大跨空间结构关键节点复杂构件和施工控制技术研究

12018年度国家科技进步奖安徽省提名项目公示（一）项目名称大跨空间结构关键节点、复杂构件和施工控制技术研究及其工程应用（二）提名意见现代大跨空间结构体系呈现多样化，使得构件、节点及其施工技术越来越复杂。我国现行规范关于大跨空间结构关键节点和复杂构件的设计规定尚不完善，同时传统的施工技术相对滞后，制约了其应用与发展。项目通过产学研联合，对大跨空间结构的关键节点与构件承载性能、施工控制技术进行了深入系统的研究。项目研究成果直接应用于合肥新桥国际机场航站楼、世博会西班牙馆、中国现代五项游泳击剑馆、合肥滨湖国际会展中心等十余项，其核心技术已在国内类似工程得到推广应用；同时为国家及地方规范标准编制和修订提供了理论依据；推动了我国大跨空间结构基础理论研究和科学技术进步。项目获得发明专利10项，发表论文25篇，制定国家标准3项，、行业标准4项、省部级标准2项，出版专著2本。项目材料填写规范，内容真实，经公示无异议。对照国家科学技术进步奖授奖条件，提名该项目为国家科学技术进步奖二等奖。2（三）项目简介该项目为属于土木建筑科学技术中大跨空间结构技术领域。随着我国大跨空间结构建筑大量涌现，大跨空间结构体系呈现多样化，使得构件、节点及其施工技术越来越复杂。我国现行规范关于大跨空间结构关键节点和复杂构件的设计规定尚不完善，同时传统的施工技术相对滞后，制约了其应用与发展。本项目通过产学研联合，对大跨空间结构的关键节点与构件承载性能、施工控制技术进行了深入系统的研究，研究成果直接应用于合肥新桥国际机场航站楼、世博会西班牙馆、中国现代五项游泳击剑馆、合肥滨湖国际会展中心等多项工程，推动了大跨空间结构基础理论研究和科学技术进步。主要创新如下：创新点一：大跨空间结构的关键节点承载性能研究针对机场航站楼钢结构屋盖立体钢管桁架与箱型截面曲梁的新型转换节点、会展中心大跨重屋盖梁柱销轴连接节点、交通枢纽工程复杂空间铸钢节点等，进行了节点承载性能的试验研究和数值分析，建立了此类关键节点便于工程设计的简化计算方法。创新点二：大跨空间结构的复杂构件承载性能研究依托机场航站楼钢结构箱型截面曲梁和箱型斜柱、异形扭曲复杂构件等，进行了大比例尺寸模型试验研究和数值理论分析，建立了基于稳定的箱型曲梁承载力计算相关公式和3基于性能化的箱型斜柱抗震设计方法，提出了异形扭曲钢构件焊接工艺，弥补了现行国家规范对大跨度、非地震作用控制的复杂构件宽厚比限值的不足，并直接应用于实际工程，取得了显著的经济效益。创新点三：大跨空间铝合金结构盘式节点与大截面构件承载性能研究结合多项大跨度铝合金网壳结构，系统地进行了铝合金结构盘式节点和大截面铝合金构件承载性能试验研究、数值模拟和理论分析，提出了盘式节点的承载力计算公式和设计方法，大截面铝合金工型和箱型截面的整体与局部稳定性设计方面被相关规范标准所采纳，在多项大跨空间结构工程中推广应用。创新点四：大跨空间结构施工过程控制技术研究针对大跨度空间钢结构的施工技术，提出了计算模型的修正方法以及施工过程分析中应选取的荷载及荷载组合；提出了施工过程主要控制参数的确定原则、确定方法以及主要控制参数监测测点的布置原则；提出了施工过程监测数据的分类、处理与补偿方法；针对施工过程控制，提出了施工过程中结构临界失效状态的判定准则、确定临界失效模式的算法及施工过程参数化预警方法；对索撑节点性能进行研究，提出了反映预应力张拉效率的参数以及索撑节点滑移本构模型；基于物联网技术，研发了大跨度钢结构施工过程监测与预警控制系统平台，实现了大跨度钢结构复杂多参数和时4变状态下的工程施工质量和安全。研究成果直接应用于合肥新桥国际机场航站楼、世博会西班牙馆、中国现代五项游泳击剑馆、合肥滨湖国际会展中心等十余项，其核心技术已在国内类似工程得到推广应用；同时为国家及地方规范标准编制和修订提供了理论依据；推动了我国大跨空间结构基础理论研究和科学技术进步。