张弦梁结构探讨？
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张弦梁结构是由日本大学的M.Saitoh教授首先提出的，是一种不同于传统结构的新型杂交屋盖体系。张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性索和中间撑杆组成的混合结构体系。其结构组成是一种新型的自平衡体系，一种大跨度预应力空间结构体系，是混合结构体系发展中的成功创造。张弦梁结构体系简单，受力明确，结构形式多样，充分发挥了刚性和柔性材料的优势，制造、运输和施工简单方便，具有良好的应用前景。
基于张弦梁结构的分类、受力机理和张弦梁结构的找形分析，总结了撑杆数量、竖跨比、高跨比、拱惯性矩和张弦梁预应力对张弦梁结构力学性能的影响，并通过有限元分析对结构进行了稳定性分析。
1.张弦梁结构的力学机理及分类
1.1，张弦梁结构的力学机理
目前普遍认为，张弦梁结构的力学机理是上弦压弯构件通过在下弦索中施加预应力产生反向挠度，结构在荷载作用下的最终挠度减小，而撑杆为上弦压弯构件提供弹性支撑，提高了结构的力学性能。一般采用拱梁或桁架拱作为上弦的受弯构件，荷载作用下拱的水平推力由下弦的受拉构件承担，从而减轻拱对支座的负担和滑动支座的水平位移。可以看出，张弦梁结构可以充分发挥高强索的强抗拉性能，提高整个结构的力学性能，使压弯构件和受拉构件相互借鉴，共同工作，达到自平衡，充分发挥各结构材料的作用。
因此，张弦梁结构不仅充分发挥了拉索的抗拉性能，而且由于桁架或拱具有抗压和抗弯能力，大大增强了体系的刚度和稳定性。由于张弦梁结构是自平衡体系，支撑结构上的应力大大降低。如果在施工过程中正确应用预张力和分级加载，将有可能使张弦梁结构施加在支撑结构上的力最小化。
1.2、张弦梁结构的分类
张弦梁结构根据受力特点可分为平面张弦梁结构和空间张弦梁结构。
平面张弦梁结构是指结构构件在同一平面内，平面内的应力为主要受力的张弦梁结构。平面张弦梁结构按上弦杆的形状可分为三种基本形式:直线张弦梁结构、拱形张弦梁结构和人字张弦梁结构。
直梁张弦梁结构主要用于楼盖结构和小坡屋面结构，拱张弦梁结构充分发挥上弦拱的受力优势，适用于大跨度屋面结构，人字张弦梁结构适用于小跨度双坡屋面结构。
空间张弦梁结构是以平面张弦梁结构为基本单元，通过不同形式的空间布置而形成的张弦梁结构。空间张弦梁结构主要包括单向张弦梁结构、双向张弦梁结构、多向张弦梁结构和径向张弦梁结构。
单向张弦梁结构由于纵向支撑索形成的空间受力体系，保证了平面外的稳定性，适用于矩形平面屋盖结构。双向张弦梁结构由于交叉的平面张弦梁相互提供弹性支撑，形成了一个垂直和水平的空间受力体系。这种结构适用于矩形、圆形、椭圆形等各种平面屋顶结构。多向张弦梁结构是由多个方向交叉布置的平面张弦梁结构组成的空间受力体系，适用于圆形和多边形平面屋盖结构。辐射张弦梁结构是将上弦梁径向置于中心，在梁下设置撑杆并用环索连接而形成的空间受力体系，适用于圆形平面或椭圆形平面的屋盖结构。
2.张弦梁结构的找形分析。
2.1张弦梁结构形状定义
张弦梁结构与悬索结构等柔性结构一样，基于张弦梁结构的加工、施工和受力特点。通常，它的结构形式也被定义为零状态、初始状态和载荷状态。
零状态是拉索张拉前的状态，实际上是构件加工放样的形式，通常也叫结构放样状态。
初始状态是拉索张拉后结构安装就位的状态，通常也称为预应力状态。初始状态是施工图中清晰的结构形状。(包括在自重作用下)
