某酒店玻璃采光顶张弦结构设计
张弦梁结构是由上弦刚性梁（桁架）、 撑杆以及下弦柔性索组成的自平衡体系[ 2 ] ，其合理的将各种构件特性（抗拉、 抗压、 抗压弯）组合在一起，充分发挥了各自的材料力学性能，因而整个体系具有许多良好的受力性能，在中小跨度中，结构构件可以做得比较纤细，能更好的满足玻璃采光顶的建筑要求。
1 工程概况
珠海十字门商务中心喜来登酒店玻璃采光顶位于主楼与裙房之间中庭位置，结构采用单层空间网格+张 弦梁钢结构体系，结构网格采用水平和斜交形式，每个网格形状为平行四边形，水平网格间距为1.5m，每隔三个网格间距设置一个支撑点，整个结构外形为网状盒子形状。由于屋面跨度比较大，而且建筑要求杆件截面尽量小，因此屋面部分结构采用张弦梁，每隔4.5m设置一榀张弦梁，总共15榀，张弦梁结构跨度约从12.9m~ 29.6m 变化，矢高约从1.35m ~ 2.55m 变化，结构顶标高最高约23.500m高，屋面最大投影尺寸约为29.6mx 90.14m ( 最长位置尺寸) ，平面呈叶片形状。采光顶整体结构支座连接形式分为两种：一部分采用固接，与裙房屋面和地面连接；另一部分柱与主塔楼连接，采用滑动支座连接，仅传递竖向荷载，不传递水平力。由于建筑使用功能要求，在结构的东侧开了一个很大的门洞，结构平面及三维轴侧图如下图1和图2 ：
2 荷载取值及工况组合
2.1荷 载取值：
（1）附加恒载：
2屋面及立面玻璃自重：1.0KN/m2 ，天花吊顶：21.0KN/m2，局部吊挂：2KN/点 （共28个点）；
（2）活荷载：0.5kN/m2（不上人屋面）；
（3）风荷载：
基本风压：W0=0.85kN/m2（50年一遇），体型系数按规范[3]取值如下：
抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度：7度，设计基本地震加速度值为0.10g ，特征周期为0.4s ，设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅱ类场地，阻尼比为0.02。
2 . 2工况组合：
（1）验算强度及稳定时按承载能力极限状态组合：
1、1.2恒 载+1.4活 载；
2、1.35恒 载+1.4 x 0.7活载；
3、1.2恒 载+1.4活载+1.4x0.6风荷载；
4、1.0恒 载+1.4风荷载；
5、1.2（恒载+0.5活载）+1.3x水平地震；
6、1.2（恒载+0.5活载）+11.3x竖向地震；
7、1.2（恒载+0.5活载）+1.3x水平地震+0.5x竖向地震；
8、1.2（恒载+0.5活载）+1.3x竖向地震+0.5x水平地震。
（2）验算挠度按正常使用极限状态组合：
9、1.0恒载+1.0活载；
10、1.0恒载+1.0风荷载W1；
11、1.0恒载+1.0风 荷载W2；
预应力作为恒载的一部分已考虑到上述各组合中。
3 结构整体计算分析及结果
3 . 1初始预应力的取值及计算设置：
张弦结构中，索预应力合理的取值是充分发挥其作用、 保证张弦结构得以成立并有效工作的前提。预应力大小会导致索在风吸力和地震时出现松弛、 支座水平力过大并向外滑移超出支座设计范围及结构整体稳定性太差；预应力过大则会导致风吸时结构反拱过大、支座内滑超限、上弦梁端部与索连接处的杆件内力过大导致节点构造复杂施工困难等。因此本工程索的初识预应力确定原则如下：（1）在最不利荷载组合下，索的轴
力应小于破断荷载的30%；（2）在结构自重和预拉力作用下张弦梁跨中的产生的反向位移能够抵消附加恒载作用下张弦梁跨中竖向位移的70%；（3）在有风吸力工况组合小，索始终保持受拉状态。经过反复计算比较分析后，15榀张弦梁初始预拉力（T）取值如下（单位kN）：
本工程采用Sap2000有限元计算软件对结构进行整体分析，计算设置如下：
