張弦結(jié)構(gòu)分析

1、建筑結(jié)構(gòu)三論文從京北車站雨棚看結(jié)構(gòu)功能實現(xiàn)以及建筑方案與結(jié)構(gòu)方案的結(jié)合我所調(diào)研的建筑是位于西直門的京北車站站臺鋼結(jié)構(gòu)大跨度雨棚。該雨棚 最大寬度115.5米，在該寬度上僅布兩排鋼柱，根據(jù)目測估計最大跨度應在70 米左右。雨棚整體為鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部為立體桁架，整體感覺十分輕盈、宏偉。下面說說該方案的結(jié)構(gòu)。根據(jù)資料記載，該大跨度雨棚的結(jié)構(gòu)學名為預應 力張弦結(jié)構(gòu)體系。張弦結(jié)構(gòu)是一種將上弦剛性受壓構(gòu)件通過撐桿與下弦懸索結(jié)合 在一起形成自平衡的受力體系。我們雖然沒有學過張弦結(jié)構(gòu)，但是我認為它就是 這學期最后一次課上講得懸索-桁架組合結(jié)構(gòu)。只是懸索-桁架組合結(jié)構(gòu)常用在雙 曲面的大跨度屋面施工中。這個車站雨棚的

2、張弦結(jié)構(gòu)則是懸索-桁架中的一棉。 可以清楚的看到上弦桁架，撐桿、下弦鋼索三者形成了一棉屋架，資料記載這個 建筑是有28棉這樣的屋架并列安裝形成的一個單曲面拱形結(jié)構(gòu)。京北車站雨棚的結(jié)構(gòu)體系就是典型的張弦結(jié)構(gòu)。既然是組合結(jié)構(gòu)，那我不 妨把上弦的立體桁架和下弦的懸索分別分析一下。雨棚上弦是拱形立體桁架，采用互成三角形的圓管相互交叉、支撐，用來 承載屋頂恒荷載和雨雪等活荷載，是剛性受壓構(gòu)件。這種結(jié)構(gòu)的特點是輕盈，風 阻小，剛度大，整體性強，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以適用于較大的跨度。由于較小的風阻 和較大的跨度適用，非常適合于車站建筑使用。在一棉屋架的下弦，采用的是預應力懸索。在大跨度結(jié)構(gòu)中有單獨應用懸 索的，比

3、如說懸索橋，目前已經(jīng)實現(xiàn)了近2km的跨度。這種架構(gòu)的特點是自重輕， 并且對高強鋼的抗拉強度進行了最充足的利用，所以在相等的用鋼量下，這種結(jié) 構(gòu)應該可以得到最大的承載力和跨度，非常經(jīng)濟。但是單獨應用懸索結(jié)構(gòu)時穩(wěn)定 性差，所以才出現(xiàn)了懸索-桁架的組合結(jié)構(gòu)。在大跨度立體桁架結(jié)構(gòu)中，上弦桁架的跨度很大，且在跨中鋪設屋面板， 承受近似均布的雨雪荷載，跨中有較大荷載存在。所以跨度越大，跨中荷載就越 大，為了防止壓桿失穩(wěn)，壓桿直徑就要隨之增大，用鋼量增加，結(jié)構(gòu)自重增大， 這樣對結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟性不利。下弦的鋼索就是為了解決這個問題而來的。由于預應 力鋼索有很大的抗拉強度，可以承受很大的荷載，將上弦的立體桁架的受力

4、作用 點用撐桿支撐在下弦的懸索上，下弦張緊后，就可以幫助上弦承載，此時上弦的 跨度實際上就被分割了，每兩根撐桿之間為一跨，跨度大大降低，可以縮小鋼管 直徑，減小結(jié)構(gòu)規(guī)模，減輕結(jié)構(gòu)自重。懸索兩端連接在上弦桁架上，所受拉力與 上弦壓力相平衡成為內(nèi)力，抵消了拱形式的側(cè)推力，整體達到平衡穩(wěn)定的效果。在每棉桁架之間，有十余組平面網(wǎng)架相連接，一方面是為了安裝屋頂方便， 另外一方面也是為了保證每棉桁架相對位置不改變。平行的各棉張弦屋架和與之垂直的平面網(wǎng)架交織在一起，使屋頂成為一個平面，擁有很高的整體性和剛性。 整個屋頂落在兩排鋼筋混凝土柱子上。柱子的支撐也體現(xiàn)了平衡的特點。我曾經(jīng)在城鐵西直門站觀察柱子頂端的

5、 支撐，發(fā)現(xiàn)柱子頂端開叉成六到八跟細的柱子，相互交叉，像樹杈一樣，略顯復 雜，但是仔細觀察，發(fā)現(xiàn)這些細柱一定是兩兩對應的，這樣可以抵消推力。北站 雨棚也是一樣。立體桁架和平面網(wǎng)架有主次之分，主要的部分采用鋼管直徑較大， 并且終端落在柱子上。在柱子頂端由幾只分叉的支撐桿支撐網(wǎng)架。在水平和垂直 方向上，細柱都是兩兩對應的，而且全是剛性連接，我認為這是為了確保整個屋 面的整體性，保證每根桁架不發(fā)生相對錯動。否則會破壞屋面。在細柱的下端有 一個托盤，托盤和柱身的連接是活動的鉸支?？梢?，在有地震等發(fā)生時，柱子和 屋面整體可以發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，對抗震有利。建筑形態(tài)與建筑結(jié)構(gòu)功能相協(xié)調(diào)的問題我認為就是建筑結(jié)構(gòu)選

