第一章 绪论
1.1 引言
1.1.1 研究背景
张弦梁结构是预应力钢结构的一个体系[1-5]，随着体育和文化事业的不断发展，张弦梁结构的工程应用的日益增多。目前，张弦梁结构体系已广泛用于会展中心、体育场馆、博物馆、交通枢纽站房等国家重要基础设施建设中[6-9]。我国是自然灾害频繁发生的国家之一，地震、台风、龙卷风、暴雨、暴雪及其他自然灾害等自然灾害的发生，均对当地社会造成了严重的人民生命财产损矢以及次生灾害。在历次自然灾害中，如 1976 年唐山大地震、2008 年汶川大地震、2008 年中国雪灾及 2010 年玉树大地震等自然灾害的发生，对建筑物造成巨大的破坏，甚至引起建筑结构倒塌。这些大跨度结构往往发挥着救灾指挥及灾民安置的重要作用，因此，人们对于大跨度结构的稳定性能及抗震性能的有了更高的要求。
目前，已有大量文献对单向张弦梁进行了研究，而专门针对双向张弦梁结构的相关研究还不够全面。本课题研究目的就是为更好地了解并掌握该结构的特性，将分别从静力性能、静力稳定性能及动力响应三方面进行研究，为工程应用提供参考。
1.1.2 张弦梁结构的概念张弦梁结构（Beam String Structure，简称 BSS）是由刚性压弯构件（上弦拱）、柔性拉索或钢拉杆（弦）及撑杆组合而成的杂交结构体系（图 1-1）。张弦梁结构是近 30余年发展起来的一种预应力钢结构体系，是对现有的结构形式进行组合或改进而产生的新型结构形式，即通过撑杆将刚性压弯构件上弦拱及下弦拉索连成的索杆梁(拱)自平衡体系[10]，文献[11]称之为索杆梁体系。
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1.2 国内外研究综述
文献[29-32]主要介绍国外（在日本）相关研究，但在国内对此研究时间不长，而国外的研究早于国内，但可以公开查阅的文献并不多。国内研究起步较晚且主要集中在单榀单向的张弦梁结构，对双向张弦梁结构探讨不多。目前，对单向张弦梁结构在预应力的合理取值和原则、找形方法、静力性能、稳定性能、优化设计、模型试验、施工仿真及抗震性能重要性研究等各方面取得了一系列理论成果。文献[33]中，M. Saitoh 教授采用线性分析方法分析了单向张弦梁结构，并且根据实际工程进行了缩尺试验对比。通过理论分析研究，得出了单向张弦梁的预应力施加方法及施工方法。文献[34]对张弦梁结构进行了下弦拉索预应力有效性的分析。
在我国最早研究张弦梁结构的是白正仙、刘锡良等学者。文献[17]对张弦梁结构的基本概念、结构类型、理论计算及施工方案等进行分析，为该结构的实际工程应用打下了理论基础。详细讨论了单榀张弦梁结构的高跨比、撑杆数目、垂跨比、高跨比、上弦拱的惯性矩和面积、下弦拉索的面积及预应力大小等参数改变对力学性能的影响；同时提出双向张弦梁结构这一新的结构体系，并与单榀张弦梁的进行对比，说明了该新结构体系具有更好的力学性能；对双向张弦梁结构进行试验研究，验证了其理论成果的正确性。
文献[12]研究了单双向张弦梁结构的上弦拱截面形式、索预应力、矢高及外加质量等参数改变对静力性能的影响，同时探讨了单双向张弦梁结构的自振特性及抗震性能。得出：双向张弦梁自振振型以竖向震动为主，与相应阶频率的单向张弦梁相比较大；双向结构的刚度更大，且分布均匀，结构动力反应对称，而单向张弦梁结构具有明显的方向。
文献[13]对双向张弦梁的静力性能进行分析，并与相同跨度的单向张弦梁的对比分析，同时系统的研究了张弦梁结构的抗震性能，对结构进行动力特性的分析。得出：双向张弦梁结构整体刚度表现较差，当结构跨度较大时，其周边几榀的最大挠度远远大于单向张弦梁结构；其振动以竖向振型为主，对于常遇地震下，张弦梁结构的地震响应分析不宜采用规范简化算法,而应该采用反应谱法进行计算,同时对于双向张弦梁的动力分析最好采用进行时程法的补充分析。
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第二章 双向张弦梁结构的静力性能研究
2.1 引言
目前，对单向、双向张弦梁结构的静力性能分析已取得一系列成果[12-17,35-41,69-72]。在此基础上，本章主要对不同跨度（100m、80m、60m）双向张弦梁结构的静力性能进行研究，为工程实践提供依据。具体研究内容如下：
(1) 采用自平衡索力比值法，对双向张弦梁结构的预应力确定方法进行研究，并以相关算例进行验证；
(2) 对双向张弦梁结构及其相对应的单层网壳结构进行静力性能对比分析，揭示杆件单元内力及结构变形等静力性能；
(3) 通过改变参数，探讨上弦拱的矢跨比、活载半跨布置等参数改变对双向张弦梁结构静力性能的影响。
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2.2 预应力确定方法
双向张弦梁结构作为一种预应力钢结构，根据以往的相关研究，其预应力大小的合理取值，是该结构设计与分析的前提条件。文献[13]指出双向张弦梁结构预应力的施加对结构整体刚度影响不大，但对上弦拱内力影响明显。文献[14]指出预应力的变化对上弦拱的弯矩产生较大的影响，而对于预应力取值采用的方法及准则与单向张弦梁一样，即从初始态到荷载态的变化过程使上弦拱最大弯矩值最小时预应力是合理的。文献[41]指出将试算与迭代法相结合，经过一次次迭代后，使各榀的跨中节点位移大致接近零为控制目标，从而确定预应力大小。文献[60]提出以结构在荷载态时上弦拱最大弯矩值最小来调整。总之，双向张弦梁结构中预应力大小取值受多种因素影响，因此在工程设计中应具体结构具体分析。
