研究报告：基于双向梁索结构的实验研究

第一部分：研究的主要作者和发表信息

本文由以下作者共同完成：Seunghye Lee、Minhee Seo、Ki-Youl Baek、Jinwoo Jeong、Sun-Myung Kim 和 Jaehong Lee（通讯作者）。他们分别隶属于Sejong University、POSCO E&C、COSPI Co. Ltd.以及Hankook Tire Co. Ltd.。该研究发表在期刊 Engineering Structures 上，文章编号为 0141-0296，并于2019年5月3日在线发布，其DOI为https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2019.04.033。

第二部分：研究背景与研究目标

本研究致力于大跨度空间结构领域，尤其关注于梁索（beam string）结构的改进与实验验证。梁索结构是一种混合张力结构（hybrid tension structure），最早在1984年提出，并广泛用于体育场馆、机场航站楼及公共建筑屋顶等大跨度空间应用中。传统梁索结构虽具有质量轻、柔性高的特点，但在面对双向（bi-directional）荷载，尤其是负压（negative pressure）引起的吸力时，其抗性存在不足。过去30年间，这一领域的研究主要集中于单索梁索结构及无支柱的梁索耦合系统。而本研究开发了一种新型双向梁索结构（two-way beam string structure），旨在解决传统结构在双向荷载下的结构稳定性问题。研究目标包括以下几点：

1. 开发能够应对正负荷载的新型梁索体系；
2. 通过实验与有限元模拟评估其结构性能；
3. 验证高强度预应力钢索在新系统中的有效性。

第三部分：研究流程与实验方法

实验总体流程

研究包括开发新型双向梁索结构、样本的几何设计与制造、实验测试及有限元模拟四部分。

新型双向梁索结构设计

新设计的双向梁索结构由以下主要部件组成： 1. 主梁（main beam）：钢制，负责承载结构整体荷载。 2. 支撑杆（struts）：设置于主梁下方以连接钢索，通过压缩增强结构刚性。 3. 两种类型的钢索：具有“下垂形状（sagging shape）”的钢索和“拱形（arch-shaped）”的钢索。下垂钢索在结构受正压力时提供张力以增强梁的刚度，而拱形钢索则在负压（例如吸风）时承担抗压功能。

试样制造

两种实验用试样分别被编号为TBS-1860和TBS-2200，使用不同强度的预应力钢索制造： - TBS-1860：采用SWPC7B预应力钢索（抗拉强度1860MPa，标准：JIS G 3502）。 - TBS-2200：采用UHSP钢索（抗拉强度2200MPa，标准：UHSP Steel Guidelines）。

两种试样均采用韩国标准（KS）和日本工业标准（JIS）设计，主梁长度为4000毫米，采用H型剖面。支撑杆与钢索的预张拉力（pre-tension force）值经过精密校准设置。

实验设置与加载方式

实验采用两点弯曲加载测试，加载设备为液压加载器（最大压缩能力200吨）。在测试中： 1. 通过线性位移传感器（LVDT）监测梁的变形。 2. 应变片（strain gauges）记录梁与支撑杆的应变值。 3. 设置循环位移加载模式，分为正向压力和负向荷载两种情况。

有限元模拟（FE Simulation）

研究使用Abaqus软件进行了有限元分析，构建了对称的半模型（27,441个单元，25,158个节点）。钢材采用壳单元（shell element）进行建模，接触区域采用刚体板建模以模拟滑移和张力。模型中的预应力按照实验标定值进行设置。

第四部分：实验结果与数据分析

1. 荷载-位移响应（Load-Displacement Response）

两种试样的荷载-位移曲线显示其刚度明显优于传统梁： - TBS-1860在正压力下的最大载荷达到522.26 kN，负压力载荷为337.19 kN。 - TBS-2200相应峰值为516.22 kN（正压）和289.52 kN（负压）。 曲线显示，双向梁索结构在正向荷载下刚度提高了三倍；在负向荷载下刚度提高了两倍。

2. 钢索张力与断裂特性（Cable Force and Failure Behavior）

• 在正压力下，下垂钢索的张力随着荷载增加而提高；在负压力下，拱形钢索开始发挥主导作用。
• 两试样在循环位移接近100mm时，钢索部分断裂，试验至此终止。

3. 失败模式分析（Failure Mode Analysis）

局部屈曲（local buckling）是试样的主要失效模式，最初在梁与加载点附近的顶翼板发生，然后扩展至整个梁体。在跨越大位移区间（±60mm）后，钢索出现疲劳断裂。

4. 有限元结果验证

有限元模拟与实验数据对比显示，荷载-位移曲线的趋势完全吻合，验证了测试数据的准确性与建模假定的合理性。

第五部分：结论与意义

本研究证实，新型双向梁索结构在正负荷载下均具有优异的结构稳定性： 1. 实验表明，双向梁索系统显著提高了结构刚性和抗荷载能力。 2. 结构优化设计（如钢索的预应力设置、材料优化）对控制结构形变具有重要意义。 3. 研究提出了10%-15%的钢索预张拉力区间，为该类型结构的设计提供了工程参考。

第六部分：研究亮点

1. 提出了新型的双向梁索结构设计，创新性结合了下垂和拱形钢索。
2. 实验验证了高强度钢索在改进结构性能的有效性。
3. 将数值分析与实验验证相结合，确保研究结果的可靠性。

第七部分：潜在工程价值

该研究为大跨度空间结构，尤其是需要应对复杂双向荷载的屋顶设计，提供了设计基础和数据支持。未来，该结构有望被应用于体育场馆、机场航站楼及轻质公共建筑项目中。同时，研究为预应力张力设计方法提供了理论依据，将进一步推动混合张力结构的发展与应用。