張弦梁（桁架）結構在日本的工程應用

摘要：張弦梁結構是一種新型的大跨度結構體系，該結構在日本大學齋藤公男教授于20世紀80年代明確提出之后，憑借其高效的傳力機制和優美的外形效果，在日本的大型公共建筑中得到了極為廣泛的應用。本文對日本的張弦梁（桁架）工程進行簡要的介紹，并對張弦梁（桁架）結構的概念進行闡述。

關鍵詞：張弦結構；張弦梁（桁架）；工程應用

0 引言

張弦梁結構是由日本大學齋藤公男教授于20世紀80年代明確提出，齋藤公男教授將其明確為“用撐桿連接抗彎受壓構件和抗拉構件而形成的自平衡體系”[1]，從該定義可知，張弦梁結構是由三類基本構件組成，即“抗彎受壓構件”、“抗拉構件”和“撐桿”，

其中，“抗彎受壓構件”的形式可以是梁、拱或者桁架，“抗拉構件”的形式可以是高強鋼拉索或鋼棒。

1 張弦梁（桁架）結構的概念

關于張弦梁（桁架）結構的受力特點，可以從不同的角度去理解：其一，張弦梁（桁架）結構可以看做是在梁或桁架的體外布置拉索而成；其二，張弦梁（桁架）結構可以看做是在常規桁架的基礎上將下弦受拉桿件用高強度拉索替換而成；其三，張弦梁（桁架）結構可以看做是在索桁架的基礎上用剛性構件替換上弦拉索而成。

2 張弦梁（桁架）結構在日本的工程應用

張弦梁結構可以說是一個既古老又新穎的結構形式，該結構形式的最初應用是在橋梁結構中，如英國1859年建造的Royal Albert橋。隨著20世紀80年代齋藤公男教授明確提出張弦梁結構的概念，張弦梁結構在大跨度結構中得到了廣泛的應用，國外應用張弦梁結構的工程主要集中在日本，該時期代表性的工程有：

1、日本大學理工體育大廳[3]，其平面尺寸為85m×58m，屋蓋采用人字型張弦梁，各榀張弦梁間距5m，每榀拉索預拉力為640kN，施工采用滑移法。

2、日本五洋建設技術研究所多功能實驗樓[4]是張弦梁與膜結構結合的成功案例，該屋蓋平面尺寸為22.4m×35m，各榀張弦梁間距8.75m，各榀張弦梁之間鋪設有膜材。

3、日本京都水族館表演場[3]，在屋蓋的短方向并列布置張弦梁，同時使小立柱上的連線與游泳池的軸線一致。為了有效地釋放溫度應力，在外側設置了橡膠支座，同時，首次實現了“BSS大屋蓋的隔震化”。

4、日本浦安市綜合體育館的屋頂由兩跨張弦梁結構組成，上弦采用波浪形剛性空腹桁架，由4根核心柱支撐的游泳館的桁架考慮到頂部的采光的透明度取V字形。室內比賽場的屋頂支點處采用雙向滾軸支座。在跨度方向設置下弦拉索，在面外支點間設置預應力拉索以約束柱腳的移動。

5、日本綠色穹頂體育館的屋蓋采用輻射式張弦桁架結構，平面近似橢圓形，長軸尺寸為l67m，短軸尺寸為122m，由平行布置和由中央輻射狀布置的張弦桁架共34榀組合而成，采用桁架作為上部抗彎受拉構件，桁架桿件采用H型鋼，采用哪個鋼纜作為下部受拉構件，屋蓋跨中設置有剛性環為張弦桁架提供支撐。各榀張弦桁架之間設置水平支撐和檁條，用以提高結構的面外剛度。

6、日本琦玉縣大型體育館琦玉超級體育館的主體結構由固定看臺、移動看臺、側臺、文娛區域，以及屋蓋這五部分構成。

屋面尺寸約為130m×130m，支撐在環形承重墻和圓形塔柱上，三角形截面桁架和直線型張弦桁架構成屋蓋結構。三角桁架采用變截面，最大截面高度約為10m。屋蓋呈傾斜錐體曲面。屋面結構的張弦桁架的下部受拉構件由三根平行拉索組成，每根拉索施加10000kN的預拉力。

7、日本出云穹頂采用張弦立體拱結構，直徑為143m，高度為49m。木材是出云穹頂采用的主要建筑材料，結構中的構件布置如同“環狀的傘”，同時屋面材料采用了PTFE膜材，與日本傳統建筑風格完美地匹配，結構采用由木拱和拉桿組合而成的張弦立體拱復合型結構，環索在對稱荷載下起承載作用，剛性撐桿的設置使得結構能夠較好地抵抗非對稱荷載。

8、日本酒田市國體紀念體育館是張弦梁結構與懸臂式桁架組合應用，采用格貝式張弦梁結構，上部的梁采用幾乎水平布置的H型鋼梁，跨度為54m。該工程由日本建筑師谷口吉生與日本大學齋藤公男教授合作設計完成。

9、日本穴生穹頂位于日本的滑翔降落傘的發祥地北九州，所以其建筑外觀設計為滑翔降落傘的造型，該工程建于1994年，平面尺寸為61.8m×108m，張弦桁架作為屋蓋的主體結構形式支撐在兩邊的樹狀支撐柱上，上部結構采用鋼構件外包木材的構造方式。由于九州是臺風多發地，所以該工程采用張緊拉索和在膜屋面的谷底設置抗風索的措施來以抵抗風荷載。

10、日本靜岡埃克帕體育館與靜岡埃克帕體育場隔廣場相望，采用平緩的曲線屋蓋以實現與景觀的和諧。結構形式采用了“天秤式懸臂桁架”，通過這種桁架與張弦梁相結合，使跨度超過了90m。

11、日本掘之內城鎮體育館跨度為38m，地處日本多雪地帶，結構采用復合式張弦梁，上部的梁采用木材，施工采用地面拼裝完成后吊裝就位。

除以上介紹的工程外，還有一些張弦梁工程較為典型，如日本大學理工學部CST大廳、日本山梨學院悉尼紀念游泳館、日本大海中學體育館以及日本唐戶市場等。

3 結語

張弦梁（桁架）結構在日本得到的廣泛應用充分說明了該結構體系的優越性，隨著社會的發展和研究的深入，張弦梁（桁架）結構必將在更多的國內外大型公共建筑中得到應用。

參考文獻：

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[3] [日]齋藤公男，空間結構的發展與展望——空間結構設計的過去·現在·未來（季曉蓮，徐華譯）[M]，北京：中國建筑工業出版社，2006

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[6] [日]小堀徹.日本琦玉超級體育館的結構設計[J].建筑鋼結構進展，2008，10（3）：50～53