盛，在建築上亟需大跨度、大空間結構來滿足。1889年巴黎世界博覽會上的法國機械館，跨度115m，采用了三鉸拱結構，可以說是近代建築在大跨度上邁進的一大步，也是當時跨度的建築物。進入20世紀後，一些大型公共建築的出現，又促使大跨度結構向前發展，此時各種高強、輕質新材料的出現，以及結構理論的進步，都為大跨度結構的發展創造了充分的條件，並為人們在探索大跨度結構體繫方面，積累了不少經驗。

發展至今，常見的大跨度建築結構主要有以下幾種結構類型：梁結構、桁架結構、排架結構、門式剛架結構、拱結構、薄壁空間結構、網架結構、網殼結構、索結構、膜結構和各種復合結構等。

1）梁結構

這是一種傳統的、簡易、原始的結構，構件通過受彎承擔荷載，應力分布不均勻，需要選擇既耐拉又耐壓的材料，中大跨度的梁高度較大，單跨簡支梁的高度比其他梁要大，如鋼筋混凝土的梁高跨比為1/12～1/15，預應力混凝土梁為1/17～1/21，鋼梁為1/15～1/24。梁結構一般情況下多用於中小跨度的結構中，若用於跨度較大的結構則經濟性較差。

2）桁架結構

由實心梁發展到空腹梁，減輕了梁的自重、節約了材料，並可以加大跨度。在此基礎上發展出桁架結構，具有很多形式，如三角形、拱形、半圓形、拋物線形、梯形、平行弦形等。桁架比空腹梁進了一大步，從其受力狀態方面來看，各杆件都處於軸心受力狀態，故適用於較大跨度的承重結構。鋼筋混凝土桁架跨度可達20m，預應力鋼筋混凝土桁架可達60m，鋼屋架中如拋物線形的鋼桁架可達70m，甚至更大。

3）排架結構

排架結構是由屋架或屋面梁、柱和基礎連接而形成的結構形式，其中屋架簡支

在柱頂，柱子底端嵌固於基礎中。排架結構的縱向一般用連繫構件和柱間支撐組成空間體繫，形成穩定的結構。這種結構可工廠化生產，裝配化施工，因而施工方便、造價較低，我國的單層廠房采用較多。排架結構跨度一般為9～36m，柱距一般在6m，也可用到12m。

4）門式剛架結構

門式剛架結構是由柱與直線形、弧形或折線形橫梁剛性連接而形成的結構形式。門式剛架結構與排架結構相比，在中小跨度的無弔車或僅有小噸位弔車廠房中使用，具有較好的經濟指標。由於構件簡單，室內簡潔明亮，具有較大的空間，因此成為中小禮堂、食堂、商場、廠房、倉庫等建築的主要承重結構形式之一。

5）拱結構

拱結構由拱圈和支座組成，是一種古老的結構形式。有史以來，人類就試圖用拱結構去跨越一定的跨度，這是因為拱結構相比於桁架、梁式結構等具有更大的力學優點，在外荷載作用下主要承受壓力，這充分發揮了諸如磚石、鋼、混凝土等大量材料的抗壓性能。拱結構在近代又得到更大的發展，按材料分有土拱、木拱、石拱、混凝土拱、鋼筋混凝土拱、鋼拱等；按軸線形狀分有圓弧拱、拋物線拱、懸鏈線拱等；按截面形式分有實體拱、箱形拱、桁架拱等；按受力狀態分有三鉸拱、雙鉸拱、無鉸拱等。房屋結構中拱結構采用的較少，一般用於大跨度公共建築和儲倉，在公路和鐵路建設中應用也較多，是橋梁工程的基本結構形式之一。

拱的跨高比一般為5～8，個別情況也可用到12。拱肋相比於跨度可以做得十分細長。鋼筋混凝土拱的肋高與跨度之比一般為1/30～1/40，鋼拱肋為1/50～1/80。對於格構式鋼拱其截面高度與跨度之比一般為1/30～1/60。

