预应力整体张拉结构关键技术创新与应用

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必赢亚洲565.net一、项目简介

必赢亚洲565.net本项目属于土木建筑科学技术领域。

必赢亚洲565.net预应力整体张拉结构是国际公认的承载效率更高、跨越能力更强的预应力钢结构体系,在欧美等发达国家已广泛应用于大跨度建筑领域。以索穹顶、弦支穹顶等为代表的该新型结构是一个国家建筑科技创新水平的重要标志。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,主要原因是其设计方法与安全指标、施工方法及成套技术、关键节点及产品等瓶颈没有取得突破。自2000 年起,本项目通过产学研用合作,取得主要技术创新成果如下:

必赢亚洲565.net1、首次提出了预应力整体张拉结构全过程性能化设计方法,建立了多阶段安全设计指标体系。预应力整体张拉结构在张拉找形与承载全过程中,具有“体系变形大而索构件延性小”的显著特征,欧美现行设计方法没有充分考虑该特征,其相关规范仅提出弹性阶段安全设计指标,存在安全缺陷。首次提出张拉与承载全过程性能化分析方法,并结合模型试验,揭示出预应力整体张拉结构全过程受力特性和破坏机理,提出了多阶段安全设计指标,保证了结构弹塑性大变形全过程安全。提出了多次预应力弦支结构优化设计方法,解决了其优化设计难题。项目成果填补了国内外相关规范的空白。

必赢亚洲565.net2、首次提出了预应力整体张拉结构施工全过程动态模拟方法,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,大部分时间处于不稳定的机构状态,国内外已有成果及商用软件均采用“静态模拟动态”的间断模拟方法,无法实现施工全过程动态连续模拟,易造成施工偏差和安全事故。提出了基于机械多刚体模型的动态模拟施工全过程方法,编制了施工模拟通用软件,开发了预应力整体张拉成套施工技术。在施工全过程动态连续模拟及安全控制技术方面,取得了突破性进展。

必赢亚洲565.net3、研发了预应力整体张拉结构新体系、新节点和新产品,实现了大量工程应用。虽然国际上预应力整体张拉结构应用近20 年,但处于严密的国外知识产权保护状态下。项目研发了具有自主知识产权的系列新体系、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,打破了欧美国家对预应力整体张拉结构长期的垄断,在我国率先实现了该新型结构的大量工程应用。成果获得华夏建设科技进步一等奖、中国土木工程詹天佑奖3 项、中国钢结构协会科学技术特等奖等。共应用于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,增加利润2.1 亿元,新增税收6506 万元,取得显著的经济效益。发表学术论文89 篇,取得了27 项国家专利、8 个国家及省部级工法、5 个软件著作权,培养该领域博士5 人、硕士32 人。主编了我国首部《预应力钢结构技术规程》,填补了国内空白,引领了我国预应力整体张拉结构的科学发展。

必赢亚洲565.net率更高、跨越能力更强、节约钢材更多的大跨度预应力钢结构体系。由于欧美国家对其核心技术实施严格的商业保密和专利保护,形成了国际垄断。在本项目之前,我国一直未建成大跨度弦支穹顶结构、索穹顶结构。自2000 年起,项目开展了预应力整体张拉结构关键技术创新研究与应用,形成了我国具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》。主要科技创新内容如下:

必赢亚洲565.net1、提出了预应力整体张拉结构全过程性能设计方法与多阶段安全设计指标。

必赢亚洲565.net【所属学科:金属结构(5603530)、悬索与张拉结构(5603030)。旁证材料:附件1(发明专利ZL201210095739.6);附件5、6(鉴定);附件10、(发明专利国际查新);附件41(发明专利:ZL201210095743.2);附件12(科技查新报告);附件36、37、40(论文)】

