张弦梁是一种刚柔混合结构，由刚性上弦杆（Beam）和高强度张拉索/杆（String）组成，通过多根支撑杆（Struts）连接，利用形状抗力和预张力抵抗外荷载，是一种高效的大跨度空间结构体系。
张弦梁的演化
张弦梁结构的原理可以追溯到19世纪初的铸铁桥，以及后来出现的张拉拱、王柱桁架、自锚式悬索桥等。
张弦梁结构的演变
关于张弦梁的演化，有多种理论。一种是加设撑杆的“加法”式系杆拱演化。对于系杆拱，拱的侧向推力由拉杆来平衡。但当拱的单层高度较低时，拱被压缩，弦杆被拉长，导致结构的单层高度不断减小，拱可能突然变形、断裂。如果在拱与弦杆之间加设撑杆，结构的单层高度几乎不变，承载力大大提高。
从系杆拱到张弦梁的演变
另一种说法是，鱼腹桁架是没有斜撑的鱼腹桁架的“减法”演变。下图是1859年建成的皇家阿尔伯特桥，采用的是铁制鱼腹桁架，每根桁架跨度138.7米。
皇家阿尔伯特桥
鱼腹式桁架可以看作是拱（重型圆管）和索（铁链）的组合，它们相互抵消水平力，形成自平衡结构。如果将鱼腹式桁架的斜腹板拆除，它与常见的张弦梁形式非常相似。
注：为纪念工程师布鲁内尔，
鱼腹桁架又称布鲁内尔桁架。
1972年钢结构梁高跨比，桥梁工程大师林同彦先生设计了一座举世瞩目的倒置悬索桥——哥斯达黎加科罗拉多大桥，主跨108m。
里约科罗拉多大桥，1972，林同彦
里约科罗拉多大桥立面图
整座桥梁的竖向荷载均由预应力缆索承担，桥面梁板结构既用于通行，又作为受压构件，平衡缆索的水平力，还充分利用了混凝土的抗压能力，一举两得。
湖南淘金桥，1989，吴奇英
1979年国际薄壳与空间结构协会（IASS）年会上，日本大学斋藤正男教授明确提出了张弦梁结构（BSS）的结构概念，并研究了其基本受力特性和分析方法，从此张弦梁开始在建筑结构领域得到应用。
酒田市纪念体育馆，1991 年，Kimio Saito + 结构设计
1998年，天津大学刘希良教授在国内首次对张贤良进行研究，当时采用的是日文“张贤良”的直译名，沿用至今。
张弦梁结构体系简单、受力明确、形式多样，充分利用了刚、柔性材料的优点，具有广泛的工程应用前景。
张弦梁的特点
1.自平衡轴向力结构
拱、穹顶等轴向力结构虽然效率较高，但支座的水平推力过大，往往成为结构设计的难点。相比之下，BSS结构具有自平衡性，减少了下部结构和基础的荷载。
2. 利用预应力控制内力
与系杆拱、鱼腹桁架相比，BSS结构最大的特点是利用施加预应力来控制上弦受弯构件的弯矩分配，减少构件截面。
最佳预应力是多少？这与 BSS 的形状、跨度比和预应力的偏心率等因素有关。在以下示例中，BSS 的梁构件取为桁架（高跨比 1/60），弦杆的跨度比约为 1/10。
梁的弯矩由三部分组成：单独弯曲时的弯矩、预应力引入弦杆后产生的反向弯矩、预应力轴力偏心引起的弯矩。下图中，桁架的弯矩用上、下弦杆的轴力来表示。
1.2. BSS内力控制
根据梁（桁架）正负弯矩M相等的原则，最佳预应力值约等于1.02WL（1.02倍均布荷载×跨度）。此时桁架弦杆的轴力仅相当于单根荷载的19%。注：参考文献1中另一双坡桁架梁计算算例中，最佳预应力值约等于1.20WL。
一般在方案阶段，也可按照F=qL2/8f估算预应力（与上述分析结果类似）。其中，q为结构自重，即预应力值大致抵消结构自重产生的弯矩。考虑到索在张拉时会产生伸长，在受到动荷载时会产生明显的变幅应力，为保证索的抗疲劳性能，索的工作应力一般控制在200~250MPa。