到20世紀40年代，拱與薄殼開始結合在一起，形成了拱殼結構，1958年建成的巴黎國家工業與技術展覽中心大廳，平面呈三角形，邊長為218m、高48m，其屋蓋即采用鋼筋混凝土拱殼結構。其屋蓋拱殼的拱身采用了鋼筋混凝土裝配式落地拱，上部為雙層波形薄壁拱殼結構，拱殼壁厚僅為6cm，兩層拱殼的總厚度為12cm，兩層殼之間距離為1.8m，拱殼的折算厚度與跨度之比僅為1/1100，遠小於實際中蛋殼厚度與跨度之比，真實蛋殼的厚跨比約為1/100。該拱殼總覆蓋面積達9×104m2為當今世界上的鋼筋混凝土拱殼結構。

6）薄壁空，間結構

薄壁空間結構主要以殼體結構為主，與前面介紹的梁、桁架、拱等結構不同，薄壁空間結構屬於一種空間受力結構，曲面的厚度相較於其他尺寸要小得多。它能用少的材料，獲得的效果，可以充分發揮材料的力學性能。

殼體結構的曲面形式很多，球殼是原始的一種，遠在古羅馬時代的拱頂即為此類。43m直徑的潘松神廟也應用了球殼形式。雙曲殼結構是現代纔發展起來的一種殼體形式，其外形如同把一個球殼豎著在四面各切一刀，剩下中央部分殼體

即為雙曲殼，它又可分為雙曲扁殼與雙曲拋物面殼。此外還有扭殼、雙曲拋物面扭殼、筒殼、折板殼、幕結構等各種薄壁空間結構。

由於殼體結構的空間受力效果和極大的面內剛度，對於幾十米或百米以上跨度的屋蓋，僅需幾釐米的殼厚即可。目前在世界範圍內，薄殼結構已廣泛地應用於大型屋蓋中，如展覽大廳、飛機庫、大型工業廠房等。

因薄殼結構主要受壓，故一般采用鋼筋混凝土現澆工藝制作。由於高空現澆成型較困難，施工較為復雜，並且模板及腳手架的用料也極多，在推廣應用中受到一定限制。

7）網架結構

網架結構是近幾十年發展起來的一種較先進的空間結構體繫，也是現代大跨度結構的一大進展。該結構是由一繫列上弦杆、下弦杆和腹杆按照一定規律組成的網格狀空間結構形式，具有類似平板的外形，因此也稱為平板網架。網架結構一般采用鋼管制成，整體性好，可做成各種形式，承受各種不同荷載的作用。

這種結構形式的優點很多，如重量輕、整體性強、空間剛度大、抗震性能好等。網架杆件主要承受軸向力，所以它能充分發揮材料的強度。網架結構的構造高度僅為跨度的1/20～1/25，其跨度可達200m。網架結構適應範圍廣，可應用於如圓形、方形、多邊形、矩形等各種形狀的建築平面中。

8）網殼結構

網殼結構的外形類似於薄殼結構，隻是殼面用網格狀的杆件代替，既有網架結構的一繫列優點，又能構成殼體那樣的優美造型。網殼結構近年來發展較快，幾乎取代了鋼筋混凝土薄殼結構。網殼的外形和薄殼一樣，有圓柱面網殼、球面網殼、橢圓拋物面網殼、雙曲拋物面網殼。單層網殼需做成剛性的杆件體繫，節點與杆件除傳遞軸向力外還需要承受彎矩，這是與網架結構的區別。但在受力較大、跨度較大時，為防止失穩，宜做成雙層網殼。

9）索結構

索結構原主要指懸索結構。“懸索”就是懸掛的繩索，簡單地說，懸索結構就是把繩索的兩端加以錨固，然後用此懸掛的繩索來承受荷載。懸索的概念形成歷史悠久，清朝康熙年間我國在大渡河修建的瀘定橋即為懸索橋，該橋的跨度為104m，是有名的懸索鐵橋，再如帳篷也是懸索結構的雛形。一千多年來，人們一直在不斷地對懸索結構進行探索與改進，將懸索結構應用於屋蓋結構是從19世紀末開始的，到20世紀50年代，各國對懸索結構的研究已趨向更為成熟階段，早期的懸索結構多用於60～100m以上的大跨度建築物中。近幾十年來由於高強鋼絲的出現，對於懸索結構的發展，提供了更有利的條件。

