张弦结构体系分析设计理论及施工关键技术

成果的背景及主要用途：

高效大跨度结构体系不仅关系到资源节约、施工便捷和效果美观,更是一个

国家建筑技术水平的重要标志。传统的梁板式结构用钢量大效能低、单层网壳稳

定性差支座水平推力大、单一网格结构难以实现轻盈美观,研发新型大跨体系成

为建筑结构技术发展的迫切需要。课题组在较早开展张拉整体体系研究的基础上,

从 1998 年开始对张弦结构大跨度建筑结构体系进行系统研究,形成了张弦结构分

析设计理论和施工成套技术,解决了张弦结构基础理论匮乏、分析方法欠缺和在

工程应用中受到结构选型、节点构造、施工方法和监测技术等多方面问题制约的

技术难题,为张弦结构的推广应用和健康发展提供了重要的科学依据和关键技术

支撑。

技术原理与工艺流程简介：

1、系统研究基于张拉整体思想的张弦结构体系，提出了发明专利-弦支筒壳

和弦支混凝土楼盖等新型张弦结构形式，建立了平面、空间等张弦结构分类体系，

研发自制设备空气加热索膨胀系数测定仪和水域加热索膨胀系数测定仪，测定了

张弦结构核心构件-拉索的膨胀系数，为张弦结构分析设计理论的建立奠定了基

础。

2、确定了平面和平面组合型张弦结构的最优构成规律，揭示了平面和平面

组合型张弦结构静动力特性和抗风性能，研发出专利技术—自平衡加载反力架并

试验验证了所提出的插板式拉索节点的安全性和便捷性，解决了平面及平面组合

型张弦结构分析计算和拉索连接节点方面的技术难题。

3、提出两种弦支穹顶分类方法和预应力二阶段分析方法，创建连续折线索

单元分析技术，建立了弦支穹顶从找形、预应力设定到结构性能分析的设计方法，

基于模型和实物试验及理论分析揭示了弦支穹顶结构静动力性能和稳定特性，研

发了空间张弦结构的节点专利技术—预应力钢结构滚动式张拉索节点，形成弦支

穹顶分析设计理论体系，解决了弦支穹顶应用中分析设计和节点构造的技术难题。

4、研发出张弦结构施工工艺仿真系统，提出了预应力施加方法和摩擦损失

补偿方法，开发了张弦结构健康监测系统，解决了张弦结构施工过程中的全过程

控制、监测、安全和预应力损失等方面的技术难题。提出了“地面整体拼装、一

次张拉外斜索成形”的施工方法，突破了大跨度索穹顶结构张拉成形的技术瓶颈。

技术水平及专利与获奖情况：天津大学科技成果选编

172

该项科研成果发表学术论文 72 篇（其中 SCI 检索 9 篇、EI 检索 27 篇），

获发明专利 7 项，实用新型专利 8 项，获国家科学技术进步二等奖 1 项，天津和

北京市科技进步一等奖3项，省部级科技进步二等奖4项，达到了国际领先水平。

应用前景分析及效益预测：

本项目关键创新成果代表了现代大跨度结构技术的水平,引领了世界空间结

构技术的发展,提升了中国大跨度技术在世界工程领域的地位，增强了国际竞争

力，可应用于体育场馆、会展中心、交通枢纽站房等国家重要基础设施工程中。

项目发表论文 72 篇(9 篇 SCI、27 篇 EI),获发明专利 7 项,成果编入 10 本

著作和 6 本规程,推动了土木工程学科发展, 培养了一批高素质的结构工程科技

人才，对现代大跨结构的技术进步以及推动中国空间结构从大国向强国迈进都具

有重要的意义。

应用领域：

该项目科研成果已应用于包括奥运会场馆在内的近百项大跨度结构工程中，

可广泛应用于大型体育场馆、会展文化中心、重大交通枢纽、大型厂房等基础设

施工程中，可推广应用程度高，取得了巨大的经济效益，工程节支总额超过二亿

元，对我国大跨结构技术的发展具有显著推动作用。