必赢亚洲565.net(1)国际上首次提出了预应力整体张拉结构全过程性能化设计方法,建立了多阶段安全设计指标。任何新体系、新技术的应用,其安全设计方法与设计指标都是首先要解决的核心技术问题。欧美国家现行设计方法没有充分考虑到预应力整体张拉结构“体系变形大而索构件延性小”的特征,存在安全缺陷。项目提出预应力张拉与承载全过程性能化设计方法,并通过系列新体系模型力学性能试验,揭示出该体系“弹性状态-径向索松弛-环索屈服-结构破坏”的多阶段受力特性及破坏机理,提出正常使用荷载弹性状态、超使用荷载弹塑性状态

必赢亚洲565.net多阶段的承载力设计指标和变形设计指标,保证了结构弹塑性大变形全过程安全,填补了国内外相关规范空白。项目在预应力整体张拉结构安全设计指标体系方面,取得了突破性成果。

必赢亚洲565.net图1-2 索穹顶力学性能试验与全过程效应曲线 图3-4 弦支穹顶结构力学性能试验与全过程效应曲线

必赢亚洲565.net(2)建立了多次预应力弦支结构优化设计理论和方法。以矢跨比、撑杆长度、预应力、构件截面为设计变量,以结构重量最轻为目标函数,建立了考虑多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方法,解决了几何与性态两类设计变量耦合的关键问题。通过多次预应力显著降低刚性构件应力峰值,改善结构受力状态,有效控制结构变形,使结构体系具有更大跨越能力、节省更多钢材,实现了预应力弦支结构体系经济和安全双优目标。改变了靠经验比选方案的做法,使预应力弦支结构复杂设计问题建立在优化理论

必赢亚洲565.net基础上,成果成功应用于2008 奥运羽毛球馆等多项工程设计。

必赢亚洲565.net(3)首次提出了索穹顶结构预应力度的工程实用确定方法。合理的预应力度会显著减小体系变形、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足、过高会发生结构脆性破坏,目前国内外还缺乏工程师实用的预应力度计算公式和确定方法。基于索穹顶结构全过程分析,揭示出满足结构稳定承载力与变形要求的设计成形态对应的预应力度,与自重作用下体系初始成形态对应的初始预应力存在内在比例关系,在国际上首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方法”,解决了工程设计关键技术难题。

必赢亚洲565.net2、研发了多种预应力整体张拉结构新体系,并建成多项工程。

必赢亚洲565.net【所属学科:金属结构( 5603530)、悬索与张拉结构(5603030)。旁证材料:附件2(发明专利ZL200710064699.8),附件4~6(科技鉴定),附件12(科技查新),附件41(三项发明专利ZL201210095735.8,ZL201210095741.3,ZL200710064964.2),附件39(论文)】

必赢亚洲565.net(1)自主研发了V 字型径向索弦支网格穹顶新型结构体系。该体系结合了索穹顶和单层网壳各自的优势,通过径向索系几何形态优化,解决了传统索撑体系环向扭转稳定承载力不足的问题;配套开发了一种索撑节点连接装置,实现了钢网壳多承压少受弯的优化形态效应,使该体系具有了更大的跨越能力。该新型体系应用于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快速发展和应用。

必赢亚洲565.net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体育馆索穹顶

必赢亚洲565.net(2)发明了一种索穹顶与外围大悬挑结构组合的新型结构体系。国外已建的大跨度索穹顶体育场馆,外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体系,通过优化连接构造和预应力度,使索穹顶产生的向内拉力与外围悬挑结构产生的向外拉力在环梁处达到自平衡,显著减小环梁受力,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体育馆,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),突破了欧美国家对大跨度索穹顶结构长期的垄断局面。

必赢亚洲565.net(3)开发出一种巨型桁架-索-膜新型结构体系。针对传统体育场主、次桁架结构中主桁架高跨比大(高跨比1/18)、用钢量高的不足,开发出一种巨型桁架-索-膜新型结构体系。该体系主拱桁架与次桁架V 形连接,形成空间整体受力的圆锥面巨型桁架,与内部开口式索膜张拉结构形成一种新型结构体系。该新体系应用于芜湖市奥林匹克公园主体育场,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,比同等规模跨度的传统主次桁架结构节省用钢量2100 吨,节材45%以上。