懸索結構突出的優點是它所用的鋼索隻承受拉力，能根據材料的特性，合理地使用材料，從而鋼材，減輕屋蓋自重，有效地覆蓋大範圍空間。跨度在

100～150m時，使用懸索結構為經濟，跨度達到300m以上時，若設計合理其仍然能夠實現經濟合理。當然，懸索結構也有其不足之處，即在強風作用下，較為容易喪失穩定，因此在實際應用時其技術要求較高，並且要求具有相應的措施。

目前國外（主要是美國）大跨度結構中又出現了一種懸掛式結構，1972年在美國明尼蘇達州建造的聯邦儲備銀行即采用了這種懸掛結構，其基本原理與懸索橋相同，把16層的辦公樓懸掛在100m跨的空中。

10）膜結構

膜結構是20世紀40年代發展起來的一種新型大跨度結構，它是由多種高強薄膜材料及加強構件通過一定方式使其內部產生一定的張力以形成一定的空間形狀以作為覆蓋結構，並能承受一定的外荷載。由於膜結構主要采用了輕質的膜材料，結構自重輕，適合運用在大跨度空間結構中。膜結構於1946年首先在美國出現，當時是作為雷達站，外形為圓拱體狀，直徑很小僅15m，到1956年美國纔正式建造一座充氣式倉庫。

膜結構按支承方式不同，可分為充氣膜結構、懸掛膜結構、骨架支承膜結構和索膜結構。充氣膜結構有兩種結構形式，一種是將膜做成一個封閉的空間，向內鼓入空氣，利用內外空氣壓力差，使結構具有一定的剛度來承受外荷載；另一種是將膜材料做成半圓形狀的圓筒，向圓筒內充入空氣，將這些半圓形的圓筒組成各種形狀的屋蓋。

上述每種結構形式都有其自身的受力特征和適用範圍，表1-1給出了部分大跨度結構的受力特征和適用技術條件。

表1-1大跨結構形式的主要受力特征與適用範圍

結構類型受力特征結構參數適用條件

桁架結構彎高跨比：1/10～1/5、1/14～1/10跨度：6～70m

剛架結構彎截面高跨比：1/20～1/15；矢跨比：1/10～1/5跨度：12～100m

拱結構壓矢跨比：1/8～1/5跨度：18～200m

球殼結構壓厚度：50～150mm；矢跨比：1/5～1/2跨度：30～200m

扁殼結構壓厚度：60～80mm；矢跨比：1/8～1/5跨度：3～100m

筒殼結構壓厚度：50～100mm；矢跨比：大於1/8跨度：6～100m

扭殼結構拉/壓厚度：20～80mm跨度：3～70m

折板結構彎厚度：30～100mm；高跨比：1/15～1/8跨度：6～40m

網架結構彎高跨比：1/20～1/10跨度：6～120m

網殼結構壓矢跨比：1/10～1/8（筒殼）、1/7～1/2（球殼）跨度：100m

懸索結構拉垂跨比：1/20～1/10跨度：200m（建築）

膜結構拉厚度：0.45～1.5mm跨度：160m（索膜充氣）

1.2預應力鋼結構

在空間結構，尤其是空間網格結構的不斷發展和應用中，一些帶有預應力拉索的空間網格結構逐漸顯現出其在跨越空間和結構效能方面的優勢，並逐漸得到認可和應用。預應力鋼結構是在設計、制造、安裝、使用過程中用人為方法引入預應力以提高結構強度、剛度、穩定的鋼結構。典型的大跨度預應力建築鋼結構有斜拉網格結構、張弦結構、索穹頂結構、懸索結構、弔掛結構、索網結構和索膜結構等。預應力鋼結構通常是通過在鋼結構中引入高強度的拉索並給拉索預先施加預應力，以改變傳統結構的內力與變形分布、抵消荷載作用下的內力與變形，從而提高結構的承載能力，降低結構的內力與變形峰值，達到降低結構建造成本的目的。

