专家解读 | 长沙理工大学蒋友宝教授、周浩讲师为您解读交叉撑杆和抗滑移下弦索段的张弦梁结构抗连续倒塌动力试验研究

结构连续倒塌是指结构因某些构件失效导致的局部破坏不断发展，从而造成与初始破坏不成比例的整体结构倒塌。因此，建筑结构不仅要能承受正常荷载，更需具备抵抗意外荷载的抗连续倒塌能力。

张弦梁结构由上弦压弯构件、下弦拉索和中间撑杆构成自平衡体系，虽能充分发挥高强材料的力学性能，但存在显著的关键构件依赖性：下弦拉索是主要受拉构件，一旦在极端荷载下突发断裂，结构原有传力路径被切断，会快速退化为受力薄弱的简支梁体系。而传统张弦梁的上弦梁为追求轻量化，跨高比通常远大于薄壁钢梁的临界值，无法独立承担荷载，叠加断索的瞬时动力效应，极易引发级联失效，最终导致大面积连续倒塌。

现有研究虽通过双索布置、增设备用索等方式尝试提升抗倒塌性能，但仍存在抗弯效率低、现场施工复杂、抗倒塌效果受支座刚度影响等问题。因此，研发一种无需大幅改变原有结构形式、能有效重构断索后传力路径的新型张弦梁结构，成为解决其抗连续倒塌问题的关键需求。

为增加备用荷载路径以克服传统张弦梁结构抗连续倒塌性能弱的不足，本文中提出了一种基于交叉撑杆和下弦索段抗滑移连接的张弦梁结构，如图1所示。在不改变原结构高度与上弦刚性构件截面形式的前提下，通过构型优化实现了抗连续倒塌性能的大幅提升，核心设计思路如下：1）将原竖直撑杆优化为交叉撑杆构型，为断索后的不平衡力提供备用传力路径；2）设置抗滑移索夹，断索时可阻止剩余拉索回缩，并将索力有效传递给下斜撑杆，避免索力失效后传力路径中断；3）交叉撑杆内部采用焊接空心球连接，撑杆与上弦、索夹采用销接铰接，工厂预制后现场拼装即可，大幅减少现场焊接工作量，兼顾施工便捷性。

该构型的核心优势在于拉索失效后利用上弦梁与交叉撑杆协同受力形成的“桁架效应”，将局部不平衡力传递至两侧支座，提升结构冗余度，为张弦梁结构抗倒塌设计提供新范式。

该张弦梁结构抗连续倒塌动力试验的核心难点在于模拟拉索瞬时破断、保证索夹抗滑移可靠性、精准采集动态倒塌过程中的结构响应，针对这些问题开展了技术攻关，构建了张弦梁结构模型连续倒塌动力试验系统。

1）研发电磁-杠杆式拉索初始破断触发装置（图2）。拉索破断的瞬时性和无额外能量输入是模拟真实断索场景的关键，结合电磁及杠杆原理，研发了专用拉索破断触发装置。将待失效拉索切断后通过夹片式锚具与剪刀夹连接，电磁铁通电时通过杠杆原理使剪刀夹咬合锚具，保证拉索正常传力；断电后电磁铁吸力消失，剪刀夹在重力和预压弹簧作用下瞬间张开，释放锚具实现拉索失效。该装置对构件受力无干扰、破断瞬时性好，拆除构件时间仅0.015 s，可远距离操作保证试验安全。

2）优化抗滑移索夹设计。索夹能否有效锁住剩余拉索并传递索力，是新型结构发挥抗倒塌性能的前提。本研究依据JTG/T D65-05—2015《公路悬索桥设计规范》及已有文献数据^[1-2]，充分考虑高强螺栓预紧力损失，采用修正的索夹抗滑摩阻力计算公式，对索夹进行了抗滑移设计。在设计工况和极限工况下，索夹均未发生滑移，成功将索力传递至下斜撑杆。

3）构建高频动态响应采集测试系统。设置应变（对应200 Hz）、位移（对应500 Hz）、索力（对应10 Hz）三类测点，搭配侧向支撑、滑动+固定支座的试验装置，精准捕捉结构在倒塌过程中的高频响应与大变形。

试验中选取某体育馆预应力张弦梁屋盖为原型，按 1:10 缩尺设计模型，模型结构几何参数见图3。加载方式采用上弦节点吊挂吊篮加砝码，模拟均布荷载作用，如图4所示。基于构件拆除法，移除跨中拉索LC4后产生的不平衡力最大，因此将其作为初始失效构件。

倒塌试验时，首先进行设计工况（1.0G_k+0.5Q_k）下的连续倒塌试验，以明确张弦梁结构在设计工况下的抗连续倒塌性能；然后，对结构卸载并重新张拉，第二次试验时增加荷载（受堆载空间限制，实际施加荷载值约为3.8×（1.0G_k+ 0.5Q_k），确保此工况下结构能够发生连续倒塌，以探究其倒塌机理。