6、型的問題。 因為在建筑設計階段就已經(jīng)確定了建筑的平面和立面形式，那么一定有一種結(jié)構(gòu) 方案是最適合這個平面的，京北車站雨棚的例子就很典型。車站站臺用于停放列 車，因此往往呈現(xiàn)細長的平面形式，凈高度也較高，需要獲得良好的通風和視覺 效果。平板結(jié)構(gòu)一般不適用于這種結(jié)構(gòu)，因為本來這種建筑形式就比較單調(diào)，平 板結(jié)構(gòu)更易顯得單調(diào)，使建筑變得無趣，且不易實現(xiàn)大跨度。薄壁結(jié)構(gòu)雖然可以 做出單曲面的殼體，但是較雙曲面和網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，自重大太多，而且受風荷載的作 用效應大，不宜使用在露天的結(jié)構(gòu)中。資料顯示京北車站雨棚平面長541.2米， 寬115.5米。115米的寬度要求能實現(xiàn)較大的跨度的結(jié)構(gòu)形式，我們學過的有網(wǎng) 架

7、、懸索、組合結(jié)構(gòu)幾種。平面的網(wǎng)架，在大跨度的跨中會產(chǎn)生較大的彎矩，桿rrSHBSSMM*1wssis66Lo2,普喜 ，杳 I.S WWHS藉 9LEBX *BI6ro6606圖 3 IRI fli m的軸力很大，需要增加桿件的規(guī)格，不是很經(jīng)濟。所以我認為在這種要求下，曲 面是最經(jīng)濟的解決方案。于是可以選擇的方案就只剩下網(wǎng)殼和懸索兩種。這樣一 來，其實就和我分析的現(xiàn)方案很接近了。拱式結(jié)構(gòu)由于是單曲面的幾何形式，自 身就可以降低跨中彎矩，具有幾何優(yōu)勢，并且可以充分挖掘剛才強度，達到材料 節(jié)省，自重減輕的目的，非常有利于大跨度建筑空間的需要。另外，拱式結(jié)構(gòu)還 有很強的造型能力，可以打破該建筑的單調(diào)

8、。所以我認為這個雨棚必須利用拱式 結(jié)構(gòu)。拱式結(jié)構(gòu)在大跨度中的應用需要解決兩個問題，一是自重，二是側(cè)推力。 解決自重問題在于材料，由于鋼材具有很高強度，所以應用鋼網(wǎng)架是既保證剛度 又保證了較輕的自重，所以我認為單曲面的鋼網(wǎng)架是做這個大跨的不二選擇。立 體網(wǎng)架可以把推力通過剛性水平結(jié)構(gòu)集中傳遞給端部拉桿，解決了側(cè)推力的問 題。但是由于跨度很大，為防止失穩(wěn)，跨中桿件較粗，整體就都要做的很粗，結(jié) 構(gòu)自重很大。最終張弦結(jié)構(gòu)提出了解決跨中桿件軸力過大的問題，靠一條預應力 鋼纜和撐桿抵消了上弦跨中的壓力，最終上弦結(jié)構(gòu)輕盈，下弦也不影響視覺效果。 波浪形的雨棚不僅順應站臺的走勢，感染力也很強。風荷載對這種空間

9、網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 的影響也微乎其微。最后談談這學期學習建筑結(jié)構(gòu)課的感受。當我們在前三個學期了解了彎矩， 了解了軸力，了解了拱，了解了抗拉壓強度等等之后，就進入了結(jié)構(gòu)三這個新的 階段的學習。這個階段的研究從微觀轉(zhuǎn)向了宏觀，也解答了在大二我們一直納悶 兒的“學力學有什么用？”的問題。其實就是在為我們了解各種結(jié)構(gòu)形式打基礎。 這個學期學的結(jié)構(gòu)類型非常實用，都已經(jīng)能夠具體到案例進行分析。對這些內(nèi)容 進行學習之后我們已經(jīng)可以解決方案設計時遇到的一些疑惑，比如會議室里不想 做柱子，但又不敢做這個20米的跨度。顯然，如果是上個學期，我可能會考慮 用預應力混凝土梁，那樣也至少需要2米的梁高，層高就要6米，怎么也覺得很 牽強。但是現(xiàn)在可以用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，做再大的跨度也不存在問題了。另外可以對生 活中的建筑進行分析了，肯定會悟出一些效果，比如奧運會時候去工人體育館， 對它的屋頂只是好奇，現(xiàn)在了解它是懸索結(jié)構(gòu)，則可以對它平面、柱網(wǎng)等的布置 有所了解，在未來自己設計的時候進行適時的使用。在未來的設計中，設計就不 局限于建