“科学技术奖”二等奖项目

　　一、项目简介 

　　获奖项目名称：非圆建筑球面弦支穹顶结构关键技术研究与应用 

　　主要完成单位：天津大学建筑设计规划研究总院有限公司、天津大学、天津理工大学、河北建设集团股份有限公司、河北大学 

　　主要完成人：闫翔宇、于敬海、王小盾、陈宗学、刘静、张锡治、贾莉、王彬、齐凯、于越 

　　二、项目背景 

　　河北北方学院体育馆是服务于2022 年冬奥会的甲级体育馆，具有承担全国性综合运动会及国际级单项赛事的能力。该体育馆整体采用颇具传统特色且简洁大气的“灯彩”造型，结构跨度较大，跨径最短向达 84ｍ；屋顶结构平面为不规则形状，屋面曲面很难找到规则方程；由于建筑高度受限，屋顶钢结构高度要求在 6m 左右，短轴方向矢跨比约为 1/14，属于扁平屋盖。其独特造型对结构设计及施工关键技术提出了挑战。 

图1 河北北方学院体育馆建筑效果图

　　三、创新成果 

　　1.针对"大跨度小矢跨比"壳体屋盖不规则的建筑形态，通过比选确定弦支穹顶结构方案，实现结构体系的优化布置；针对“非规则平面”的球面弦支穹顶结构，提出一种适用于非标准圆形平面建筑屋盖的球面弦支穹顶结构专利技术（图2），实现将受力性能较好的球面弦支穹顶结构应用到平面投影不规则的建筑中。 

图2 基于非规则平面的弦支穹顶结构形成过程

　　2.对新型弦支穹顶结构，分析各种荷载工况及组合下结构的静动力性能，考虑矢跨比、撑杆长度、环索初拉力、支座水平刚度等参数的影响展开分析，揭示各参数变化对整体结构位移、构件内力等静力性能的影响规律；研究考虑初始缺陷、几何非线性及材料非线性的弦支穹顶结构稳定承载能力及稳定安全系数取值；对比分析地震下单独弦支穹顶屋盖及上下部结构共同工作的整体模型的动力响应，研究下部混凝土结构对上部钢屋盖抗震性能的影响；针对撑杆上节点进行构造优化分析，对比优化前后节点应力分布、极限承载状态等节点性能，提出耳板贯通节点的构造形式（图3）。 

图3 耳板贯通节点变形云图

　　3.针对索撑节点在预应力张拉过程中造成的预应力损失问题，通过改进的冷冻升温环索预应力摩擦损失算法，研究索撑节点滑移摩擦对弦支穹顶结构参数的影响；基于循环补偿法，提出一种既能考虑施工期间环境温度变化，又能考虑分阶段施工、临时支承下张拉等因素的弦支穹顶结构预应力张拉施工全过程分析方法；对新型弦支穹顶结构完成全过程施工及健康监测，指导施工建造过程，保证施工方案安全可靠。 

监测设备安装及索拉力测量

　　四、推广应用 

　　该项目技术已经获得发明专利 1 项，发表学术论文 12 篇，培养硕士研究生 10 名，工程施工总结形成的工法《弦支穹顶结构施工工法》获批准为河北建设集团股份有限公司企业级工法，并列入河北省级工法计划，指导了河北北方学院体育馆新型弦支穹顶结构工程、河北对外经贸职业学院多功能综合教学实训基地、唐山恒大御海天下项目-主题酒店戏水天地采光顶钢结构等多项工程的设计和施工，取得了显著的经济社会效益，并可供同类工程参考应用。 

网壳安装完成

河北北方体育馆建成后实景图

河北北方学院体育馆室内实景图

河北北方学院体育馆夜景图