必赢亚洲565.net4图9-10 芜湖体育场巨型桁架-索-膜结构 图11-12 盘锦体育场开口式索膜整体张拉结构

必赢亚洲565.net(4)开发出一种新型非对称开口式索膜整体张拉结构体系。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,形成富于建筑动感的非对称开口式索膜张拉结构,并与外围钢结构环梁形成一种新型预应力整体张拉结构体系。该体系应用于跨度达283m 的盘锦体育场,见图11-12,采用地面整体组装,整体张拉一次成形,技术经济性好,建筑效果佳,成为拥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。

必赢亚洲565.net3、提出了预应力整体张拉结构施工全过程动态模拟方法,开发了成套整体张拉施工技术。

必赢亚洲565.net【所属学科:金属结构(5603530)。旁证材料:附件3(软件著作权5 项),附件5、6、7(鉴定),附件41(两项发明:ZL201010120733.0、ZL201210095744.7),附件34(国家级工法),附件42(论文5、37)】

必赢亚洲565.net(1)首次提出了预应力整体张拉结构全过程动态模拟的方法,开发了系列工程应用软件。对预应力整体张拉结构从机构变结构的施工全过程,国内外已公开的科研成果及商用软件均采用“静态模拟动态”的间断模拟方法,不完全符合工程实际,易造成施工事故。项目采用机械多刚体系统动力学分析方法,对整体张拉体系从机构到结构的施工全过程进行时域连续动态仿真,实现了对每一构件每一时刻的变形、内力、速度、加速度进行分析和安全监控,开发了施工模拟系列通用软件,并获5 项国家软件著作权。通过芜湖体育场、淮北体育

必赢亚洲565.net场、佛山世纪莲体育场等多项工程实践,验证了所提出方法的科学性和软件的可靠性,首次解决了整体张拉施工全过程连续动态模拟与安全控制的关键技术难题。

必赢亚洲565.net图13 淮北体育场 图14 佛山世纪莲体育场 图15-16 实际工程全过程监控

必赢亚洲565.net(2)开发了预应力整体张拉结构施工成套技术。项目团队开展了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方法模拟试验,同时基于施工全过程动态模拟分析,提出了地面整体组装、无支撑整体提升、同步张拉成形的施工方法,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家级工法。成功实现了鄂尔多斯伊旗体育馆索穹顶、盘锦体育场非对称开口式索膜张拉结构等工程无临时支撑预应力整体张拉成形,显著降低成本,缩短工期。如盘锦体育场较传统施工方法节省工期30 天,保证了第12 届全运会如期使用。

必赢亚洲565.net5图17 索穹顶成形试验 图18 开口式索膜结构成形试验 图19 盘锦体育场张拉施工 图20 自爬升成套装置

必赢亚洲565.net(3)提出了预应力整体张拉结构施工及加工误差的补偿方法。预应力整体张拉结构对构件加工误差和施工误差非常敏感,会严重干扰预应力度的准确性,影响结构安全。采用拉索的初拉力下料法和修正下料法相结合,解决拉索加工误差问题;采取外圈拉索可调节长度的构造方法,补偿支座拉索耳板的施工偏差;发明了“一种索穹顶结构施工误差补偿方法”,解决随机性大、难于控制的张拉过程误差补偿问题。相关成果已成功应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、金沙遗址博物馆等多项工程。中国航空工业规划设计研究院

必赢亚洲565.net金融街F7/9(36m跨):空间张弦桁架结构体系

必赢亚洲565.net主设计:王树、管志忠、梁海彤

必赢亚洲565.net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 金沙遗址博物馆

必赢亚洲565.net4、预应力整体张拉结构关键节点设计创新与产品开发。

必赢亚洲565.net【所属学科:悬索与张拉结构(5603030)。旁证材料:附件8(鉴定),附件41(三项发明:ZL201210130565.2、ZL201010204690.4 、ZL201210095740.9 ; 三项实用新型: ZL201220023088.5 、ZL201020628826.X 、ZL201320848612.7),附件20(应用证明),附件36(论文),附件42(论文18、19、27、28、43)】

