[发明专利]一种具有荷载缓和作用的张弦桁架结构及实施方法

说明书

技术领域

本发明属于建筑结构的大跨度预应力钢结构技术领域，特别是涉及一种具有荷载缓和作用的张弦桁架结构及实施方法。

背景技术

张弦桁架结构最早是由日本大学M.Saitoh教授在1986年提出，该结构是一种区别于传统结构的新型杂交屋盖体系，其主要是由作为压弯部件的上弦桁架杆件、下弦柔性拉索以及中间受压撑杆组成的自平衡混合结构，也是一种混合结构体系发展中比较成功的大跨度预应力空间结构体。

张弦桁架结构的特点是体系简单、受力明确、结构形式多样，充分发挥了刚柔材料的优势，并且制造、运输、施工简捷方便，因此已经获得了良好的应用。近几年来，以上海浦东国际机场候机楼、广州国际会展中心、哈尔滨国际会展中心、北京农展馆、国家体育馆为代表的大跨度张弦桁架屋盖结构已成为我国标志性建筑。

目前，本领域的研究人员普遍认为张弦桁架结构的受力机理是通过对下弦柔性拉索施加预应力而使上弦桁架杆件产生反挠度，使得结构在荷载作用下的最终挠度得以减少，而中间受压撑杆对上弦桁架杆件提供的弹性支撑可以改善结构的受力性能。一般由上弦桁架杆件构成的上弦桁架采用拱梁或桁架拱，在荷载作用下拱的水平推力由下弦柔性拉索承受，以减轻拱对支座产生的水平推力并减少滑动支座的水平位移。张弦桁架结构可发挥高强索的强抗拉性能，改善整体结构受力性能，使压弯构件和抗拉构件取长补短，协同工作，从而达到自平衡。

张弦桁架结构包括平面张弦桁架结构和空间张弦桁架结构，空间张弦桁架结构主要有单向张弦桁架结构、双向张弦桁架结构、多向张弦桁架结构、辐射式张弦桁架结构，其设计方法、施工手段日臻成熟，研究人员也进行了多方面的研究并取得了很多成果。

虽然张弦桁架结构是一种受力合理、刚度大、重量轻的大跨度空间结构，但由于其在工程中的实际应用只有十几年的时间，并且尚未经受强烈地震、台风等动力灾变荷载的考验。在上述动力灾变荷载作用下，下弦柔性拉索的内力会急速变化，由于该拉索属于脆性材料，破坏前无明显征兆，如果突然断裂将会引起相邻拉索的应力集中后连续断裂，进而导致主结构倒塌。因此，目前张弦桁架结构设计中常留有较大的安全系数，因此未能充分发挥材料的性能。

荷载缓和体系是上世纪80年代由英国研究人员提出的一种解决荷载变化过大的方法，其核心理念是在结构中引入某种做机械运动的装置，当结构形状变化很大时其内力变化不大，可借鉴运用到张弦桁架结构中来。此概念最初由单建教授引入我国，郭彦林教授将其应用到体育场罩棚结构设计中，都是荷载缓和体系在理论研究中取得的成果。

然而，荷载缓和体系的应用仍存在一定局限，具体表现为：用一定程度的变形缓和结构受力，造成应用面较窄，因此较适合于柔性结构；利用恒定重物的竖向荷载缓和装置应用较多，利用弹簧的水平向荷载缓和装置研究较少；弦支结构中的应用更是少见。同时，如何提供一种高效、美观、实用的荷载缓和装置，就成为限制荷载缓和体系突破理论层面而进入实际应用的关键问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种安全可靠、施工方便、美观实用，在动力灾变荷载作用下具有荷载缓和作用，避免局部拉索受力过大断裂而引起张弦桁架结构连续倒塌，从而充分发挥材料性能的张弦桁架结构及实施方法。