一、项目简介

本项目属于土木构筑科学技术领域。

预应力整体张拉结构是国际公认的承载效能更高、逾越能力更强的预应力钢结构系统，在欧美等蓬勃国度已宽泛利用于大跨度构筑领域。以索穹顶、弦支穹顶等为代表的该新型结构是一个国度构筑科技创新水平的沉要标志。然而在本项目之前，我国未建成大跨度弦支穹顶结构、索穹顶结构，重要原因是其设计步骤与安全指标、施工步骤及成套技术、关键节点及产品等瓶颈没有获得突破。自2000 年起，本项目通过产学研用合作，获得重要技术创新成就如下：

1、初次提出了预应力整体张拉结构全过程机能化设计步骤，成立了多阶段安全设计指标系统。预应力整体张拉结构在张拉找形与承载全过程中，具佑装系统变形大而索构件延性幼”的显著特点，欧美现行设计步骤没有充分思考该特点，其有关规范仅提出弹性阶段安全设计指标，存在安全缺点。初次提出张拉与承载全过程机能化分析步骤，并结合模型试验，揭示出预应力整体张拉结构全过程受力个性和粉碎机理，提出了多阶段安全设计指标，保障了结构弹塑性大变形全过程安全。提出了屡次预应力弦支结构优化设计步骤，解决了其优化设计难题。项目成就添补了国内表有关规范的空缺。

2、初次提出了预应力整体张拉结构施工全过程动态仿照步骤，开发了成套施工技术。预应力整体张拉结构施工张拉过程中，大部门功夫处于不不变的机构状态，国内表已有成就及商用软件均选取“静态仿照动态”的间断仿照步骤，无法实现施工全过程动态陆续仿照，易造成施工误差和安全变乱。提出了基于机械多刚体模型的动态仿照施工全过程步骤，假造了施工仿照通用软件，开发了预应力整体张拉成套施工技术。在施工全过程动态陆续仿照及安全节造技术方面，获得了突破性进展。

3、研发了预应力整体张拉结构新系统、新节点和新产品，实现了大量工程利用。固然国际上预应力整体张拉结构利用近20 年，但处于缜密的国表知识产权

；ぷ刺。项目研发了拥有自主知识产权的系列新系统、新节点和新产品。项目团队设计并建成了国际首个大跨度弦支穹顶结构、国内首个大跨度索穹顶结构、国内首个巨型桁架-索-膜结构、国内首个非对称开口式索膜张拉结构等15 项工程，突破了欧美国度对预应力整体张拉结构持久的垄断，在我国率先实现了该新型结构的大量工程利用。成就获得中原建设科技进取一等奖、中河山木工程詹天佑奖3 项、中国钢结构协会科学技术特等奖等。共利用于79 项各类预应力张拉结构工程，近3 年新增销售额14.1 亿元，增长利润2.1 亿元，新增税收6506 万元，获得显著的经济效益。颁发学术论文89 篇，获得了27 项国度专利、8 个国度及省部级工法、5 个软件著述权，造就该领域博士5 人、硕士32 人。主编了我国首部《预应力钢结构技术规程》，添补了国内空缺，引领了我国预应力整体张拉结构的科学发展。

率更高、逾越能力更强、节约钢材更多的大跨度预应力钢结构系统。由于欧美国度对其主题技术执行严格的贸易保密和专利

；，形成了国际垄断。在本项目之前，我国一向未建成大跨度弦支穹顶结构、索穹顶结构。自2000 年起，项目发展了预应力整体张拉结构关键技术创新钻研与利用，形成了我国拥有自主知识产权的全产业链成套技术，建成了世界上首个大跨度弦支穹顶结构和国内首个大跨度索穹顶结构等几十项工程，主编了我国首部《预应力钢结构技术规程》。重要科技创新内容如下：

1、提出了预应力整体张拉结构全过程机能设计步骤与多阶段安全设计指标。

【所属学科：金属结构（5603530）、悬索与张拉结构（5603030）。旁证资料：附件1（发现专利ZL201210095739.6）

；附件5、6（鉴定）

；附件10、（发现专利国际查新）

；附件41（发现专利：ZL201210095743.2）

；附件12（科技查新汇报）

；附件36、37、40（论文）】

（1）国际上初次提出了预应力整体张拉结构全过程机能化设计步骤，成立了多阶段安全设计指标。任何新系统、新技术的利用，其安全设计步骤与设计指标都是首先要解决的主题技术问题。欧美国度现行设计步骤没有充分思考到预应力整体张拉结构“系统变形大而索构件延性幼”的特点，存在安全缺点。项目提出预应力张拉与承载全过程机能化设计步骤，并通过系列新系统模型力学机能试验，揭示出该系统“弹性状态-径向索松弛-环索屈服-结构粉碎”的多阶段受力个性及粉碎机理，提出正常使用荷载弹性状态、超使用荷载弹塑性状态

