张弦结构体系是典型的预应力钢结构,它通过柔性的拉索构件与刚性结构相结合,将预应力引入刚性结构提高了结构的受力性能,使得结构能实现大跨度。由于其较高的结构效率和良好的受力性能,张弦结构已在体育、会展、交通设施等大型公共建筑中得到了广泛的应用^[1,2]。

　　 1851年在伦敦建成的水晶宫的部分屋面檩条采用了通过预紧铁棒的方式对木制构件进行加固的结构形式(图1),从外形和受力机理上看此种结构已经与现代张弦结构十分接近,然而受到材料和施工工艺的限制,这种结构形式只能作为结构次级构件使用,没有收到重视^[3]。1979年斋藤公男提出了现代张弦梁结构,并设计了日本大学法拉第礼堂、日本大学理工学部体育馆和出云穹顶等一些列张弦结构屋盖,这是现代张弦结构发展的开端^[4]。我国对预应力钢结构的研究始于1954年,并于1958年在大同煤矿建成了第一个预应力输煤栈桥。从结构形式看,这种预应力钢栈桥已经与现在的张弦桁架结构十分接近,然而由于材料的限制,这些结构仅采用普通钢筋作为下弦拉索,这限制了所能施加的预应力的大小和结构跨度的适用范围^[5]。天津大学的刘锡良教授自1998年开始研究张弦梁的结构受力性能和分析设计方法,这是国内最早开展的现代张弦结构研究^[6]。自此以来张弦结构已发展出多种结构形式,主要包括张弦梁、张弦桁架、弦支穹顶^[7]、弦支筒壳^[8]、弦支拱壳^[9]、弦支网架^[10]、弦支混凝土板^[11]、弦支钢丝网架混凝土夹芯板^[12]、弦支钢架^[13]、弦支网壳等。根据结构受力机理,张弦结构可以分为平面张弦结构、可分解型空间张弦结构和不可分解型空间张弦结构^[14,15]。

　　 平面张弦结构是以平面内受弯为主、具有平面受力特点的张弦结构形式。典型的平面张弦结构形式有张弦梁、张弦桁架和弦支刚架等,如图1所示。

　　 可分解型空间张弦结构是由多个平面张弦结构组合形成,又称平面组合型张弦结构。可分解型空间张弦结构的每个平面张弦结构单体可以独立承担荷载,同时通过多个单体的组合使结构具有了空间张弦结构的特点。按照结构布置形式,可分为双向张弦结构、多向张弦结构和辐射式张弦结构^[1],如图2所示。

　　 双(多)向张弦结构由多个平面张弦结构单体交叉布置而成,如图2(a)和图2(b)所示。与平面张弦结构相比,上部结构和拉索都有较强的侧向约束,具有空间受力特征,但节点构造较为复杂。

　　 辐射式张弦结构由多榀平面张弦结构绕中央旋转而成,通常每榀之间会用环索连接,见图2(c)。

　　 不可分解型空间张弦结构的上部结构和拉索具有空间整体受力的特点,无法根据上部刚性构件的布置分解成单榀平面张弦结构。其中,最早提出也是最具代表性的结构形式为弦支穹顶结构(图3)。随着相关研究的不断深入,弦支筒壳结构、弦支网架结构、弦支混凝土屋盖结构等多种新型结构体系^[1,2]也不断涌现。

　　 近四十年来以张弦梁和张弦桁架结构为代表的张弦结构已经在国内外得到了广泛的应用。我国的第一个张弦梁工程是1999年建成的上海浦东国际机场一期航站楼(图4),跨度为82.6m^[16],而第一个张弦桁架工程是2002年建成的广州国际会展中心展览大厅(图5),其跨度为126.6m^[17]。北京奥运会场馆中国家体育馆(图6)采用了双向张弦结构、乒乓球馆采用了辐射式张弦结构。其中,国家体育馆屋盖采用了单曲面双向张弦桁架结构,横向14榀,纵向8榀,跨度为114m×144.5m,是目前世界上跨度最大的双向张弦桁架结构^[18,19]。由于出色的结构性能,张弦梁和张弦桁架在国内的交通枢纽、会展建筑和体育设施中得到了广泛地工程应用,如深圳会展中心^[20]、北京北站雨棚^[21]和国家体育馆等。除了作为屋盖结构,张弦梁结构也应用于大跨度楼盖中,如伊金霍洛旗全民建设中心^[22]和河北师范大学体育馆^[23]等。代表性的张弦梁和张弦桁架结构如表1所示。近二十多年来,众多学者和工程人员对张弦梁和张弦桁架结构的找形找力、承载能力、风致响应和地震作用等进行了系统的理论和试验研究^{[24,25,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35]},其中,天津大学首次开展了弦支组合楼盖的人致振动试验研究^[36]。