預應力原理的應用已有千百年的歷史，如雨傘、帳篷、晾衣服時用的繩子等，但是工程師自覺地將預應力技術應用到現代鋼結構工程中以節約材料、提高剛度和承載力是近60年的事情。1953年，比利時Magnel教授在理論分析和試驗研究的基礎上，成功設計並建造了首個雙跨預應力連續鋼桁架結構―――布魯塞爾機場飛機庫。1956年，預應力鋼結構課題開始列入我國國家研究技術，當時哈爾濱工業大學進行了預應力鋼屋架及鋼梁的研究，並主持了預應力輸煤鋼棧橋的設計與試驗工作。隨後，利用弔點代替支點出現了斜拉預應力鋼結構，如1972年建造的慕尼黑奧運會主賽場館。隨著工程師對預應力鋼結構靜動力性能研究的深入，人們逐漸認識到預應力鋼結構高效的結構性能和良好的經濟指標，因此在20世紀80年代，國內外建造了一批典型的預應力鋼結構工程，如1988年建造的漢城奧運會主賽館―――索穹頂結構，1990年北京亞運會主賽館―――斜拉結構。20世紀90年代前後，預應力技術與傳統結構相結合，衍生出許多新型預應力鋼結構，如日本的川口衛教授提出的Suspen-domeStructure（弦支穹頂結構）、齋籐公男歸納總結出的BeamStringStructure（張弦梁結構）等。隨著科技進步、工業發展，20世紀末期在大量新材料、新技術、新理論的推動下，預應力鋼結構領域中產生了一批張拉結構體繫，它們受力合理、節約材料、形式多樣、造型新穎、應用廣泛，成為建築領域中的成就。

近年來，在國內已經有許多學者在預應力鋼結構方面做了大量卓有成效的工作，天津大學劉錫良和陳志華在20世紀90年代末期對弦支穹頂結構和張弦梁結構的研究工作奠定了國內弦支結構體繫的基礎；哈爾濱工業大學瀋世釗、範峰等早期對於雙向懸索結構的研究工作是具有重要意義的；浙江大學董石麟、羅堯治等也對索穹頂等預應力鋼結構進行了深入的研究；北京工業大學張毅剛、張愛林對弦支結構的研究做出了重要貢獻；北京交通大學楊慶山和同濟大學張其林對預應力索

膜結構進行了繫統的分析研究。

在張弦（弦支）結構的工程應用方面，中國建築西南設計研究院馮遠、中國航空工業規劃設計研究院葛家琪、北京建築工程研究院秦傑、東南大學郭正興以及長江精工鋼結構集團和東南網架等眾多設計施工單位的專家、學者起到了重要的推動作用。

根據預應力鋼結構中杆件類別的構成，將預應力鋼結構分為三類，即剛性預應力鋼結構、剛柔混合預應力鋼結構、柔性預應力鋼結構。其中剛性預應力鋼結構的構件全部為剛性構件，典型的結構形式包括以支座位移法引入預應力的預應力網架結構、以重力引入預應力的鋼棒式弔掛結構以及以細長鋼梁承擔拉索角色的鋼梁預應力鋼結構（日本的代代木體育館，如圖1-1所示）；剛柔混合預應力鋼結構的構件類型包括剛性的梁、杆和柔性的拉索，典型的結構形式包括斜拉結構、張弦（弦支）結構、索桁結構、索穹頂結構、懸索結構和拉索式弔掛結構等；柔性預應力鋼結構的構件全部由柔性的索、膜構成，典型的結構形式有索網結構和索膜結構。預應力鋼結構的分類示意如圖1-2所示。

圖1-1日本的代代木體育館

圖1-2預應力鋼結構分類示意圖