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若干年后张弦梁结构可能出现的问题

随着1999年上海浦东机场一期候机楼的建成,张弦梁结构在中国的发展拉开序幕。据不完全统计,在过去的10年中,中国大陆已建成的张弦梁结构不少于70座。从最开始以新型结构体系的角色出现,以一种高端技术应用于大跨度空间结构,逐步到被应用于酒店大堂屋顶、玻璃顶篷甚至是改造项目中,这说明在近10年中张弦梁结构设计与施工技术逐步被大家所认识、掌握。

张弦梁结构在国内的大量应用是件好事。不过,随着张弦梁结构的普及化,“旧时王谢堂前燕,飞入寻常百姓家”。现在资质很一般,甚至没有设计与施工资质的单位也在做张弦梁结构(当然这里并不怀疑他们的能力)。因为张弦梁结构毕竟与普通钢结构不同,有其特殊之处。所以我认为若干年之后,国内一些张弦梁工程可能会出现一些问题:

(一)有些工程可能会在暴风下出现过大的、不可恢复的起拱变形。导致这个问题的原因可能有三种可能性:由于设计时风荷载计算的不足;②设计中预应力施加的过大;施工过程中张拉误差过大;④可滑移支座性能不合格。其中第③种情况最令人担忧,也是最有可能发生的。

(二)拉索与撑杆之间出现较大滑移。在计算模型中,拉索与撑杆之间是铰接;在构造上,根据国内已建工程情况,拉索与撑杆之间是通过限位移节点或夹具连接的。所谓的限位移节点或夹具节点,都是通过螺栓施加预应力使夹具夹住拉索。而螺栓预应力的取值是比较难确定的,取小了,达不到设计要求;取大了,则可能会破坏拉索的保护皮套。所以目前根据经验,按照拉索预应力的一定比例取值。不过随着风荷载的变化,拉索预应力是一直处于变化状态,这就对节点存在一定的不利影响。特别是撑杆不是与拉索垂直的情况,它们之间的摩擦力还是挺大的。实际上,目前 已建的项目中,已经存在拉索与撑杆之间出现滑移的现象。

(三)撑杆由于过细而发生失稳。设计中可以发现,撑杆的内力是很小的,特别是撑杆与拉索垂直的情况下。但是在几个已建的大型张弦梁结构中,撑杆的直径都比较大,这实际上是一种构造设计。但是随着工程数量的增加,大家的胆子会越来越大,特别是一些爱搞优化的朋友,可能会按照真实受力进行设计,这样撑杆的直径可能会特别小。正如前文所述,如果撑杆与拉索之间出现滑移等原因,导致内力重分配,撑杆的内力可能会增加很多,这样可能会导致撑杆发生失稳。而撑杆的失稳可能会导致整个结构的倒塌破坏,所以,撑杆按照构造设计还是比较合理的。

(四)由于结构体系不合理导致撑杆与拉索平面外失稳。其实早期研究张弦梁的时候大家已经证明,上弦为平面的情况是不合理的,撑杆与拉索会出现平面外失稳。但是现在已经有项目这样做了,而且并没有发生平面外失稳。所以就有人得出结论说上弦为平面的情况也是可以做的。但是我个人认为这是一种很严重的错误。至于为什么已建的工程没有出问题,我想可能是构造上的铰接与理想铰有一定的区别所致吧?但是随着外荷载的变化,这种结构可能会出现意想不到的问题。当然,有些工程中虽然上弦为平面,但是拉索布置是经过改进的(比如采用“人”形布置),这种情况是没有问题的。

(五)拉索的锚固端也是一个可能出现问题的部位,有些工程在若干年后可能会需要更换锚具。

这只是个人的一点看法,也可能是“杞人忧天”,我也希望这些问题最好都不要发生。但是作为一个结构工程师,我们还是有必要把每个环节都考虑清楚,那样才能保证我们设计出来的工程都是安全、可靠的。

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