张弦梁结构的历史、现在和未来一、简介 张弦梁也称弦支梁，属于张弦结构的一种。张弦梁结构是一种由刚性构件上弦、柔性拉索、中间连以撑杆形成的混合结构体系，其结构组成是一种新型自平衡体系，是一种大跨度预应力空间结构体系，也是混合结构体系发展中的一个比较成功的创造。其拉索的作用主要是通过刚性撑杆给刚性梁提供弹性支撑，减小梁跨度，减少刚性梁的弯矩峰值，进而起到增加刚度，减小挠度的作用。作为一种刚柔杂交结构，张弦梁结构体系简单、受力明确、结构形式多样、充分发挥了刚柔两种材料的优势，并且制造、运输、施工简捷方便，因此具有良好的应用前景。其结构如图所示。
张弦梁结构作为最早出现的一种张弦结构有着很长的一段历史。早在1839年，德国建筑师Georg Ludwig Friedrich Laves发明了一种预应力梁“Laves beam”，他把梁分成上层和下层两部分，两者之间仅用立柱连接，通过这种方式梁的强度可以显著提高，并用于Herrenhausen花园的温室中，这是目前查到的最早张弦梁的雏形。Paxton利用这种预应力梁概念，再建于1851年的伦敦万国博览会的水晶宫结构的衍架之间采用了张弦梁结构檩条。建于1876年费城博览会展馆的国际展厅屋盖同样采用了张弦梁结构。
张弦梁
1851年伦敦万国博览会屋盖檩条的张弦梁结构 1876年费城博览会展馆的国际展厅
近代明确提出张弦梁结构概念的是日本大学的斋藤公男（Masao Saito）教授，他在1979年Madrid召开的IASS年会上，提出了张弦梁（beam string structure）结构形式，并研究了其基本受力特性和分析计算原理。1998年，天津大学刘锡良教授首先在国内对张弦梁结构展开了系统深入的研究，当时由于直接取其日语“张弦梁”定义，故“张弦梁”的名称沿用至今。 二、张弦梁特点和典型工程应用
几种计算模型的分析比较：
为了明确张弦梁结构的受力机理和受力特点以图4的3个计算模型说明张弦梁结构中拉索和撑杆的作用，图中各模型的边界条件均为一端固定铰支座，另一
端水平滑动铰支座，构件截面见表1。
分别对3个模型施加沿跨度方向15kN/m 的均布线荷载，将拱梁（曲梁）离散为20个相等的直梁元，其上的线荷载等效为节点荷载，分10个相等的荷载增量步，其计算结果的比较见表2。
通过模型 1、2的比较可明显看出拉索的作用，其存在很大程度上限制了拱梁的水平位移，模型2的拱梁跨中挠度和滑动支座水平位移相对较小；模型1曲梁轴力很小但弯矩很大，截面应力分布很不均匀；模型2拱梁轴力远大于模型1，但跨中弯矩和剪力均较小。
通过模型2、3的比较可清楚了解撑杆的作用，模型3中拉索水平倾角不大，故撑杆轴力相对于拱梁轴力来说很小，但对拱梁受力性能的改善却十分显著，使得拱梁跨中挠度、滑动支座水平位移、拱梁跨中弯矩和剪力均比模型2大为减小，拱梁轴力也得到一定改善，因此受力性能更合理，可见撑杆在张弦梁结构中起着十分重要的作用。
在结构受力前对拉索施加一定的预拉力（本文为100kN/m），则撑杆将为拱梁提供更大的向上支撑力，拉索也将在更大程度上限制滑动支座的水平位移， 有效增大结构刚度，减小拱梁弯矩，从而进一步改善结构的受力性能。 张弦梁结构具有如下特点：
（1）张轩结构在保证充分发挥索的抗拉性能的同时，由于引进了具有抗压和抗弯能力的梁而使体系的刚度和稳定性大为增强。
（2）梁与张紧的索构成的受力体系，实际上不存在整体失稳的可能性，因而其强度可以得到充分利用，而不似单独工作的梁那样需要有特别大的截面。所以，柔性索与刚性梁的结合不仅充分发挥了各自的优点，而且相互限制了彼此的弱点，相得益彰。
（3）对张弦梁结构中的索施加一定的预拉力，这既可使索具有适当的初始绷紧度，也可对索与梁之间的受力比例进行必要的调整；既充分发挥了索的抗拉能力，又调整了梁的内力分布（使梁中的内力分布趋于均匀）。
（4）张弦梁结构与预应力双索体系（由承重索、相反曲率的稳定索即两者之间的联系杆共同组成的平面预应力体系）比较，张弦梁结构所需的预拉力要小得多，因而使支撑结构的受力大为减小。如果在施工过程中适当分级施加预拉力和分级加载，将有可能使张弦结构施于支撑结构的作用力减到最小限度。 对张弦梁结构的受力特点从不同的角度可理解为：
（1）理解一：张弦梁结构是在双层悬索体系中的索梁基础上，将上弦索替换成刚性构件而产生的。这样处理的好处是上弦刚性构件可以承受弯矩和压力，一方面可以提高梁的刚度，另一方面结构中构件内力可以在其内部平衡（自平衡体系），而不再需要支撑系统的反力来维持。
（2）理解二：张弦梁结构是用拉索替换常规梁的受拉下弦而形成的结构体系，这种替换的有点事不仅梁的下弦拉力可以由高强度拉索来承担，更为重要的是可以通过张拉拉索在结构中产生预应力，从而达到改善结构受力性能的目的。 （3）理解三：张弦梁结构是体外布索的预应力梁，通过预应力来改善结构的受力性能。
张弦梁结构的工程应用： （1）国外工程应用：
张弦梁结构可以说是一个既古老又新颖的结构形式，该结构形式的最初应用是在桥梁结构中，如英国1859年建造的Royal Albert桥。随着20世纪80年代斋藤公男教授明确提出张弦梁结构的概念，张弦梁结构在大跨度结构中得到了广泛 