多阶段的承载力设计指标和变形设计指标，保障了结构弹塑性大变形全过程安全，添补了国内表有关规范空缺。项目在预应力整体张拉结构安全设计指标系统方面，获得了突破性成就。

图1-2 索穹顶力学机能试验与全过程效应曲线 图3-4 弦支穹顶结构力学机能试验与全过程效应曲线

（2）成立了屡次预应力弦支结构优化设计理论和步骤。以矢跨比、撑杆长度、预应力、构件截面为设计变量，以结构沉量最轻为指标函数，成立了思考屡次预应力效应的多荷载工况、多约束预应力弦支结构优化设计理论和步骤，解决了几何与性态两类设计变量耦合的关键问题。通过屡次预应力显著降低刚性构件应力峰值，改善结构受力状态，有效节造结构变形，使结构系统拥有更大逾越能力、节俭更多钢材，实现了预应力弦支结构系统经济和安全双优指标。扭转了靠经验比选规划的做法，使预应力弦支结构复杂设计问题成立在优化理论基础上，成就成功利用于2008 奥运羽毛球馆等多项工程设计。

（3）初次提出了索穹顶结构预应力度的工程实用确定步骤。合理的预应力度会显著减幼系统变形、提高承载力并改善延性，预应力度偏低会造成结构承载力不及、过高会产生结构脆性粉碎，目前国内表还不足工程师实用的预应力度推算公式和确定步骤

；谒黢范ソ峁谷谭治，揭示出满足结构不变承载力与变形要求的设计成状态对应的预应力度，与自沉作用下系统初始成状态对应的初始预应力存在内涵比例关系，在国际上初次提出了工程实用的“基于索穹顶张拉和承载全过程分析的预应力确定步骤”，解决了工程设计关键技术难题。

2、研发了多种预应力整体张拉结构新系统，并建成多项工程。

【所属学科：金属结构（ 5603530）、悬索与张拉结构（5603030）。旁证资料：附件2（发现专利ZL200710064699.8），附件4～6（科技鉴定），附件12（科技查新），附件41（三项发现专利ZL201210095735.8，ZL201210095741.3，ZL200710064964.2），附件39（论文）】

（1）自主研发了V 字型径向索弦支网格穹顶新型结构系统。该系统结合了索穹顶和单层网壳各自的优势，通过径向索系几何状态优化，解决了传统索撑系统环向旋转不变承载力不及的问题

；配套开发了一种索撑节点衔接装置，实现了钢网壳多承压少受弯的优化状态效应，使该系统拥有了更大的逾越能力。该新型系统利用于2008 奥运会羽毛球馆，建成了世界上首个大跨度弦支穹顶结构工程，引领了我国大跨度弦支穹顶结构工程的急剧发展和利用。

图5-6 2008 奥运会羽毛球馆弦支穹顶 图7-8 鄂尔多斯伊旗全民健身段育馆索穹顶

（2）发了然一种索穹顶与表围大悬挑结构组合的新型结构系统。国表已建的大跨度索穹顶运动场馆，表圈均设置受力巨大的环梁结构，总体技术经济性未达到最优。项目提出的新型结构系统，通过优化衔接机关和预应力度，使索穹顶产生的向内拉力与表围悬挑结构产生的向表拉力在环梁处达到自平衡，显著减幼环梁受力，降低环梁结构用钢量。通过自主创新，设计并建成了鄂尔多斯伊金霍洛旗全民健身段育馆，见图7-8，成为国内第一个大跨度索穹顶结构工程，也是世界上首个索穹顶与多层大悬挑结构组合的新型结构工程（2 层43m 悬挑），突破了欧美国度对大跨度索穹顶结构持久的垄断局面。

