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張弦結構體系分析設計理論及施工關鍵技術

成果的背景及主要用途：高效大跨度結構體系不僅關系到資源節約、施工便捷和效果美觀,更是一個國家建筑技術水平的重要標志。傳統的梁板式結構用鋼量大效能低、單層網殼穩定性差支座水平推力大、單一網格結構難以實現輕盈美觀,研發新型大跨體系成為建筑結構技術發展的迫切需要。課題組在較早開展張拉整體體系研究的基礎上,從 1998 年開始對張弦結構大跨度建筑結構體系進行系統研究,形成了張弦結構分析設計理論和施工成套技術,解決了張弦結構基礎理論匱乏、分析方法欠缺和在工程應用中受到結構選型、節點構造、施工方法和監測技術等多方面問題制約的技術難題,為張弦結構的推廣應用和健康發展提供了重要的科學依據和關鍵技術支撐。技術原理與工藝流程簡介： 1、系統研究基于張拉整體思想的張弦結構體系，提出了發明專利-弦支筒殼和弦支混凝土樓蓋等新型張弦結構形式，建立了平面、空間等張弦結構分類體系，研發自制設備空氣加熱索膨脹系數測定儀和水域加熱索膨脹系數測定儀，測定了張弦結構核心構件-拉索的膨脹系數，為張弦結構分析設計理論的建立奠定了基礎。 2、確定了平面和平面組合型張弦結構的最優構成規律，揭示了平面和平面組合型張弦結構靜動力特性和抗風性能，研發出專利技術—自平衡加載反力架并試驗驗證了所提出的插板式拉索節點的安全性和便捷性，解決了平面及平面組合型張弦結構分析計算和拉索連接節點方面的技術難題。 3、提出兩種弦支穹頂分類方法和預應力二階段分析方法，創建連續折線索單元分析技術，建立了弦支穹頂從找形、預應力設定到結構性能分析的設計方法，基于模型和實物試驗及理論分析揭示了弦支穹頂結構靜動力性能和穩定特性，研發了空間張弦結構的節點專利技術—預應力鋼結構滾動式張拉索節點，形成弦支穹頂分析設計理論體系，解決了弦支穹頂應用中分析設計和節點構造的技術難題。 4、研發出張弦結構施工工藝仿真系統，提出了預應力施加方法和摩擦損失補償方法，開發了張弦結構健康監測系統，解決了張弦結構施工過程中的全過程控制、監測、安全和預應力損失等方面的技術難題。提出了“地面整體拼裝、一次張拉外斜索成形”的施工方法，突破了大跨度索穹頂結構張拉成形的技術瓶頸。技術水平及專利與獲獎情況：該項科研成果發表學術論文 72 篇（其中 SCI 檢索 9 篇、EI 檢索 27 篇），獲發明專利 7 項，實用新型專利 8 項，獲國家科學技術進步二等獎 1 項，天津和北京市科技進步一等獎3項，省部級科技進步二等獎4項，達到了國際領先水平。應用前景分析及效益預測：本項目關鍵創新成果代表了現代大跨度結構技術的水平,引領了世界空間結構技術的發展,提升了中國大跨度技術在世界工程領域的地位，增強了國際競爭力，可應用于體育場館、會展中心、交通樞紐站房等國家重要基礎設施工程中。項目發表論文 72 篇(9 篇 SCI、27 篇 EI),獲發明專利 7 項,成果編入 10 本著作和 6 本規程,推動了土木工程學科發展, 培養了一批高素質的結構工程科技人才，對現代大跨結構的技術進步以及推動中國空間結構從大國向強國邁進都具有重要的意義。應用領域：該項目科研成果已應用于包括奧運會場館在內的近百項大跨度結構工程中，可廣泛應用于大型體育場館、會展文化中心、重大交通樞紐、大型廠房等基礎設施工程中，可推廣應用程度高，取得了巨大的經濟效益，工程節支總額超過二億元，對我國大跨結構技術的發展具有顯著推動作用。

天津大學 2021-04-11

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