【钢结构·技术】张弦梁的演化、设计要点和案例
张弦梁，是由上弦的刚性构件(Beam)和高强度的张拉索/杆(String)，再通过若干个撑杆(Strut)连接而组成的刚柔混合结构，利用形抗和预张力抵抗外部荷载，是一种高效的大跨度空间结构体系。
张弦梁的演化
张弦梁结构的原理可追溯到19世纪初的铸铁桥，以及后来出现的拉杆拱、King Post桁架、自锚上承式悬带桥等。
张弦梁结构的演化
对于张弦梁的演化有很多种说法。一种是系杆拱增加撑杆的“加法”演化。对于系杆拱，拱的侧推力被拉杆平衡。但是，当拱的矢高比较低时，拱的压缩、弦的伸长导致结构矢高不断减小，拱可能会突然失去形态而破坏。如果在拱和弦之间增加撑杆，则结构矢高几乎不变，承载力大大提高。
从系杆拱到张弦梁的演化
另一种说法是，鱼腹式桁架去掉斜腹杆的“减法”演化。下图是建造于1859年的皇家艾伯特桥，它采用了铁质鱼腹式桁架形式，每个桁架跨度达138.7米。
Royal Albert Bridge皇家艾伯特桥
鱼腹式桁架可以看作是拱(厚重的圆管)与缆索(铁质链片)的组合，互相抵消了水平力，形成自平衡式结构。如果将鱼腹式桁架的斜腹杆去掉，它与现在常见的张弦梁形式非常相似。
注：为了纪念工程师Brunel，
鱼腹式桁架又称为布鲁内尔桁架（Brunel truss）。
桥梁工程大师林同炎先生，在1972年设计了一座非同寻常的倒悬索桥—哥斯达黎加的里约科罗拉多大桥，桥梁主跨径108m。
里约科罗拉多大桥,1972，林同炎
里约科罗拉多大桥立面示意
整桥的竖向荷载由预应力悬索承担，桥面梁板结构既用于通车，又作为受压构件平衡悬索的水平力，也充分发挥了混凝土的抗压能力，一举两得。
湖南省淘金大桥，1989，吴琦瑛
1979年国际薄壳与空间结构学会(IASS)的年会上，日本大学斋藤公男(Masao Saito)教授，明确提出了张弦梁(Beam String Structure,以下简称BSS)的结构概念，并研究了其基本受力特性和分析方法。从此，张弦梁开始在建筑结构领域得到应用。
酒田市纪念体育馆,1991,斋藤公男+结构计画
1998年，天津大学刘锡良教授在国内首先开展了对张弦梁的研究，当时取用了日语“张弦梁”的直译名称，沿用至今。
张弦梁结构体系简结、受力清晰、形式多样，充分发挥了刚柔两种材料的优势，具有很广泛的工程应用。
张弦梁的特征
1.自平衡的轴力结构
拱、穹顶等轴力结构虽然效率较高，但支座的水平推力过大，往往成为结构设计的难点。与此相比，BSS结构是自平衡的，减轻了下部结构和基础的负荷。
2.以预应力控制内力
与系杆拱、鱼腹桁架相比，BSS结构最主要的特征是，利用施加的预应力控制上弦受弯构件的弯矩分布，减小构件的截面。
施加多大的预应力是更优的？这与BSS的形态、矢跨比、预应力偏心等因素有关。下文的算例中，取BSS的梁构件为桁架(高跨比1/60)，张弦矢跨比约1/10。
梁的弯矩由三部分叠加：单独受弯时的弯矩、张弦引入预应力后产生的反向弯矩、预应力轴力偏心产生的弯矩，下图中桁架的弯矩以上下弦各自的轴力表示。
BSS的内力控制
基于梁(桁架)正负弯矩M相等的原则，更佳预应力值约等于1.02WL(均布荷载x 跨度的1.02倍)。此时桁架弦杆的轴力，只相当于单独承载时的19%。注：文献1中另外一个双坡桁架梁的算例，更佳预应力值约等于1.20WL。
一般在方案阶段，也可按F=qL2/8f来估算预应力(与上文的分析结果相近)。其中，q为结构自重，即预应力值大致抵消结构自重产生的弯矩。考虑到索的张拉时的伸长量，以及受动荷载作用时产生明显的变幅值应力，为确保索的抗疲劳，索的工作应力一般控制在200~250MPa。
3.以预应力控制变形
BSS可通过张拉弦施加预应力消除重力荷载产生的挠度，不必起拱。与其它柔性结构类似，BSS在施加预应力时，梁向上拱起变形，结构形态不断变化。也就是说，结构的零状态(结构放样态)与初始状态(预应力施加完成后的状态)有比较大的差别。通常设计、制作、施工的全过程都以初始态的坐标作为基准值。
利用BSS的变形控制
张拉的方法一般分为“长度控制”和“张力控制”两种类型，需根据结构跨度、节点细部、施工误差的大小、工期、费用等因素综合判断。
由于索结构的非线性很明显，应用时必须加以注意初始位形、初始张力、容许变形量等问题。
BBS的施工方法：无支承式
此外，通过导入和微调张弦的预应力，利用变形控制功能，也有利于施工安装、吸收施工误差。
4.附加荷载作用下的受力
BSS在结构造型阶段最重要的两个参数是：形状比和刚度比。
有学者研究发现，当α=10-3附近时张拉弦的效果显著。随着变小，κ<0.05时，BSS内力和变形急速增长。由此建议，简支BSS设计时，取κ=0.05~0.1且α=10-3~10-4的范围比较合理。
BBS内力和位移随刚度比变化
拱形结构对非对称荷载较为敏感，张弦梁同样如此。当拱梁刚度较小时，在非对称荷载作用下，张弦梁结构的变形和某些部位的应力甚至比全跨荷载作用下还要大。这种情况下需增加拱梁刚度以有效减小结构的变形及拱梁的应力。
Kempinski Hotel 的张弦梁
此外，对于张弦梁结构的支座水平刚度、非对称荷载、反对称荷载作用、非线性分析、节点设计、施工张拉方式等问题，都比较复杂，需设计人员谨慎研究。