　　 除建筑结构外,张弦梁结构也应用在了农业设施上。图7所示为一种大型移动喷灌设备,其主体结构为张弦梁结构。其中每个单体张弦梁跨体长度为40～60m,其上弦为输水钢管、撑杆为角钢、拉索为钢丝绳,角钢在平面外呈三角形布置,在角钢下部设置两道长拉索。

　　 弦支穹顶结构是1993年由日本法政大学川口卫教授首先提出的^[37,38],随后川口卫教授主持设计了光丘穹顶和聚会穹顶。弦支穹顶结构是由上部刚性的网壳结构和下部撑杆、径向拉索和环向拉索构成的柔性结构组合而成。可以认为弦支穹顶是通过引入下部的索撑体系对上部网壳刚度进行补强而成的,提高了结构的稳定性,减小了支座的水平推力,减轻了下部结构的负担;也可以认为弦支穹顶是将索穹顶的脊索变为刚性构件而成的,降低了结构的施工难度^[39,40]。

　　 目前,弦支穹顶结构已在三十余项工程中得到应用。其中,天津保税区国际商务交流中心是我国首个弦支穹顶结构(图8),跨度35.4m;济南奥林匹克体育中心体育馆是目前最大的圆形弦支穹顶结构(图9),其跨度为122m;跨度最大的非圆形弦支穹顶工程为大连体育馆,其长轴和短轴分别为145m和116m(图10)。我国代表性弦支穹顶工程如表2所示。

　　 弦支穹顶结构已在我国得到了广泛的应用,也有众多学者和工程技术人员对其开展了深入的研究。目前,对弦支穹顶结构的研究逐渐朝着精细化的方向发展,例如预应力损失补偿技术、索力精确测量技术、拉索精细化模拟研究、节点优化研究、结构抗火性能研究^{[41,42,43,44]}。

　　 笔者团队将筒壳结构与索撑相结合形成了弦支筒壳结构^[8],并对结构的受力能力展开了系统的理论和试验研究^{[45,46,47,48,49,50,51,52,53,54]},结构示意图见图11。弦支筒壳结构已在许多建筑中得到了应用,例如广西柳州奇石博物馆(长130m,宽56m,图12)、天津大港发电厂干煤棚屋盖(跨度81m,纵向长度50m)等。

　　 弦支网架结构是将网架结构和索撑体系相连而成的结构形式^[55],结构示意图如图13所示。弦支网架结构根据其上部位网架的结构形式进行分类,可分为弦支四角锥体网架结构、弦支三角锥体网架结构和弦支交抽空四角锥网架结构等。

　　 目前,弦支网架结构已经应用在如天津市滨海新区东沽小学体育馆(33.4m×21.4m)、河北联合大学(现华北理工大学)体育馆(79.8m×67.2m)^[56]、黄河口试验模型厅(图14)等工程,其中黄河口试验模型厅采用了弦支抽空四角锥网架结构,其跨度为148m,是目前我国跨度最大的弦支网架结构^[57]。

　　 将拉索和撑杆布置在网架的下方的弦支网架结构形式会减小建筑净空高度,为实现此结构形式,笔者团队^[58]提出了廓内布索的弦支网架结构形式,其结构示意图如图15所示。此结构形式在我国首次应用于山东广饶国际博览中心的四个矩形展厅中,展厅平面尺寸分别为148.6m×61m和143m×61m,如图16所示。天津市中心城区轨道交通综合控制中心中央大厅采用了双向廓内布索的弦支网架结构。其结构平面为短轴方向部分缺失的椭圆形,结构长轴98.6m,短轴最大跨度53.9m(图17),通过双向弦支同时满足了较为严格的净空和变形要求^[59]。