（1）索模拟采用梁单元模拟
定义索截面时修正围绕2轴 、 3轴 的惯性矩，将其赋予一个较小值，即对框架单元的抗弯刚度进行折减；
（2）在预应力荷载工况定义完毕后要在分析工况中将预应力工况修改为静力非线性工况，并打开大变形选项，并将自重工况的初始刚度定义为来自预应力工况，并修改为静力非线性工况。由于本工程跨度及初始预应力较小，对于其它工况则进行线性分析，但初始刚度定义还是为来自自重工况。
（3）初始预应力通过初始应变法施加到结构上3.2计算结果：
（1）各榀张弦梁在组合工况9、10及11的变形（单位mm）：
东侧立面结构在风荷载下变形图：（最大水平位移约61/-51mm）
(2) 张弦梁构件包络轴力表（单位kN）：
(3) 张弦梁构件截面验算结果：
屋面张弦梁上弦杆截面采用400x200x18x20的箱形截面，其它次梁采用200x100x10x10的箱形截面，材质均为Q345B，张弦梁ZXL1~ZXL3和ZXL11~ZXL15拉索截面为φ5x61(φ45)，张弦梁ZXL4~ZXL10拉索截面为φ5x85(φ 50.8) ，拉索采用采用高强度低松弛2热浸镀锌钢丝束索体，镀锌量300g/m，外包两层2白色PE防护层，索弹性模量E=200000N/mm，线膨胀系数为1.84x105，抗拉强度标准值为1670MPa，抗拉强度设计值为930MPa。
根据计算结果，张弦梁上弦杆最大应力比为0.445，其它杆件最大为0.828 ；φ5x85的索最大破断力为200 0kN ，按规范要求索抗立分项系数取2.0 ，则索应力比为843/（2000/2=0.843，φ5x85索最大破断力为2782k N，则索应力比为1121/（2782/2）= 0.806 ，均满足规范要求。
(4) 抗震分析采用振型分解反应谱法考虑竖向地震作用，计算表明地震作用与其它荷载作用效应组合不起控制作用，计算所得结构前三阶振型如下：
(5) 结构屈曲分析：
1、 首先对结构进行特征值屈曲分析
通过线性特征值屈曲分析，可以得到理论上的屈曲稳定特征值系数和屈曲模态。屈曲稳定系数如下表1，第一阶屈曲模态见图3，由分析结构表明结构首先出现失稳表现为屋面结构弯曲失稳。
2、 非线性屈曲分析结果：
采用ANSYS进行非线性屈曲分析，根据规范
[4]要求，以跨度的1/300作为该结构的最大缺陷值，考虑结构几何非线性的影响，材料本构关系采用理想弹塑性模型，对应荷载工况1.0恒+1.0活得到结构的荷载位移曲线，计算结过得到的失稳时的临界荷载约为实际荷载的5.5倍左右，大于规范[4]要求，说明结构整体性良好。
4 主要节点设计
4.1支座及节点：
本工程支座主要有两种连接形式：第一种为与地面和裙房屋顶的固定连接支座具体详见图4 ；第二种为与主塔楼连接的水平滑动支座，具体详见图5此 支座主要考虑屋面张弦梁结构的预应力自平衡和减少主塔楼在水平地震力作用下对采光顶的影响。
4.2撑杆与上弦杆、拉索连接节点：
张弦梁结构下弦拉索与撑杆之间必须固定，其节点构造应保证将索夹紧，不能滑动。本工程采用由2个实心半球组成的索球节点来扣紧下弦拉索，如图6所 示。下弦索平面外没有支撑，因此撑杆与上弦构件的节点通常设计为平面内可以转动，平面外限制转动的节点构造形式[5] ，详见图7所示。
5 结束语
（1）张弦梁结构一般跨度较大
屋面自重轻，在风吸力较大的情况下可能导致下部预应力索拉力丧失，结构是失稳，设计时尤其要注意，必要时须加大结构自重或增加反向稳定索。
（2）确定索的初始预应力时
既要考虑结构荷载状态下张弦梁的安全，又要考虑结构初始态的稳定。
（3）为保证撑杆与上弦杆和下部索为理想铰接
上部采用销钉式连接铰，下部采用索球铰。
考虑到撑杆在张弦梁外必须具有刚度，因此上部铰仅为面内铰，面外须具有一定刚度。