（3）开发出一种巨型桁架-索-膜新型结构系统。针对传统运动场主、次桁架结构中主桁架高跨比大（高跨比1/18）、用钢量高的不及，开发出一种巨型桁架-索-膜新型结构系统。该系统主拱桁架与次桁架V 形衔接，形成空间整体受力的圆准巨型桁架，与内部开口式索膜张拉结构形成一种新型结构系统。该新系统利用于常德市奥猎欹克公园主运动场，由于受力合理，使得跨度273m 的前主拱桁架高度仅为3m（高跨比仅为1/90），主拱脚推力仅为传统结构的1/20，比一致规
？缍鹊拇持鞔舞旒芙峁菇诩笥酶至2100 吨，节材45%以上。

4图9-10 常德运动场巨型桁架-索-膜结构 图11-12 盘锦运动场开口式索膜整体张拉结构

（4）开发出一种新型非对称开口式索膜整体张拉结构系统。由吊索、脊索、谷索三层径向索和环索组成的空间索网，通过膜面张拉和脊谷索张拉，形成富于构筑动感的非对称开口式索膜张拉结构，并与表围钢结构环梁形成一种新型预应力整体张拉结构系统。该系统利用于跨度达283m 的盘锦运动场,见图11-12，选取地面整体组装，整体张拉一次成形，技术经济性好，构筑成效佳，成为占有自主设计版权的我国最大跨度非对称开口式索膜整体张拉结构工程。

3、提出了预应力整体张拉结构施工全过程动态仿照步骤，开发了成套整体张拉施工技术。

【所属学科：金属结构（5603530）。旁证资料：附件3(软件著述权5 项)，附件5、6、7（鉴定），附件41(两项发现：ZL201010120733.0、ZL201210095744.7)，附件34（国度级工法），附件42（论文5、37）】

（1）初次提出了预应力整体张拉结构全过程动态仿照的步骤，开发了系列工程利用软件。对预应力整体张拉结构从机构变结构的施工全过程，国内表已公开的科研成就及商用软件均选取“静态仿照动态”的间断仿照步骤，不齐全切合工程现实，易造成施工变乱。项目选取机械多刚体系统动力学分析步骤，对整体张拉系统从机构到结构的施工全过程进行时域陆续动态仿真，实现了对每一构件每一时刻的变形、内力、速度、加快度进行分析和安全监控，开发了施工仿照系列通用软件，并获5项国度软件著述权。通过常德运动场、永州运动场、拉萨世纪莲运动场等多项工程实际，验证了所提出步骤的科学性和软件的靠得住性，初次解决了整体张拉施工全过程陆续动态仿照与安全节造的关键技术难题。

图13 永州运动场 图14 拉萨世纪莲运动场 图15-16 现实工程全过程监控

（2）开发了预应力整体张拉结构施工成套技术。项目团队发展了1:10 弦支穹顶、1:4 索穹顶、1:10 开口式索膜结构等大尺寸模型的施工步骤仿照试验，同时基于施工全过程动态仿照分析，提出了地面整体组装、无支持整体提升、同步张拉成形的施工步骤，配套研发了自动爬升千斤顶成套装置，形成了预应力整体张拉结构施工成套技术，获得了北京市工法和国度级工法。成功实现了鄂尔多斯伊旗体育馆索穹顶、盘锦运动场非对称开口式索膜张拉结构等工程无一时支持预应力整体张拉成形，显著降低成本，缩短工期。如盘锦运动场较传统施工步骤节俭工期30 天，保障了第12 届全运会如期使用。

5图17 索穹顶成形试验 图18 开口式索膜结组成形试验 图19 盘锦运动场张拉施工 图20 自爬升成套装置

（3）提出了预应力整体张拉结构施工及加工误差的赔偿步骤。预应力整体张拉结构对构件加工误差和施工误差极度敏感，会严沉滋扰预应力度的正确性,影响结构安全。选取拉索的初拉力下料法和建改下料法相结合，解决拉索加工误差问题

；采取表圈拉索可调节长度的机关步骤，赔偿支座拉索耳板的施工误差

；发了然“一种索穹顶结构施工误差赔偿步骤”，解决随机性大、难于节造的张拉过程误差赔偿问题。有关成就已成功利用于鄂尔多斯伊旗体育馆、首都机场T3收费站、北京金融街活力中心F7/9、金沙陈迹博物馆等多项工程。中国航空工业规划设计钻研院金融街F7/9（36m跨）：空间张弦桁架结构系统

