1、預應力鋼結構是工程結構學科中先進、科學、高效的新興分支學科，既能創(chuàng)造新穎輕巧的現(xiàn)代鋼結構體系，又能顯著改善結構受力，提高承載力，增大剛度和穩(wěn)定性，減輕自重，節(jié)約鋼材，降低造價。大跨度弦支穹頂結構體系屬于大跨空間結構和現(xiàn)代預應力鋼結構領域的前沿課題之一。本文調(diào)研了預應力鋼結構的研究現(xiàn)狀，對國內(nèi)外研究文獻進行了總結，以2008奧運會工程建設為契機，在國家自然科學基金、北京市科委科技奧運專項等項目資助下，落實“科技奧運”理念，立足自主創(chuàng)新精神

2、，進行了新型大跨度預應力弦支穹頂結構體系創(chuàng)新及其奧運工程應用，論文主要取得如下研究成果：
　　 新型大跨度預應力弦支穹頂節(jié)點構造與結構體系創(chuàng)新，包括授權國家發(fā)明專利V字型徑向索弦支網(wǎng)格穹頂、索桿弦支穹頂、預應力鋼結構撐桿可調(diào)節(jié)節(jié)點連接裝置、多次預應力弦支穹頂?shù)?。這些成果顯著消除撐桿端彎矩，調(diào)整撐桿長度對體系施加預應力，使結構傳力更清晰，顯著改善受力，方便施工，提高豎向和橫向整體穩(wěn)定性和極限承載力，充分發(fā)揮材料強度，節(jié)約材料，降低

3、造價，使弦支穹頂結構突破了國際上46米跨度的限制，為我國設計、建成世界上第一個新型大跨度預應力弦支穹頂結構提供了堅實的科學依據(jù)。
　　 首次提出了預應力鋼結構優(yōu)化設計的改進粒子群優(yōu)化算法。解決了性態(tài)變量與幾何變量的耦合問題，實現(xiàn)幾何形狀、預應力度、截面尺寸的同步優(yōu)化，優(yōu)化模型和程序與現(xiàn)行規(guī)范相結合，除考慮鋼構件和索的強度約束外，還考慮鋼構件的構件穩(wěn)定性約束、結構整體位移約束，并考慮荷載多工況作用，實現(xiàn)優(yōu)化理論研究與重大工程應用相

4、結合，成果達到工程應用水平，成功應用子2008奧運會羽毛球館大跨度鋼結構體系方案選型及設計，設計完成的第一個新型大跨度預應力弦支穹頂結構體系，用鋼量低至62kg/m2，節(jié)約鋼材38％，達到鋼結構體系合理、輕盈與建筑造型優(yōu)美的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實現(xiàn)結構安全、經(jīng)濟雙優(yōu)目標。
　　 基于概率理論，提出了適合于具有初始缺陷弦支穹頂結構整體穩(wěn)定性分析的初始缺陷概率法。采用該方法全面研究節(jié)點施工定位偏差、桿件初偏心、索的初拉力偏差、材料彈性模量偏差

5、諸多初始缺陷對弦支穹頂結構非線性整體穩(wěn)定性和極限承載力的影響，并與傳統(tǒng)的特征值屈曲模態(tài)法進行對比分析。研究表明初始缺陷概率法能夠充分反映弦支穹頂結構整體穩(wěn)定性和極限承載力受初始缺陷的影響規(guī)律，初始缺陷的分布和大小更加合理，并且是偏于安全的。初始缺陷概率法在2008奧運會羽毛球館弦支穹頂結構整體穩(wěn)定分析中得到有效應用，驗證了該方法的適用性。
　　 2008奧運會羽毛球館1:10縮尺模型的靜力、整體穩(wěn)定性能及施工張撾模擬試驗研究。采

6、用數(shù)值模擬加載和試驗模型加載兩種方法，研究了在成型前、施工張拉過程中、成型后、三倍超載直至極限加載破壞整個過程的力學性能。獲得模型的構件內(nèi)力、節(jié)點位移、支座水平位移的變化規(guī)律，得到代表整體穩(wěn)定性能的極限荷載的理論值和試驗值，驗證了設計。研究了活荷載不對稱分布對結構整體穩(wěn)定性的影響規(guī)律，得到模型整體失穩(wěn)的破壞形態(tài)和破壞機理及極限承載力。選取4種張拉方案進行了有限元數(shù)值模擬和模型試驗，通過索力、節(jié)點位移、構件應力的對比分析確定了最優(yōu)的張拉方

7、案。
　　 提出了全新的模擬預應力鋼結構施工全過程的索力預松弛法，全面分析節(jié)點施工定位偏差、施工溫度、施工臨時支撐、索撐節(jié)點摩擦力等對張拉施工的影響規(guī)律，采用此法與摩擦單元、節(jié)點耦合技術、局部降溫方法結合準確模擬了施工的真實全過程，得到各因素對結構設計、施工的影響規(guī)律。對2008奧運羽毛球場館新型大跨度預應力弦支穹頂結構實際工程進行了施工模擬仿真分析，預演了真實的張拉過程，為張拉方案和張拉控制參數(shù)的選取及施工驗收標準的確定提供了

8、重要依據(jù)。
　　 針對2008類運會羽毛球館屋蓋新型大跨度預應力弦支穹頂結構組成和布局特點，研制了一套完整的實時全壽命健康監(jiān)測系統(tǒng)。在施工張拉階段及結構全壽命服役期中對整個結構包括索力、網(wǎng)殼構件內(nèi)力、網(wǎng)殼節(jié)點位移變化的全過程實時監(jiān)控，為工程的驗收提供了重要依據(jù)，驗證了結構在服役期的安全性。目前該系統(tǒng)仍在監(jiān)控狀態(tài)，確保了結構安全、健康運行。長期的監(jiān)控將獲得大跨度弦支穹頂結構內(nèi)力的長期變化規(guī)律，對結構剩余使用壽命進行預測，適時提出預

9、應力的補償措施。
　　 本文的研究工作及成果貫穿于新型大跨度預應力弦支穹頂結構的體系創(chuàng)新、優(yōu)化設計、模型試驗、施工張拉及控制、服役期全壽命健康監(jiān)控全過程，理論、試驗研究與重大工程實際相結合，圓滿解決了結構設計和施工中的多個關鍵技術難題，突破國際上弦支穹頂結構46m跨度的限制，為實現(xiàn)93米新型大跨度弦支穹頂結構體系提供了堅實的創(chuàng)新成果支撐，達到鋼結構體系輕盈與建筑造型優(yōu)美的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，實現(xiàn)結構安全、經(jīng)濟雙優(yōu)目標。研究成果在2008年