一、項目簡介

本項目屬於土木建築科學技術領域。

預應力整體張拉結構是國際公認的承載效率更高、跨越能力更強的預應力鋼結構體系，在歐美等發達國家已廣泛應用於大跨度建築領域。以索穹頂、弦支穹頂等為代表的該新型結構是一個國家建築科技創新水平的重要標誌。然而在本項目之前，我國未建成大跨度弦支穹頂結構、索穹頂結構，主要原因是其設計方法與安全指標、施工方法及成套技術、關鍵節點及產品等瓶頸沒有取得突破。自2000 年起，本項目通過產學研用合作，取得主要技術創新成果如下：

1、首次提出了預應力整體張拉結構全過程性能化設計方法，建立了多階段安全設計指標體系。預應力整體張拉結構在張拉找形與承載全過程中，具有「體系變形大而索構件延性小」的顯著特徵，歐美現行設計方法沒有充分考慮該特徵，其相關規範僅提出彈性階段安全設計指標，存在安全缺陷。首次提出張拉與承載全過程性能化分析方法，並結合模型試驗，揭示出預應力整體張拉結構全過程受力特性和破壞機理，提出了多階段安全設計指標，保證了結構彈塑性大變形全過程安全。提出了多次預應力弦支結構優化設計方法，解決了其優化設計難題。項目成果填補了國內外相關規範的空白。

2、首次提出了預應力整體張拉結構施工全過程動態模擬方法，開發了成套施工技術。預應力整體張拉結構施工張拉過程中，大部分時間處於不穩定的機構狀態，國內外已有成果及商用軟件均採用「靜態模擬動態」的間斷模擬方法，無法實現施工全過程動態連續模擬，易造成施工偏差和安全事故。提出了基於機械多剛體模型的動態模擬施工全過程方法，編制了施工模擬通用軟件，開發了預應力整體張拉成套施工技術。在施工全過程動態連續模擬及安全控制技術方面，取得了突破性進展。

3、研發了預應力整體張拉結構新體系、新節點和新產品，實現了大量工程應用。雖然國際上預應力整體張拉結構應用近20 年，但處於嚴密的國外知識產權保護狀態下。項目研發了具有自主知識產權的系列新體系、新節點和新產品。項目團隊設計並建成了國際首個大跨度弦支穹頂結構、國內首個大跨度索穹頂結構、國內首個巨型桁架-索-膜結構、國內首個非對稱開口式索膜張拉結構等15 項工程，打破了歐美國家對預應力整體張拉結構長期的壟斷，在我國率先實現了該新型結構的大量工程應用。成果獲得華夏建設科技進步一等獎、中國土木工程詹天佑獎3 項、中國鋼結構協會科學技術特等獎等。共應用於79 項各類預應力張拉結構工程，近3 年新增銷售額14.1 億元，增加利潤2.1 億元，新增稅收6506 萬元，取得顯著的經濟效益。發表學術論文89 篇，取得了27 項國家專利、8 個國家及省部級工法、5 個軟件著作權，培養該領域博士5 人、碩士32 人。主編了我國首部《預應力鋼結構技術規程》，填補了國內空白，引領了我國預應力整體張拉結構的科學發展。

率更高、跨越能力更強、節約鋼材更多的大跨度預應力鋼結構體系。由於歐美國家對其核心技術實施嚴格的商業保密和專利保護，形成了國際壟斷。在本項目之前，我國一直未建成大跨度弦支穹頂結構、索穹頂結構。自2000 年起，項目開展了預應力整體張拉結構關鍵技術創新研究與應用，形成了我國具有自主知識產權的全產業鏈成套技術，建成了世界上首個大跨度弦支穹頂結構和國內首個大跨度索穹頂結構等幾十項工程，主編了我國首部《預應力鋼結構技術規程》。主要科技創新內容如下：

1、提出了預應力整體張拉結構全過程性能設計方法與多階段安全設計指標。

【所屬學科：金屬結構（5603530）、懸索與張拉結構（5603030）。旁證材料：附件1（發明專利ZL201210095739.6）；附件5、6（鑑定）；附件10、（發明專利國際查新）；附件41（發明專利：ZL201210095743.2）；附件12（科技查新報告）；附件36、37、40（論文）】