主设计：王树、管志忠、梁海彤

图21 鄂尔多斯伊旗体育馆 图22 首都机场T3 收费站 图23 金融街活力中心F7/9 图24 金沙陈迹博物馆

4、预应力整体张拉结构关键节点设计创新与产品开发。

【所属学科：悬索与张拉结构（5603030）。旁证资料：附件8（鉴定），附件41(三项发现：ZL201210130565.2、ZL201010204690.4 、ZL201210095740.9 

； 三项实用新型： ZL201220023088.5 、ZL201020628826.X 、ZL201320848612.7)，附件20（利用证明），附件36（论文），附件42（论文18、19、27、28、43）】

（1）提出节点机能化设计步骤与设计指标。预应力整体张拉结构节点由索体与钢节点通过摩擦接触相连，与传统钢节点拥有分歧的受力机理，国内表有关规范尺度均没有明确的推算步骤和安全设计指标

；为此，发展了预应力“索-钢”节点承载力机能和委顿机能系列节点试验钻研，结合节点荷载-应变全过程响应分析了局，揭示出“索-钢”节点处索钢接触单元受力机理，确定了节点粉碎准则，初次提出了该类节点安全设计指标。该成就已成功利用于河南艺术中心工程和贵阳奥体中心运动场等各类预应力钢结构工程。

图25-26 河南艺术中心及其索-钢节点试验 图27-28 贵阳运动场及其索-钢节点试验

（2）研发了预应力整体张拉结构系列节点机关和装置。研发了一种可滑动的索夹衔接节点、一种索撑节点衔接装置、一种可伸缩钢结构衔接节点、一种钢索衔接锚具、一种用于索膜结构的铰链结构等新型节点和机关，削减了预应力损失、改善了结构和节点受力、方便了张拉施工

；发了然一种改善索穹顶结构机能的机关步骤，有效提高了索穹顶结构的索撑系统环向旋转不变机能。成就成功利用于长春经济开发区运动场、乐清运动场、印尼西亚帕拉兰运动场、中关村国度自主创新展示中心等工程。

6图29 长春经济开发区运动场 图30 乐清运动场 图31 西亚帕拉兰运动场 图32 中关村自主创新展示中心

(3)开发了大直径高耐候性Galfan 镀层拉索产品。传统PE 护层索与节点之间易产生较大滑移问题，会降低结构系统安全性，而进口Galfan 拉索存在价值过高、后期服务无法保障等问题。以鄂尔多斯伊旗体育馆索穹顶等工程需要为切入点，在国内率先自主设计了大直径高耐候性Galfan 镀层拉索专用出产设备，研发了智能循环捻造一体化技术，最大可捻造1×817-φ5 的Galfan 拉索。经过国度钢铁产品质量监督检验中心检测，通过了科技鉴定，添补了国内空缺，并假造了国度有关产品规范尺度。产品已成功利用于鄂尔多斯伊旗体育馆等国内表数10 项工程，突破了此类拉索持久进口国表高价产品的局面，本产品的成功开发与利用，奠定了预应力整体张拉结构在我国产业化利用的基础。

5、形成了预应力整体张拉结构全产业链成套技术，主编了我国首部《预应力钢结构技术规程》。

【所属学科：金属结构（5603530）、悬索与张拉结构（5603030）。旁证资料：附件9(审查定见)，附件11

（选取证明），附件33（版权页）】

自2000 年以来，项目团队对峙产学研用合作创新研发，共同实现了预应力整体张拉结构科研课题13 项、试验钻研7 项、工程项目15 项。在《构筑结构学报》别离颁发了弦支穹顶和索穹顶结构设计、科延注试验及工程利用两期论文专辑，项目部门成就编入了专著《现代预应力钢结构》、国度行业尺度《构筑工程用索》等。在此基础上，将预应力整体张拉结构全过程机能设计步骤与安全指标系统、全过程动态仿真分析与成套施工技术，以及新系统、新节点、新产品创新成就进行集成，形成了预应力整体张拉结构全产业链成套技术。主编了我国首部《预应力钢结构技术规程》，添补了国内空缺，国际上也无这样齐全的规程，领导性和可操作性强。为国内百余项新型预应力钢结构工程设计、施工、验收提供了凭据，对我国预应力钢结构的推广和发展起到巨大的推作为用，引领了该类新型结构在我国的科学发展。

图33 成就有关部门规程、尺度、著述、论文专辑