必赢亚洲565.net(1)提出节点性能化设计方法与设计指标。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,与传统钢节点具有不同的受力机理,国内外相关规范标准均没有明确的计算方法和安全设计指标;为此,开展了预应力“索-钢”节点承载力性能和疲劳性能系列节点试验研究,结合节点荷载-应变全过程响应分析结果,揭示出“索-钢”节点处索钢接触单元受力机理,确定了节点破坏准则,首次提出了该类节点安全设计指标。该成果已成功应用于河南艺术中心工程和贵阳奥体中心体育场等各类预应力钢结构工程。

必赢亚洲565.net图25-26 河南艺术中心及其索-钢节点试验 图27-28 贵阳体育场及其索-钢节点试验

必赢亚洲565.net(2)研发了预应力整体张拉结构系列节点构造和装置。研发了一种可滑动的索夹连接节点、一种索撑节点连接装置、一种可伸缩钢结构连接节点、一种钢索连接锚具、一种用于索膜结构的铰链结构等新型节点和构造,减少了预应力损失、改善了结构和节点受力、方便了张拉施工;发明了一种改善索穹顶结构性能的构造方法,有效提高了索穹顶结构的索撑系统环向扭转稳定性能。成果成功应用于长春经济开发区体育场、乐清体育场、印尼西亚帕拉兰体育场、中关村国家自主创新展示中心等工程。

必赢亚洲565.net6图29 长春经济开发区体育场 图30 乐清体育场 图31 西亚帕拉兰体育场 图32 中关村自主创新展示中心

必赢亚洲565.net(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,会降低结构体系安全性,而进口Galfan 拉索存在价格过高、后期服务无法保证等问题。以鄂尔多斯伊旗体育馆索穹顶等工程需求为切入点,在国内率先自主设计了大直径高耐候性Galfan 镀层拉索专用生产设备,研发了智能循环捻制一体化技术,最大可捻制1×817-φ5 的Galfan 拉索。经过国家钢铁产品质量监督检验中心检测,通过了科技鉴定,填补了国内空白,并编制了国家相关产品规范标准。产品已成功应用于鄂尔多斯伊旗体育馆等国内外数

必赢亚洲565.net10 项工程,打破了此类拉索长期进口国外高价产品的局面,本产品的成功开发与应用,奠定了预应力整体张拉结构在我国产业化应用的基础。

必赢亚洲565.net5、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》。

必赢亚洲565.net【所属学科:金属结构(5603530)、悬索与张拉结构(5603030)。旁证材料:附件9(审查意见),附件11

必赢亚洲565.net(采用证明),附件33(版权页)】

必赢亚洲565.net自2000 年以来,项目团队坚持产学研用合作创新研发,共同完成了预应力整体张拉结构科研课题13 项、试验研究7 项、工程项目15 项。在《建筑结构学报》分别发表了弦支穹顶和索穹顶结构设计、科研、试验及工程应用两期论文专辑,项目部分成果编入了专著《现代预应力钢结构》、国家行业标准《建筑工程用索》等。在此基础上,将预应力整体张拉结构全过程性能设计方法与安全指标体系、全过程动态仿真分析与成套施工技术,以及新体系、新节点、新产品创新成果进行集成,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》,填补了国内空白,国际上也无这样完整的规程,指导性和可操作性强。为国内百余项新型预应力钢结构工程设计、施工、验收提供了依据,对我国预应力钢结构的推广和发展起到巨大的推动作用,引领了该类新型结构在我国的科学发展。

必赢亚洲565.net图33 成果相关部分规程、标准、著作、论文专辑

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