2.2.1 预应力引入方法及步骤
根据双向张弦梁结构的的力学性能特点，确定预应力的大小是首要解决的问题。本文根据文献[57]的自平衡索力比值法的原理，采用初应变法进行拉索预应力的模拟，以控制结构在自重、附加恒载及预应力共同作用下滑动铰支座点水平位移大致接近零作为双向张弦梁预应力的取值原则。具体步骤如下：
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第三章 双向张弦梁结构的静力稳定性分析 ......................... 34
3.1 引言 ........................................ 34
3.2 分析方法 ............................................. 34
第四章 双向张弦梁结构的动力响应分析 ................................... 54
4.1 引言 ...................................... 54
4.2 分析原理 ............................................ 54
4.3 动力特性分析 ........................... 54
第四章 双向张弦梁结构的动力响应分析
4.1 引言
现行规范对大跨度空间结构的抗震设计的规定较少，尤其是双向张弦梁结构，大量文献[13,15,58-59] 已对双向张弦梁的动力响应进行了相关研究，但还不够全面。因此，在此基础上，本章对双向张弦梁结构在地震作用下的动力响应进一步分析，为类似工程提供参考。具体研究内容如下：
(1) 对双向张弦梁结构进行动力特性分析，作为动力响应的分析基础；
(2) 对双向张弦梁结构进行地震作用下的动力响应分析，研究不同地震波引入方式的差异，为类似工程设计提供依据；
(3) 探讨上弦拱的矢跨比、初始几何缺陷及地震强度调幅比等参数改变对地震作用下结构动力响应的影响。
目前，结构的抗震研究方法[86-89]主要有三种：反应谱法、时程分析法及随机振动法。本文主要采用时程分析法对双向张弦梁结构在地震作用下的动力响应进行分析，对于反应谱法及随机振动法相关原理，在此不详细论述。
时程分析法则需选择一定的地震波加速度或位移记录并输入到结构中去，然后对结构的运动平衡方程逐步积分求解的分析方法[90-93]。能够全面地反映地震动强度、频谱与持时三个要素，同时在分析过程中能够充分考虑几何非线性和材料非线性的因素。能够获得结构在地震持时、位移、内力、强度和刚度等多种参数的变化过程，更有利于准确判别结构破坏机理。
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结论与展望
结论
本文以双向张弦梁结构为研究对象，采用 ANSYS 有限元软件,对其静力性能、静力稳定性及在地震作用下的动力响应等问题进行研究，主要结论如下：
(1) 采用自平衡索力比值法，以结构在自重、附加恒载及预应力共同作用下滑动铰支座水平位移接近零作为双向张弦梁结构预应力的取值原则，基于ANSYS自带的APDL语言编制了相应程序，以算例进行验证，并将计算结果与 3D3S 软件和 Midas Gen 软件进行对比。结果表明：自平衡索力比值法计算精度高，求解过程易于实现，适用于双向张弦梁结构的拉索预应力确定。
(2) 与相应的单层网壳相比，由于下部索杆体系的引入，双向张弦梁结构可有效减少结构变形和上弦拱的轴力及弯矩峰值，增大了结构刚度，改善了整个结构受力性能；当结构的高跨比不变时，在结构高跨比不变时，随着上弦拱矢跨比的增大，节点竖向位移及单元内力相差均不显著；活载半跨布置对结构的节点竖向位移更为不利。因此，工程实践中，考虑到上弦拱的矢跨比越小，水平推力越大，同时兼顾屋面排水的要求，上弦拱的矢跨比取 0.06 较为合理，并考虑活载半跨布置的影响。
(3) 相比于随机缺陷模态法和修正的特征缺陷模态法，基于非线性屈曲模态的一致缺陷模态法计算效率高，且计算结果比修正的特征缺陷模态法更不利。工程实践中，对于类似结构的稳定性分析，建议采用一致缺陷模态法引入结构整体的初始几何缺陷。
(4) 与相应的单层网壳相比，由于下部索杆体系的引入，双向张弦梁结构的稳定承载力系数大幅提高，从而显著改善了结构的稳定性能。当结构的高跨比确定时，双向张弦梁结构上弦拱不同矢跨比分析得到的稳定承载力系数相差不大；活载的全跨布置对双向张弦梁结构的稳定承载力系数更为不利；整体的初始几何缺陷最大值对该结构的稳定承载力有较显著的影响。考虑到此二者对结构稳定性能的影响程度，并兼顾其他因素，工程实践中，双向张弦梁上弦拱的矢跨比取 0.06、结构整体的初始几何缺陷最大值取跨度的 1/300 较为合理，对于该类结构的稳定性分析，可不考虑活载半跨布置的影响。
参考文献（略）