　　 根据张弦结构受力特点的要求,张弦结构的撑杆上节点与上部结构的连接方式应为万向铰接;撑杆下节点连接了撑杆、径向拉索和环向拉索,汇交杆件多,需要合理的节点构造以减小节点的体积和重量,同时需要尽量减小张拉过程中的预应力损失。

　　 撑杆上节点可分为径向释放型和铰接型两类。笔者^[1]提出了两种径向释放型撑杆上节点形式,如图18所示,图18(a)是在焊接球节点的外部沿径向焊接节点板,撑杆和径向索与节点板通过螺栓或销轴连接;图18(b)是撑杆和径向索通过一段一端压瘪的短管与焊接球节点连接。这两种节点构造释放了撑杆和径向索沿径向的转动,但是并不能完全满足撑杆与网壳之间万向铰接的计算假定。

　　 国内最初几座大型弦支穹顶结构撑杆上节点均采用了径向释放型,如济南奥林匹克体育中心体育馆屋盖的撑杆上节点(图19)。

　　 随着对张弦结构研究的不断深入,为了使撑杆上节点的构造与计算假定更加吻合,一些能够实现万向铰接节点形式开始在工程中得到应用。山东茌平体育馆采用了两个半球相扣形成的万向铰节点(图20),这种节点形式构造简单,造价也较低;北京奥运会羽毛球馆使用了球铰万向可调节点^[60](图21),这种节点形式与计算假定完全一致,但是制造精度要求较高,造价也较高。

　　 向心关节轴承节点以向心关节轴承为转动核心,实现了节点的空间铰接。该节点利用其径向可转动、环向可微动的特性,张拉过程中环索与撑杆下节点固定,不产生滑动,拉索张拉后撑杆由初始的偏斜状态变为竖直状态,由于索夹与拉索间没有滑移,因此解决了由摩擦带来的预应力损失的问题。该节点体系造价较低、构造简单、加工周期短、便于施工过程调整。在我国,东亚运动会自行车比赛场馆^[61]首次将此种节点用于弦支穹顶结构(图22)。

　　 撑杆下节点可以根据环索的连接方式分为两类——环索连续型和环索间断型节点。环索间间断型节点传力可靠,而且能够避免预应力损失,但是由于拉索索头的造价远高于索体,故为了减少造价和张拉施工的工作量,环索连续型节点在工程建设中更加常用。图23是环索间断型的撑杆下节点(安徽大学体育馆);另一类是环索连续型的撑杆下节点,如图24所示。

　　 出于施工成本和便捷性考虑,目前弦支穹的预应力施工更多地采用张拉环索。若采用索夹节点,由于环索与索夹之间的摩擦,会造成预应力损失和结构内力分布不均匀。针对北京奥运会羽毛球馆的研究表明,预应力损失会使整体稳定性能下降20%左右^[62]。

　　 为了解决撑杆下节点预应力损失过大的问题,笔者团队等^[63]和卓新等^[64]先后提出了以滚动摩擦代替滑动摩擦的撑杆下节点,通过在撑杆下节点中设置滑轮,大幅减小了拉索与节点间的摩擦力。理论分析和试验结果表明,此节点可使预应力损失值由21.65%降低到10.85%。此外,带滚动式张拉索节点的弦支穹顶模型试验验证了此节点的有效性^[65,66,67]。滚动式张拉索节点已成功应用于山东茌平体育馆和天津宝坻体育馆的屋盖结构中,如图25所示为滚动式张拉索节点示意图。

　　 无论是否使用滚动式张拉索节点,拉索和节点不可避免地存在摩擦,而在预应力张拉完成后依然需要约束拉索与节点之间的相对位移,防止拉索在正常使用状态发生滑移,影响结构的安全。因此需要得到拉索与节点间的摩擦系数以确定极限摩擦力。