（1）國際上首次提出了預應力整體張拉結構全過程性能化設計方法，建立了多階段安全設計指標。任何新體系、新技術的應用，其安全設計方法與設計指標都是首先要解決的核心技術問題。歐美國家現行設計方法沒有充分考慮到預應力整體張拉結構「體系變形大而索構件延性小」的特徵，存在安全缺陷。項目提出預應力張拉與承載全過程性能化設計方法，並通過系列新體系模型力學性能試驗，揭示出該體系「彈性狀態-徑向索鬆弛-環索屈服-結構破壞」的多階段受力特性及破壞機理，提出正常使用荷載彈性狀態、超使用荷載彈塑性狀態

多階段的承載力設計指標和變形設計指標，保證了結構彈塑性大變形全過程安全，填補了國內外相關規範空白。項目在預應力整體張拉結構安全設計指標體系方面，取得了突破性成果。

圖1-2 索穹頂力學性能試驗與全過程效應曲線 圖3-4 弦支穹頂結構力學性能試驗與全過程效應曲線

（2）建立了多次預應力弦支結構優化設計理論和方法。以矢跨比、撐杆長度、預應力、構件截面為設計變量，以結構重量最輕為目標函數，建立了考慮多次預應力效應的多荷載工況、多約束預應力弦支結構優化設計理論和方法，解決了幾何與性態兩類設計變量耦合的關鍵問題。通過多次預應力顯著降低剛性構件應力峰值，改善結構受力狀態，有效控制結構變形，使結構體系具有更大跨越能力、節省更多鋼材，實現了預應力弦支結構體系經濟和安全雙優目標。改變了靠經驗比選方案的做法，使預應力弦支結構複雜設計問題建立在優化理論

基礎上，成果成功應用於2008 奧運羽毛球館等多項工程設計。

（3）首次提出了索穹頂結構預應力度的工程實用確定方法。合理的預應力度會顯著減小體系變形、提高承載力並改善延性，預應力度偏低會造成結構承載力不足、過高會發生結構脆性破壞，目前國內外還缺乏工程師實用的預應力度計算公式和確定方法。基於索穹頂結構全過程分析，揭示出滿足結構穩定承載力與變形要求的設計成形態對應的預應力度，與自重作用下體系初始成形態對應的初始預應力存在內在比例關係，在國際上首次提出了工程實用的「基於索穹頂張拉和承載全過程分析的預應力確定方法」，解決了工程設計關鍵技術難題。

2、研發了多種預應力整體張拉結構新體系，並建成多項工程。

【所屬學科：金屬結構（ 5603530）、懸索與張拉結構（5603030）。旁證材料：附件2（發明專利ZL200710064699.8），附件4～6（科技鑑定），附件12（科技查新），附件41（三項發明專利ZL201210095735.8，ZL201210095741.3，ZL200710064964.2），附件39（論文）】

（1）自主研發了V 字型徑向索弦支網格穹頂新型結構體系。該體系結合了索穹頂和單層網殼各自的優勢，通過徑向索系幾何形態優化，解決了傳統索撐體系環向扭轉穩定承載力不足的問題；配套開發了一種索撐節點連接裝置，實現了鋼網殼多承壓少受彎的優化形態效應，使該體系具有了更大的跨越能力。該新型體系應用於2008 奧運會羽毛球館，建成了世界上首個大跨度弦支穹頂結構工程，引領了我國大跨度弦支穹頂結構工程的快速發展和應用。

圖5-6 2008 奧運會羽毛球館弦支穹頂 圖7-8 鄂爾多斯伊旗全民健身體育館索穹頂

（2）發明了一種索穹頂與外圍大懸挑結構組合的新型結構體系。國外已建的大跨度索穹頂體育場館，外圈均設置受力巨大的環梁結構，總體技術經濟性未達到最優。項目提出的新型結構體系，通過優化連接構造和預應力度，使索穹頂產生的向內拉力與外圍懸挑結構產生的向外拉力在環梁處達到自平衡，顯著減小環梁受力，降低環梁結構用鋼量。通過自主創新，設計並建成了鄂爾多斯伊金霍洛旗全民健身體育館，見圖7-8，成為國內第一個大跨度索穹頂結構工程，也是世界上首個索穹頂與多層大懸挑結構組合的新型結構工程（2 層43m 懸挑），突破了歐美國家對大跨度索穹頂結構長期的壟斷局面。