（四）客观评价一）科技成果鉴定1、安徽省科技厅组织了以马克俭院士为组长的评审组对“合肥新桥国际机场航站楼钢结构设计与施工控制关键技术”进行鉴定认为：“该课题成果的成功应用，提高了工程可靠度，降低了工程建设成本，社会经济效益显著；为相关规范修订提供技术支持，推动我国大跨度钢结构相关领域的科技进步。成果总体上达到国际先进水平，其中桁架与箱型曲梁连接转换节点等成果处于国际领先水平”。2、安徽省科技厅对“异形扭曲钢结构智能制造创新研究与应用”进行鉴定认为：“为该项目研究获得多项国家专利技术，发表学术论文多篇，项目研究成果已取的显著的经济和社会效益。具有广泛的推广应用价值。研究成果整体达到国内领先水平。”3、四川省科技厅对“大跨度铝合金单层网壳结构关键技术研究与应用”进行鉴定认为：“该研究成果总体达到国际先进水平，建议进一步加强在大跨度公共建筑中的推广应5用。”二）项目验收意见合肥新桥国际机场建设指挥部组织专家对“合肥新桥国际机场航站楼钢结构设计与施工控制关键技术”项目进行验收认为：“科研成果与相关参数已成功应用于合肥新桥机场航站楼工程建设设计与施工控制中，效果明显，经济与社会效益显著。”三）规范采纳“合肥新桥国际机场航站楼钢结构设计与施工控制关键技术”研究成果为国家标准《钢结构设计规范》GB50017修订版、《轻型钢结构住宅技术规程》JGJ209和安徽省地方标准《钢管桁架结构技术规程》DB34/T5002有关条文的制定提供了理论依据和试验数据。“大跨度铝合金单层网壳结构关键技术研究与应用”部分研究成果被《铝合金空间网格结构技术规程》所采用。三）查新报告安徽省科学技术情报研究所对“合肥新桥国际机场航站楼钢结构设计与施工关键技术”的主要科技创新点进行查新，结论得出：“本课题组研究的提出了屋盖桁架与箱型截面曲梁连接的新型转换节点；大跨度钢结构箱型截面构件的基于性能化的箱型钢柱抗震设计方法；这在国内外相关文献中均未见相同内容的报道，并且大跨度钢结构施工过程中结构临界失效状态的失效模式确定方法也和文献中报道的不6相同。”安徽省科学技术情报研究所对“异形弯扭构件柔性制作技术”的主要科技创新点进行查新，结论得出：“本项目研究构建的可完成H型、箱型异形弯扭构件制作的异形弯扭构件柔性制作系统，以及异形弯扭构件的工厂加工制作工艺，未见有报道。”（五）推广应用情况本课题研究直接面向解决合肥新桥国际机场航站楼钢结构工程技术问题，解决了屋盖立体钢管桁架与箱型曲梁的转换节点等关键技术问题，克服了转换节点整体稳定承载力分析中的计算难题，提出了简化计算方法和技术措施指导了工程设计。合肥新桥国际机场航站楼钢结构（含屋面体系）工程总造价约15,000万元，应用课题研究成果节约造价及管理费用等1100多万元，产生了显著的经济效益。本课题研究成果应用于上海世博会西班牙馆，获得中国钢结构协会金奖、上海市建设工程金属结构金刚奖；应用于内蒙古蒙泰不连沟矿井及选煤厂，获得鲁班奖；应用于合肥京东方第六代薄膜晶体管液晶显示器件厂房项目，获得詹天佑奖；应用于合肥滨湖国际会展中心工程，获得中国钢结构金奖。还应用于贵阳龙洞堡国际机机场航站楼和珠海歌剧院大跨度钢结构工程、成都中国现代五项赛事中心游泳击剑馆、武汉体育学院综合体育馆、郫县体育中心等工程。本课题研究成果推广应用以来，完成单位新增销售收入75.9亿元，新增利润0.57亿元，新增税收2874万元。创造了重大的经济、社会和环境效益，为我国大跨空间结构复杂构件、关键节点和施工控制技术的发展做出了重要贡献。