　　 目前,我国建筑结构的有关规范和标准中尚无针对张弦结构节点摩擦力的明确计算方法,在结构设计中需要参考《公路悬索桥设计规范》(JTG/T D65-05—2015)^[68]及美国规范^[69]和欧洲规范^[70]等相关规定。

　　 郭正兴和罗斌等^[71,72,73]对弦支穹顶和索网结构的索夹节点展开了一系列试验和理论研究,给出了高钒索和全封闭索的综合摩擦系数取值。罗永峰等^[74]进行了弦支穹顶撑杆下节点滑移承载力的试验,并提出了增加节点抗滑移性能的节点构造。陈耀等^[75]针对广州南站索夹节点进行了试验和理论研究,给出了多个因素对节点抗滑移性能的影响规律。上述研究中得到的极限摩擦力均大于按《公路悬索桥设计规范》(JTG/T D65-05—2015)计算得出的值,然而试验研究得到的摩擦系数与拉索种类、节点构造有很大关系。尤其是随着张弦结构跨度的增加,索的直径不断增加,需要对大直径索的抗滑移性能继续进行研究。

　　 焊接球节点具有构造简单、施工方便的特点。是网架、网壳和弦支穹顶结构中广泛使用的节点形式。在设计计算中对网架和双层网壳中的焊接球节点一般采用铰接假定,在单层网壳和弦支穹顶中一般采用刚接假定,但是焊接球节点既不是铰接也不是完全刚接。对于弦支穹顶结构,将上部网壳的节点假定为完全刚接会高估结构的稳定承载力。

　　 韩庆华等^[76]推导了焊接球节点抗弯刚度的理论解,并给出了简化的计算公式。闫翔宇等^[77,78,79]进行了杆件汇交和支座处焊接空心球节点的抗弯刚度试验,并分析了节点半刚性对弦支穹顶结构的影响。张传成等^[80]分析了节点半刚性对北京奥运会羽毛球馆弦支穹顶屋盖稳定承载力的影响。郭飞以及吴慧等^[81,82]分别展开了节点半刚性对弦支穹顶动力性能影响的分析。

　　 目前,焊接球节点半刚性对弦支穹顶结构力学性能影响的分析主要还是集中在科研领域。考虑半刚性的节点计算模型和刚度计算方法都比较复杂,这些都限制了其在实际工程设计中应用,今后应当对适用范围更广、计算更加简便的节点半刚性计算方法进行研究。

　　 拉索是张弦结构的核心构件,其性能对结构尤为重要。在实际工程中,拉索一般被简化为只受拉不受压的柔性构件,并以较高的安全系数来保障其安全性。

　　 但在实际使用中,拉索将经历如温度变化、高应力疲劳、拉索锈蚀退化等作用,使得拉索整体力学性能发生变化,继而影响拉索体系的力学性能及使用寿命。故需要对拉索的各项性能进行精细化研究。目前对拉索的相关研究主要有拉索膨胀系数研究、拉索退化及预应力损失研究、拉索弯曲性能、拉索索力测试研究等。

　　 由于拉索是由钢丝通过绞捻而成,其线膨胀系数与钢材有所不同,为了准确计算张弦结构的温度作用,笔者团队等首先对拉索的线膨胀系数进行了理论分析和试验研究^{[83,84,85,86]}。笔者团队^[85]提出了通过空气加热索膨胀系数测定仪(图26)和水域加热索膨胀系数测定仪(图27)测定了拉索的膨胀系数。根据试验结果,张弦结构中常用的三种拉索索材钢丝绳、钢绞线和半平行钢丝束的线膨胀系数分别为1.92×10^-5/℃,1.38×10^-5/℃,1.87×10^-5/℃。

　　 拉索的预应力是张弦结构施工控制和评估在役张弦结构安全性的重要因素。目前索力测量的方法主要有压力表测试法、压力传感器测试法、振动波法、三点弯曲法、磁通量法、频率法等^[87]。然而,各种测量方法均有其局限性。其中,频率法成本较低,适用范围广,但是对张弦结构中相对“短粗”的拉索,其精度受拉索抗弯刚度的影响很大。因此,需要给出张弦结构常用拉索种类的抗弯刚度。

