获奖项目：大跨度结构技术创新与工程应用

奖项年份、名称、等级：2019年国家科学技术进步二等奖

获奖人员：常好诵、郑云

单位排名：第一

项目简介：大跨度结构向超长、超大、造型多样化等方向发展,给设计施工提出了诸多新问题。己有结构体系难以适应建筑造型多样化的需求;国内外缺乏适合大跨度结构的隔震装置,超大型隔震工程在国内尚无实践案例;适用于长度超过 300 米的大跨度建筑结构的抗震设计方法,国内外尚属空白;现有钢结构制作工艺、安装方法己不能适应大跨度结构体系的发展。项目组以国家重大工程建设需求为牵引,针对设计施工难题,历经 13年合作研究,取得以下创新成果:

(1)构建了大跨度结构新体系。基于稳定理论分析及拓扑优化,创新了一种空间性能优异的双向张弦结构体系,应用于世界最大跨度的双向张弦结构-2008 年奥运会国家体育馆(114mX 144m),比单向张弦结构用钢量节约 30%:创新了一种柱底铰接、柱项刚接的网架一钢支承柱空间框架结构体系,应用于深圳宝安国际机场 T3 航站楼,解决了排架结构柱脚构造复杂、交叉施工、用钢量高的难题;创新了一种空间斜交连续拱支承结构体系,应用于昆明长水国际机场航站楼,解决了单向拱平面外刚度小、稳定性差的问题。

(2) 创新了大跨度结构隔震技术。通过减震机理分析及试验研究,发明了多种新型隔震裝装置,独立或与阻尼器共同组成适用于大跨度结构的隔震系统,大幅提高抗震性能,显著降低超
长、超大结构的温度效应。其中蝶形弹簧隔震较支座应用于深圳宝安国际机场 T3 航站楼,屋盖水平地震作用降低 56. 2%,温度效应降低 63. 3%。建成了全球最大隔震建筑-昆明长水国际机场航站楼(324m X 256m), 2015 年嵩明地震记录表明屋顶最大水平加速度平均仅为地面的 28. 5%,后续又应用于北京新机场航站楼。

(3)提出了大跨度结构设计新方法。依据非线性有限元分析理论,发明了一种可直接求解多目标位形索结构的形态分析方法,应用于 500 米口径球面射电望远镜工程,解决了551 种不
同索网形态的找形难题,位形精度控制在 Imm 以内,后续又应用于卡塔尔世界杯主体育场、2022年冬奥会国家速滑馆。提出了一种适用于建筑结构的多点地震输入时程分析实用方法,应用于北京首都机场T3 航站楼,解决了长度超过 300 米的大跨度建筑结构抗震设计难题,成果纳入《建筑抗震设计规范》。创新了一种风振分析的广义坐标合成法,应用于北京新机场, 解决了振型复杂、频谱密集、自由度达 50 万的大跨度结构风振计算难题,计算量减少 90%,计算时间缩短95%。

(4)研发了大跨度结构施工新技术。发明了多种大跨度钢结构施工方法及加工工艺。其中,爬坡曲线滑移施工工法、弯扭彩带制作工艺,应用于昆明长水国际机场航站楼,实现了曲面屋盖的变标高滑移,解决了空间斜交连续拱复杂构件的加工难题。发明了索结构多种张拉成形方法及施工装备。其中,马鞍形索网结构张拉成形方法、可夹持大直径单根钢绞线的自爬升施工装置,应用于 2018 年印尼亚运会主体育场,大幅减少高空作业量,较传统方法工期缩短1/3。以本项目研究和工程应用为基础,获发明专利授权35项,获工法14项,发表代表性论文136 篇、出版专著9部,编制规范、规程7部,工程应用 100 余项,获得詹天佑奖8项等各类工程奖54 项,并取得了良好的社会经济效益。专家鉴定项目成果达到国际领先水平,获 2018年中国钢结构协会科技进步特等奖。