（3）開發出一種巨型桁架-索-膜新型結構體系。針對傳統體育場主、次桁架結構中主桁架高跨比大（高跨比1/18）、用鋼量高的不足，開發出一種巨型桁架-索-膜新型結構體系。該體系主拱桁架與次桁架V 形連接，形成空間整體受力的圓錐面巨型桁架，與內部開口式索膜張拉結構形成一種新型結構體系。該新體系應用於蕪湖市奧林匹克公園主體育場，由於受力合理，使得跨度273m 的前主拱桁架高度僅為3m（高跨比僅為1/90），主拱腳推力僅為傳統結構的1/20，比同等規模跨度的傳統主次桁架結構節省用鋼量2100 噸，節材45%以上。

4圖9-10 蕪湖體育場巨型桁架-索-膜結構 圖11-12 盤錦體育場開口式索膜整體張拉結構

（4）開發出一種新型非對稱開口式索膜整體張拉結構體系。由吊索、脊索、谷索三層徑向索和環索組成的空間索網，通過膜面張拉和脊谷索張拉，形成富於建築動感的非對稱開口式索膜張拉結構，並與外圍鋼結構環梁形成一種新型預應力整體張拉結構體系。該體系應用於跨度達283m 的盤錦體育場,見圖11-12，採用地面整體組裝，整體張拉一次成形，技術經濟性好，建築效果佳，成為擁有自主設計版權的我國最大跨度非對稱開口式索膜整體張拉結構工程。

3、提出了預應力整體張拉結構施工全過程動態模擬方法，開發了成套整體張拉施工技術。

【所屬學科：金屬結構（5603530）。旁證材料：附件3(軟件著作權5 項)，附件5、6、7（鑑定），附件41(兩項發明：ZL201010120733.0、ZL201210095744.7)，附件34（國家級工法），附件42（論文5、37）】

（1）首次提出了預應力整體張拉結構全過程動態模擬的方法，開發了系列工程應用軟件。對預應力整體張拉結構從機構變結構的施工全過程，國內外已公開的科研成果及商用軟件均採用「靜態模擬動態」的間斷模擬方法，不完全符合工程實際，易造成施工事故。項目採用機械多剛體系統動力學分析方法，對整體張拉體系從機構到結構的施工全過程進行時域連續動態仿真，實現了對每一構件每一時刻的變形、內力、速度、加速度進行分析和安全監控，開發了施工模擬系列通用軟件，並獲5 項國家軟件著作權。通過蕪湖體育場、淮北體育

場、佛山世紀蓮體育場等多項工程實踐，驗證了所提出方法的科學性和軟件的可靠性，首次解決了整體張拉施工全過程連續動態模擬與安全控制的關鍵技術難題。

圖13 淮北體育場 圖14 佛山世紀蓮體育場 圖15-16 實際工程全過程監控

（2）開發了預應力整體張拉結構施工成套技術。項目團隊開展了1:10 弦支穹頂、1:4 索穹頂、1:10 開口式索膜結構等大尺寸模型的施工方法模擬試驗，同時基於施工全過程動態模擬分析，提出了地面整體組裝、無支撐整體提升、同步張拉成形的施工方法，配套研發了自動爬升千斤頂成套裝置，形成了預應力整體張拉結構施工成套技術，獲得了北京市工法和國家級工法。成功實現了鄂爾多斯伊旗體育館索穹頂、盤錦體育場非對稱開口式索膜張拉結構等工程無臨時支撐預應力整體張拉成形，顯著降低成本，縮短工期。如盤錦體育場較傳統施工方法節省工期30 天，保證了第12 屆全運會如期使用。

5圖17 索穹頂成形試驗 圖18 開口式索膜結構成形試驗 圖19 盤錦體育場張拉施工 圖20 自爬升成套裝置

（3）提出了預應力整體張拉結構施工及加工誤差的補償方法。預應力整體張拉結構對構件加工誤差和施工誤差非常敏感，會嚴重干擾預應力度的準確性,影響結構安全。採用拉索的初拉力下料法和修正下料法相結合，解決拉索加工誤差問題；採取外圈拉索可調節長度的構造方法，補償支座拉索耳板的施工偏差；發明了「一種索穹頂結構施工誤差補償方法」，解決隨機性大、難於控制的張拉過程誤差補償問題。相關成果已成功應用於鄂爾多斯伊旗體育館、首都機場T3收費站、北京金融街活力中心F7/9、金沙遺址博物館等多項工程。中國航空工業規劃設計研究院