3. 利用预应力控制变形
梁柱通过张拉弦杆施加预应力，可以消除重力荷载引起的挠度，不会产生拱起。与其他柔性结构一样，当梁柱受到预应力时，梁会向上拱起变形，结构形态不断变化。也就是说，结构的零状态（结构放样）和初始状态（预应力完成后的状态）有很大的区别。通常，初始状态的坐标作为设计、生产和施工全过程的参考值。
利用 BSS 控制变形
预应力张拉方式一般分为“长度控制”与“张拉控制”两种，需根据结构跨度、节点细节、施工误差大小、施工工期、造价等因素综合判断。
由于索结构的非线性明显，应用时必须注意初始构型、初拉力、允许变形等问题。
BBS搭建方式：不支持
此外，通过引入和微调张拉线预应力，利用变形控制功能，也有利于施工安装，吸收施工误差。
4. 附加载荷下的应力
BSS在结构建模阶段最重要的两个参数是：形状比和刚度比。
有学者研究发现，当α为10-3左右时，拉紧弦的效果较显著，随着α变小，κκ=0.05~0.1、α=10-3~10-4的范围较为合理。
BBS内力和位移随刚度比变化
拱结构对非对称荷载较为敏感，张弦梁结构亦是如此。当拱梁刚度较小时，在非对称荷载作用下，张弦梁结构的变形和部分部位的应力甚至比全跨荷载作用下还要大。此时需要增加拱梁刚度，才能有效减小结构的变形和拱梁的应力。
凯宾斯基酒店张贤亮
此外，张弦梁结构支座水平刚度、不对称荷载、反对称荷载效应、非线性分析、节点设计、施工张拉方法等问题也比较复杂，需要设计人员认真研究。
张弦梁结构的经典示例
法拉第研究所，1978年
法拉第研究所是斋藤公夫教授设计的第一座张弦梁结构建筑，建筑为边长约20米的方形建筑钢结构梁高跨比，屋顶为放射状辐条状张弦梁。
小结构模型
圆形屋顶被分成32等份，斜拉结构上弦为H型钢梁，汇聚于屋顶中央的压环；下弦钢索汇聚于下方的拉环。压环与拉环之间通过竖杆连接，竖杆也构成了屋顶天窗和吊灯的支架。
梅桥绿色穹顶，1990 年
前桥绿色穹顶呈长方形，外观明亮轻盈。建筑长轴168m，短轴122m。为实现平穹顶，采用BSS结构。屋盖结构对下部结构的水平推力较小，从而可在建筑周围设置许多大开口、门窗。整个3000吨重的屋盖由周围的小钢柱支撑，给人一种轻盈、漂浮的感觉。
钱桥绿色穹顶设计的早期对比
BSS的梁构件采用桁架形式，拉弦集中于屋面中部，短轴方向的张弦梁通过中心环连接、平衡，中心拉弦环兼作照明灯具支架。
索内预张力的最佳取值以桁架梁及中心拉环弯矩最小且大小均匀为宜，在68根索的径向端部设置千斤顶，对68根索进行同步张拉。
前桥绿色穹顶模型展示
浦安市体育馆，1995年
日本浦安体育馆以“翻滚的海浪”为形象设计，涵盖两个比赛场地。建筑跨度方向为空腹桁架组成的双跨连续BSS，跨度分别为66m和42m。沿建筑宽度方向共布置7根张弦梁，外围共设6根巨柱，屋面采用高5m的V型柱支撑。
浦安市体育馆，1995年
浦东国际机场1号航站楼，1999年
浦东机场T1航站楼建筑外观犹如一只展翅欲飞的海鸥，该项目由法国建筑师安德鲁与华东建筑设计院于1996年合作设计。
大空间内深蓝色的金属吊顶覆盖了弧形的上弦杆，下方悬挂着白色的腹板，并由黑色的预应力钢缆连接，充分彰显了结构的强度。
浦东机场T1航站楼是国内首个采用张弦梁的大型公共建筑项目，如下图所示，四跨张弦梁涵盖了到达大厅、售票大厅、商场、登机长廊四个大空间，跨度从左至右（R1~R4）分别为49.3m、82.6m、44.4m、54.3m。根据各跨结构特点，设置不同类型的预应力钢索以维持结构体系的稳定性。