（六）主要知识产权证明目录1、发明专利钢结构高延性抗震节点中国ZL200810222817.82011年4月清华大学王元清有效2、发明专利一种钢管-FRP管内填混凝土组合结构中国ZL200710191092.62009年7月合肥工业大学王静峰有效3、发明专利纤维复合材料薄壁钢管混凝土组合结构中国ZL200810123344.62008年12月合肥工业大学王静峰有效4、发明专利金属构件初始整体几何缺陷的简易测量方法中国ZL201410178992.72016年8月合肥工业大学完海鹰有效5、发明专利应用在试件底部模拟固支边界轴心荷载的特殊构件中国ZL201310012943.12015年6月合肥工业大学完海鹰有效6、发明专利结构构件整体几何初始缺陷测量方法中国ZL201110117079.22013年5月合肥工业大学完海鹰有效7、发明专利用于装配式冷弯薄壁钢结构连接的销轴法8兰节点结构中国ZL201210336603.X2014年11月清华大学王元清有效8、发明专利一种结构支座垂直调节装置中国ZL201410025143.82014年11月清华大学王元清有效9、实用新型专利多曲率异形钢管检测板中国ZL201120299966.12012年3月安徽富煌钢构股份有限公司沈万玉有效10、计算机软件著作权基于物联网的建筑结构健康监测系统软件中国2012年6月软著登字第0480268号合肥工业大学\有效11、专著建筑钢结构稳定理论与应用2010年8月人民交通出版社罗永峰12、专著建筑钢结构施工力学原理2009年1月中国建筑工业出版社罗永峰（七）主要完成人情况完海鹰，排名第一，项目负责人，教授。工作单位与完成单位：合肥工业大学。结合航站楼大跨度钢结构设计，提出了箱型截面曲梁稳定承载力简化计算方法，为工程设计提供技术支持。提出了大跨度钢结构施工中伺服施工过程中结构临界失效状态的判定准则和临界失效模式的确定方法以及伺服施工过程控制的参数化预警方法，研发了基于物联网技术的大跨钢结构施工过程安全监测和预警控制系统平台，9直接应用于该工程施工。王元清，排名第二，项目主要完成人，教授。工作单位与完成单位：清华大学。结合航站楼的设计，进行了转换节点、曲梁承载性能的模型和原型试验研究和数值分析，克服了转换节点、曲梁整体稳定承载力分析中的计算难题，并提出了简化计算方法便于工程设计和技术措施。罗永峰，排名第三，主要完成人，教授。工作单位与完成单位：同济大学。提出了大跨度钢结构箱型截面构件的稳定承载力公式和抗震设计方法。提出了大跨度钢结构施工中伺服施工过程中结构临界失效状态的判定准则和临界失效模式的确定方法以及伺服施工过程控制的参数化预警方法，为工程设计提供技术支持。冯远，排名第四，教授级高工。工作单位与完成单位：中国建筑西南设计研究院有限公司。提出了应采用几何和材料双非线性屈曲分析作为铝合金单层网壳结构整体稳定性控制的设计理念。通过理论分析及试验研究，设计出刚性板式空心节点，提出节点板螺栓孔制作误差的控制标准。丁大益，排名第五，教授级高工。工作单位与完成单位：中国五洲工程设计集团有限公司。结合航站楼设计，对结构选型和结构体系进行了基于性能化的分析，确立了结构方案，并考虑了温度荷载对超长结构的影响，提出了改进技术措施。提出并解决了屋盖立体钢管桁架与箱型截面曲梁的新型转换节点等关键技术问题；进行了转换节点承载性能的模10型和原型试验研究和数值分析。王静峰，排名第六，教授。工作单位与完成单位：合肥工业大学。提出了大跨度钢结构施工中伺服施工过程中结构临界失效状态的判定准则和临界失效模式的确定方法、伺服施工过程控制的参数化预警方法，为工程设计提供技术支持。结合机场航站楼工程的研究成果，对建筑工程中常用的圆形和矩形钢管桁架结构设计、施工和验收做出较为系统、全面的规定。沈万玉，排名第七，教授级高工。工作单位与完成单位：安徽富煌钢构股份有限公司。研究提出了复杂异形扭曲钢构件成型与精度控制技术；厚板分散循环对称均匀焊接及焊接反变形控制和温控消减与残余应力控制技术；（复杂异形扭曲钢构件智能制造系统集成技术。苗冬梅，排名第八，教授级高工。工作单位与完成单位：中国建筑第八工程局有限公司。对箱型钢柱进行了壁板稳定性试验研究和数值分析，获得箱形截面钢柱在地震循环荷载作用下的刚度变化特征、失稳机理及稳定极限承载力。提出延性系数与板件宽厚比、长细比以及构件位移比的相关公式，并提出箱形截面构件板件宽厚比的合理限值及相应的抗震设计验算方法。刘威，排名第九，教授级高工。工作单位与完成单位：中国五洲工程设计集团有限公司