载荷状态是外部载荷作用于初始结构并发生变形后的大平衡状态。
如果按照初始形状给定的几何参数对张弦梁结构的上弦杆进行加工和放样，当使用张拉拉索时，索的拉力必然导致撑杆使上弦杆向上变形，当拉力完成后，结构上弦杆的形状就会偏离初始形状，从而不能满足建筑设计的要求。因此，张弦梁结构上弦杆的加工放样通常要考虑张拉引起的变形影响，这也是张弦梁结构需要定义的原因。
2.2张弦梁结构的找形分析
目前相关文献中的找形方法无非是章琦琳提出的逆迭代法和文献中的改进逆迭代法。
一、逆迭代法介绍
逆迭代法其实是一个很自然的思路:由于设计蓝图中张弦梁的几何尺寸是初始状态(预应力张拉完成后结构的状态)的尺寸，因此可以用这个初始状态尺寸作为近似零状态尺寸建立有限元模型，然后对其施加预应力(预应力值按设计要求)即可得到初始状态。然后将设计图纸中近似初始状态的几何尺寸与真实初始状态的几何尺寸之差反增加到原有限元模型的节点坐标，对近似初始状态进行重新建模，然后再次拉伸，以此类推，直到近似初始状态与初始状态的坐标差足够小，近似初始状态即可视为初始状态，由此得出的近似零状态即为所需零状态。这样不仅可以得到零状态的几何尺寸(施工人员据此出发)，还可以得到初始状态的内力和应力分布，从而完成找形工作。实践证明，只需少量迭代就能达到足够的找形计算精度。
二。改进的逆迭代法
上述逆迭代法是在端部断开索段，释放屋架上下弦的水平约束，将索段预拉力的水平分量作为外力反方向作用在屋架上下弦上，然后逐步进行逆迭代计算。这种方法虽然可以计算零状态的几何参数和初始预应力的分布，但在此基础上很难继续进行荷载状态的分析。由于切索后的结构已经转化为静力结构，在这种静力结构上的荷载分析显然不能反映原结构的力学特性，特别是此时下弦索的内力将不再随荷载的变化而变化，已经失去了原有的作用。
改进的逆迭代法不是通过强行张拉索段来实现的，而是通过对索段施加一定的初始应变，使索段变形协调后内力等于预定值。通过这种变化，可以在外部负载下继续分析研究问题。从而弥补了以往研究中没有考虑预应力张弦梁结构力学性能的缺陷。
具体迭代过程如下:
假设图中给出的结构初始状态坐标表示为{XYZ}，第k次迭代后得到的零状态几何坐标为{XYZ}，初始状态坐标为{XYZ}，位移为{U}。
(1)首先假设当前几何是零态几何，即设{XYZ} = {XYZ}。
(2)将初始应变(预估)加到某些索段上，计算几何形状为{XYZ}的结构的位移{U}，k = 1。
(3)计算{XYZ} = {XYZ} {u}使△ = {XYZ}一个{XYZ}。
(4)判断△是否满足给定精度。如果是，{XYZ}是零态几何坐标；如果没有，设{XYZ} = {XYZ }△，到第二步，设k = K1。
(5)上述步骤得到零状态的几何参数后，给索段初始应变值，平衡后得到的状态就是初始预应力分布。此时，应检查索段的内力值是否为预定值，如果不是，应从步骤(2)开始调整并重新计算初始应变值。
3.单张弦梁结构性能的影响因素分析。
3.1影响单张弦梁结构性能因素的研究现状
文献[4]分析了撑杆数量、竖跨比、高跨比、梁截面特性以及弦预应力对单杆张弦梁结构静力性能的影响，得出以下结论:
(1)，撑杆数量:通过撑杆连接拱与弦的张弦梁结构受力合理。然而，撑杆数量的增加并不能改善结构的力学性能。文献[4]以跨度为22.4m的单榻张弦梁结构为例，认为当撑杆数量超过3根时，力学性能的改善效果不再明显，因此撑杆数量有利3根。