R1（左起第一跨）屋盖通过屋面弦平面内的支撑系统加强了其平面刚度（类似于圆柱壳的刚度）。所有侧向刚度均由低海拔侧的剪力墙提供。半开放式屋盖被风吹动的缺点通过跨度中间设置的抗风拉索得到解决。
R2、R3（中间两跨）屋盖采用幕墙内设置钢索，平衡高端斜柱与低端斜柱的抗侧刚度差异，上弦箱形钢梁内浇筑水泥砂浆配重，抵抗风吸力，保证下弦索不松动。
R4（右起第一跨）屋盖为空间索群稳定体系，结构的侧向刚度、抗风吸力均由呈倒四角锥排列的索群承担，索群的设置给建筑室内空间带来新意。
连接电缆和支柱的电缆球节点
张弦梁结构上、下弦杆均为弧形，上弦构件由箱形构件组成，竖向支撑杆件为325mm圆钢管，下弦索为Ф5*241平行钢丝束。
浦东国际机场T2航站楼，2007年
浦东国际机场T2航站楼原由华东建筑设计院设计，建筑风格与T1航站楼相呼应，主楼屋面长217米，呈现连续的波浪造型，一次性完工。
航站楼屋面长217米，跨度为3个混凝土结构单元，屋面钢结构采用三跨连续张弦梁结构，最大跨度89米。
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Y型柱与连续张弦梁的组合，使得单根张弦梁能够以较小的竖向高度实现较大的跨度，有效增加室内大空间的净高。
连续梁在槽口处为单箱截面，在顶面分叉为两肢，以适应梭形天窗的开口。腹杆与下弦钢拉杆平行布置，并相交于一点，形成梭形张弦梁结构。采用Y形分叉钢柱，使张弦梁直接支撑在柱顶。
若Y型柱间距为18米，则柱顶分叉点间距为9米，与9米间距的张拉张弦梁一一对应，省去了支架梁的转换，受力更为直接。
整体梁弦呈现优美的梭子造型
结构上，上弦连续钢梁为变截面焊接箱形截面，从支座至跨中逐渐变细为400x800；下弦采用截面直径100~130的550级高强度钢筋，通过铸钢锚与上弦、腹杆连接。
Y型柱与斜柱、横向连续张弦梁、柱顶纵向连续梁共同组成屋盖结构体系，满足竖向和侧向受力要求。
张弦梁张拉成型后，整体吊装。
此外，我国的广州国际会展中心、哈尔滨国际会议中心、北京全国农业展览馆、国家体育场等也相继采用了大跨度张拉梁结构。
限于篇幅，仅简要列出其他一些案例的图片。
钢结构屋盖上弦杆为空间桁架
带 Y 型支柱的张弦梁
东京羽田机场第 2 航站楼
这里简单介绍一下BSS的平面外稳定性，对于上弦杆，通常采用屋盖水平支撑来保证其稳定性；对于支撑及下弦索，其平面外稳定性与上弦杆的曲率有关。
日本兵库县朝来市温水游泳池
当上弦为直梁时，类似上图的“日本兵库县朝来市温水游泳池”，下弦的索杆处于不稳定状态（瞬时稳定），所以需要在支撑杆两侧增加斜角撑或稳定索。
对于常见的上弦拱梁，其撑杆及下弦索杆均处于非线性稳定状态，因此不需要在撑杆两侧设置斜支撑。
斋藤公夫教授被认为是打开现代斜拉结构世界大门的人。他的作品包括酒田市纪念体育馆、出云巨蛋、下关市唐户市场等。请点击链接查看相关介绍文章。
关于张弦梁结构在桥梁中的应用，请参见本次推送的第二篇《桥梁中的张弦梁——上支式悬索桥》，摘自《微桥》。
参考：
1.《钢结构技术概要》日本钢结构协会著，陈以懿、付恭懿译
2. 华东研究总院机场航站楼钢结构设计实践 周建
3. 浦东国际机场T2航站楼钢结构屋盖设计研究，王大随，刘青云，周建
4. 索结构体系、设计原理与施工控制，郭延林，田光宇。
5. 张县构造体系，陈志华著，科学出版社