金融街F7/9（36m跨）：空間張弦桁架結構體系

主設計：王樹、管志忠、梁海彤

圖21 鄂爾多斯伊旗體育館 圖22 首都機場T3 收費站 圖23 金融街活力中心F7/9 圖24 金沙遺址博物館

4、預應力整體張拉結構關鍵節點設計創新與產品開發。

【所屬學科：懸索與張拉結構（5603030）。旁證材料：附件8（鑑定），附件41(三項發明：ZL201210130565.2、ZL201010204690.4 、ZL201210095740.9 ； 三項實用新型： ZL201220023088.5 、ZL201020628826.X 、ZL201320848612.7)，附件20（應用證明），附件36（論文），附件42（論文18、19、27、28、43）】

（1）提出節點性能化設計方法與設計指標。預應力整體張拉結構節點由索體與鋼節點通過摩擦接觸相連，與傳統鋼節點具有不同的受力機理，國內外相關規範標準均沒有明確的計算方法和安全設計指標；為此，開展了預應力「索-鋼」節點承載力性能和疲勞性能系列節點試驗研究，結合節點荷載-應變全過程響應分析結果，揭示出「索-鋼」節點處索鋼接觸單元受力機理，確定了節點破壞準則，首次提出了該類節點安全設計指標。該成果已成功應用於河南藝術中心工程和貴陽奧體中心體育場等各類預應力鋼結構工程。

圖25-26 河南藝術中心及其索-鋼節點試驗 圖27-28 貴陽體育場及其索-鋼節點試驗

（2）研發了預應力整體張拉結構系列節點構造和裝置。研發了一種可滑動的索夾連接節點、一種索撐節點連接裝置、一種可伸縮鋼結構連接節點、一種鋼索連接錨具、一種用於索膜結構的鉸鏈結構等新型節點和構造，減少了預應力損失、改善了結構和節點受力、方便了張拉施工；發明了一種改善索穹頂結構性能的構造方法，有效提高了索穹頂結構的索撐系統環向扭轉穩定性能。成果成功應用於長春經濟開發區體育場、樂清體育場、印尼西亞帕拉蘭體育場、中關村國家自主創新展示中心等工程。

6圖29 長春經濟開發區體育場 圖30 樂清體育場 圖31 西亞帕拉蘭體育場 圖32 中關村自主創新展示中心

(3)開發了大直徑高耐候性Galfan 鍍層拉索產品。傳統PE 護層索與節點之間易產生較大滑移問題，會降低結構體系安全性，而進口Galfan 拉索存在價格過高、後期服務無法保證等問題。以鄂爾多斯伊旗體育館索穹頂等工程需求為切入點，在國內率先自主設計了大直徑高耐候性Galfan 鍍層拉索專用生產設備，研發了智能循環捻制一體化技術，最大可捻制1×817-φ5 的Galfan 拉索。經過國家鋼鐵產品質量監督檢驗中心檢測，通過了科技鑑定，填補了國內空白，並編制了國家相關產品規範標準。產品已成功應用於鄂爾多斯伊旗體育館等國內外數

10 項工程，打破了此類拉索長期進口國外高價產品的局面，本產品的成功開發與應用，奠定了預應力整體張拉結構在我國產業化應用的基礎。

5、形成了預應力整體張拉結構全產業鏈成套技術，主編了我國首部《預應力鋼結構技術規程》。

【所屬學科：金屬結構（5603530）、懸索與張拉結構（5603030）。旁證材料：附件9(審查意見)，附件11

（採用證明），附件33（版權頁）】

自2000 年以來，項目團隊堅持產學研用合作創新研發，共同完成了預應力整體張拉結構科研課題13 項、試驗研究7 項、工程項目15 項。在《建築結構學報》分別發表了弦支穹頂和索穹頂結構設計、科研、試驗及工程應用兩期論文專輯，項目部分成果編入了專著《現代預應力鋼結構》、國家行業標準《建築工程用索》等。在此基礎上，將預應力整體張拉結構全過程性能設計方法與安全指標體系、全過程動態仿真分析與成套施工技術，以及新體系、新節點、新產品創新成果進行集成，形成了預應力整體張拉結構全產業鏈成套技術。主編了我國首部《預應力鋼結構技術規程》，填補了國內空白，國際上也無這樣完整的規程，指導性和可操作性強。為國內百餘項新型預應力鋼結構工程設計、施工、驗收提供了依據，對我國預應力鋼結構的推廣和發展起到巨大的推動作用，引領了該類新型結構在我國的科學發展。

圖33 成果相關部分規程、標準、著作、論文專輯