(2)竖跨比或高跨比的影响:竖跨比是下弦索垂度与结构跨度之比/L)，高跨比是上弦梁上升与结构跨度之比。随着竖跨比或高跨比的增大，梁的弯矩、轴力和拉索的最大应力等其他内力减小，结构的变形也减小，但半跨荷载下的变形幅度小于全跨荷载下的变形幅度。因此，当竖跨比达到一定值时，位移响应的不利荷载由全跨荷载变为半跨荷载。
(3)上弦梁惯性矩的影响:随着上弦梁惯性矩的增大，全跨荷载下的变形几乎不变，但半跨荷载下的变形显著减小，全跨荷载下的最大正应力和半跨荷载下的梁的正应力也减小，因此增大梁的惯性矩有利于提高半跨荷载下的刚度和结构力学性能。
(4)梁截面积的影响:随着梁截面积的增加，除了梁的法向应力减小外，其他内力和变形几乎不变，所以增加梁截面积对一个力学性能没有明显的改善。
(5)下弦索预应力的影响:随着下弦索预应力的增大，变形显著减小，拱的正应力有减小的趋势，但不明显，所以弦索预应力主要有助于减小变形。
(6)下弦索面积的影响:随着下弦索面积的增加，索的变形和内力明显减小，梁的法向应力趋于减小，但幅度不大，所以单纯增加弦的面积可以提高刚度，但不能充分利用弦的材料强度。
(7)梁截面类型的影响:工字形梁截面从力学角度讲比钢管截面更经济合理。
(8)在建筑允许的条件下，张弦梁结构的尺寸应尽可能大；高跨比的取值应考虑面外风荷载的影响；选择合适的梁尺寸和弦面积，使梁的最大正应力和弦的最大应力同步达到材料极限状态，并对弦施加一定的预应力以提高刚度。
文献[5]在分析单个张弦梁结构参数的基础上，认为文献[16]中的大部分内容准确反映了单个张弦梁结构的静力性能，但部分数据反映的趋势不合理，提出了一些新的认识和结论。
(1)、竖跨比或高跨比的影响:文献[5]认为，随着竖跨比或高跨比的增大，梁截面弯矩不减小反而显著增大，因此竖跨比和高跨比不应无限增大。
(2)弦杆预应力的影响:文献[4]认为，随着下弦杆预应力的增大，变形显著减小，而文献[5]的计算分析表明，预应力增大对结构变形的影响几乎可以忽略，甚至是轻微的；就预应力对张弦梁结构内力的影响而言，文献[5]认为，预应力的增加会导致结构所有内力项的相应增加，尤其是对于上弦梁的主要内力弯矩。
3.2对单张弦梁结构各因素影响分析的新认识
针对以上文献分析，我认为有以下几个影响因素:竖向跨比+高跨比、撑杆的布置(如斜向布置和竖向斜向布置)、撑杆与拉索的接触分析。
因为时间原因，我还没有做一定的分析。
4.结论与展望
本文阐述了张弦梁结构的受力机理和分类，介绍了施工中的找形方法。还介绍了目前文献中张弦梁结构的影响因素和我认为应该考虑的一些因素。
在当前的研究中，我们还应该考虑一些问题:
(1)，索单元的数值模型。采用杆单元无法准确描述低应力水平下拉索的状态，因此选择合适的索单元进行数值分析是值得探讨的。
(2)非线性有限元的收敛速度有待深入研究。在结构计算中，经常会遇到非线性有限元计算不收敛的问题。
(3)大跨度张弦梁结构的风振、结构振动特性和振动控制亟待研究，包括风场和风速的模拟、随机振动和耦合问题。
(4)本文主要讨论单平面张弦梁结构。此外，空间双向、多向张弦梁结构和径向张弦梁结构等空间张弦梁结构的力学性能还需要进一步的分析和研究。
(5)目前的分析是基于线弹性材料下的几何非线性分析，强震等大荷载下的弹塑性分析有待进一步研究。
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