　　 武晓凤^[88]针对半平行钢丝束、钢绞线、钢绞线束及Galfan索等进行了共77组拉索弯曲试验,试验中考虑了索体端部约束条件、预应力大小等因素。而后,余玉洁等^[89]分别采用静力计算方法和显式动力计算方法模拟了拉索弯曲性能,得到了弯曲时索内钢丝局部应力的分布规律。

　　 然而精细化有限元模拟计算量大,因此提出了拉索弯曲性能的半精细化模拟方法^[90],该方法提高了计算效率,继而得到了拉索弯曲性能和抗弯刚度。

　　 至今,部分张弦结构已服役近二十年,服役期间由于受自身材料性能退化、环境侵蚀以及人为破坏或自然灾害等因素的影响,结构中关键构件拉索必然会受到损伤并进而引起拉索内力的变化,严重时甚至会出现断索等情况,严重影响结构的安全性能。因此开展拉索退化机理研究至关重要。笔者团队^{[91,92,93,94,95]}采用试验研究、数值模拟和理论研究相结合的方法系统开展了拉索性能退化机理及其对张弦结构性能影响研究。对常用建筑结构拉索开展了应力松弛试验,测定了各种拉索在不同初始应力水平和环境温度条件下的应力松弛性能,得到了各类拉索应力松弛的发展规律,并根据试验数据推算了各类拉索试件的长期应力松弛参考值,得出高强钢丝、钢绞线和半平行钢丝束拉索50年松弛率较小,分别为2.660 6%,2.516 4% 和2.815 1%,钢拉杆的松弛率稍大,其50年松弛率的建议值为4.034 6%。高钒索的松弛率相当大,其50年后因应力松弛造成的应力损失甚至可能达到初始应力的将近四分之一(24.727%)。

　　 基于拉索应力松弛和锈蚀试验的研究成果,计算得到了典型拉索的应力松弛和锈蚀预应力损失模型,并进而建立了拉索的应力松弛锈蚀综合时变模型,结合张弦结构的结构特点建立了在役张弦结构拉索安全保障机制。

　　 然而,对于拉索在变化温度和变化内力条件下的应力松弛研究以及其精细化考虑方法、如何在张弦结构拉索破断效应的模拟中考虑拉索节点处的摩擦滑移现象等问题,仍有待于进一步研究。

　　 火灾尤其是建筑火灾是较常见的,并且是会直接威胁建筑使用者人身和财产安全的灾害之一。张弦结构往往用于大型公共建筑,这些场所通常是人员高度密集的场所,因此更需要对张弦结构的火灾安全性进行研究。拉索是张弦结构的最关键的构件,高温会削弱拉索构件的承载力,使其丧失预应力,以致整体结构发生严重破坏甚至坍塌。目前对张弦结构火灾安全性的研究主要集中在高温下的结构性能,但是对火灾后未发生倒塌的结构需要通过对其残余的力学性能进行评估,以决定后续的处理方式。

　　 对拉索高温下的力学性能,范进和吕志涛等^{[96,97,98,99]}从21世纪初就展开了研究。此后,许多学者对高强钢丝和钢绞线在高温下和高温后的力学性能进行了试验和理论分析,总结出了一定规律^{[100,101,102,103,104,105,106,107]}。但是,随着以封闭索和高钒索为代表的新型拉索在张弦结构中逐渐得到应用,仍需要对其高温下和高温后的力学性能进行研究。

　　 卢杰等进行了非负载条件下高强钢丝^[108]和带压制锚具的1×19高钒索^[109]的高温后力学性能试验,在此基础上,樊泽源^[110]进行了ϕ5的高强钢丝和1×7钢绞线负载高温后的力学性能试验,得出了高温下拉索构件的性能变化规律。

　　 近二十多年来,我国对张弦结构的工程应用和研究在有些方面已经迅速赶上甚至处于了国际领先水平。而对已经建成的张弦结构中,由锈蚀和徐变等引起的结构性能退化问题逐渐受到重视,在役张弦结构拉索的安全性评估及补强方法将是今后张弦结构研究的一个重要方向。