4.1 设计工况下结构变形与受力机制

在设计工况（1.0G_k+ 0.5Q_k）下，跨中拉索失效后，结构竖向位移迅速增大并在0.5 s后趋于稳定，上弦跨中最大位移63 mm（约为跨度的1/100），成功重新获得稳定构型（图5、6）。

该工况下，核心受力机制为失效区域的桁架效应（图7）：失效区域的上弦梁与交叉撑杆快速协同受力，形成桁架体系，为不平衡力重构了有效传力路径；不平衡力通过下弦节点传递至下斜撑杆，再经上斜撑杆传递至上弦梁，最终传至两侧支座。此时，下斜撑杆成为抗倒塌关键构件，受力瞬时增大，承担了主要的不平衡力；而结构左、右半跨未损坏区域的构件均保持弹性，破坏未向周边扩展，验证了该结构在设计荷载下优异的抗连续倒塌能力。

4.2 极限工况下结构变形与受力机制

极限荷载下，拉索失效后结构虽初期形成桁架效应，但因不平衡力过大，最终发生连续倒塌，上弦跨中最大位移达759 mm（图8）。极限工况下结构内力重分布分三阶段（图9）：阶段Ⅰ（0.015 s 起），拉索失效后桁架效应生效，索夹转动，相邻下斜撑杆 LS5、LS8轴压力突增；阶段Ⅱ（0.140 s 起），相邻下斜撑杆 LS5、LS8 发生压弯失稳，随后下斜撑杆LS7被拉断，失效区域的桁架效应失效；阶段Ⅲ（0.270 s起），此时部分吊篮触地卸载，撑杆受挤压失稳，上弦梁失效，控制截面发生迁移，在上弦梁与上斜撑杆连接节点UJ5处形成新的塑性铰，结构整体丧失承载能力并倒塌（0.540 s）。

对于极限工况，初始靠交叉撑杆形成备用传力路径，下斜撑杆拉断后冗余机制失效，结构退化为局部带腹杆和下弦杆的梁压弯机制，最终上弦梁压弯屈曲形成塑性铰，结构倒塌，见图10。

4.3 结构连续倒塌失效模式

综合文献[3]以及本文试验结果，对于交叉撑杆构型张弦梁结构抗连续倒塌失效模式，可归纳为撑杆失稳、关键构件断裂、整体倒塌的三阶段渐进失效模式：1）撑杆失稳阶段：跨中拉索破断后，相邻下斜撑杆压弯失稳，剩余下斜撑杆进入塑性，上弦梁跨中形成塑性铰；2）关键构件断裂阶段：下斜撑杆被拉断，桁架效应失效，上弦梁节点处形成新塑性铰，结构整体刚度显著下降；3）整体倒塌阶段：节点塑性铰引发局部屈曲，破坏持续扩展，结构完全丧失承载能力(图11)。

5.1 结论

1）研发的拉索初始破坏触发装置，可以有效模拟高应力下的索体失效；所设计的抗滑移索夹在各工况下均未发生滑移。

2）设计工况下，当中间索瞬时失效后，由于失效区域的上弦和交叉撑杆形成的桁架效应可以为不平衡力重构传力路径，张弦梁结构可重新获得稳定构型。

3）极限工况下，随着下斜撑杆被拉断，失效区域桁架效应失效，上弦梁由跨中塑性铰发展为上弦梁与上斜撑杆连接节点处出现塑性铰而破坏，致使结构发生连续倒塌。

5.2 展望

1）完善参数研究与设计方法。考虑断索位置、节点刚度、拉索初始预应力等更多参数的影响，进一步探究结构的抗连续倒塌性能及失效机理，系统建立对应的工程设计方法。

2）开展多目标设计优化。新型结构在非对称荷载下的承载力较传统结构大幅提升，后续可综合考虑结构承载、抗连续倒塌性能及用钢量等因素，提出多目标设计优化方法，兼顾性能与经济性。

3）探究抗风性能与受力机理。交叉撑杆与上弦梁形成的桁架效应增大了结构刚度，或可有效提升结构的抗负风压能力，无需额外配重或增设抗风索，后续可深入研究其抗风性能，进一步简化工程施工工序。

参考文献

[1] LUO Bin, RUAN Yangjie, LI Jinfei, et al. Numerical and experimental study on anti-slipping performance of cable clamp for two-way orthogonal full locked coil cables [J[. International Journal of Steel Structures, 2020, 20（3）:788-807.

[2] 张晨辉. 建筑索结构关键节点设计与构造研究[D].南京：东南大学，2018.

[3]蒋友宝，陈奕琳，张梦华，等. 下弦与撑杆改进构型张弦梁结构抗连续倒塌动力试验研究［J］. 建筑结构学报，2023，44（4）：178-187.