一、立项背景
建筑结构的发展与材料的创新和建造技术的提升密切相关。随着材料科学与生产工艺的提升，近些年以碳纤维复合材料为代表的新型高性能建材逐渐引起工程界的重视。碳纤维增强复合材料（简称CFRP)是由碳纤维材料与基体材料按一定比例混合，并经过一定工艺复合形成的新型高性能材料。相较于传统钢材，CFRP具有轻质高强、耐腐蚀性好、热膨胀系数小、松弛率低等显著优点，势必成为未来大规模替代传统钢材的首选材料。
济南黄河体育中心专业足球场位于济南新旧动能转换起步区，总建筑面积为19.733万平方米，可容纳约6.1万人，预计2024年底竣工，是国内第一批开工建设的世俱杯专业足球场之一，也是山东省首个6万座专业足球场。足球场设计、施工难度大，索体、索夹用钢量约2650吨，是国内专业足球场索结构用量最大工程之一，计划索结构全部采用国产索体，为类似工程国产化投入率最高项目。
研究团队充分利用济南黄河体育中心专业足球场的特色项目载体，力争将传统空间索桁架结构中的部分受力钢索替换为高性能的CFRP索，提出新型CFRP-钢索组合空间索桁架结构。实现国际首例在主体结构吊索中大面积应用CFRP碳纤维索体的突破，拓展传统空间结构材料形式，填补CFRP空间索桁架相关设计、施工理论空白，推动新型高性能材料在土木工程领域的应用发展。
二、任务来源
该课题研究来源于中建八局内部自主立项项目，由公司科技质量部、工程研究院主导，局科技质量部、工程研究院共同参与，以校企合作研发平台为依托，开展“新型CFRP空间索桁架结构设计与施工关键技术研究与应用”研究开发。
三、应用领域
建筑施工领域。
四、技术原理
为填补CFRP空间索桁架相关设计、施工理论空白，依托济南新旧动能转换起步区黄河体育及科技园区基础设施一期工程足球场项目，建立CFRP索空间索桁架结构的精细化分析方法，研发CFRP-钢索索节点设计与锚固系统，研发索桁架张拉成型全过程仿真与施工精度控制技术，归纳形成新型CFRP-钢索组合空间索桁架结构的设计理论与施工关键技术。
1.CFRP-钢索组合空间索桁架设计理论与承载性能分析研究；通过结构概念分析，制定黄河体育场空间索桁架拉索替换方案；研究CFRP索与传统拉索的替换准则，通过有限元分析评估等强度、等截面面积与等轴向刚度三种不同的替换方法，并开展相关缩尺静载试验，验证相关设计理论可行性。CFRP与传统材料在材料强度、延性、热膨胀性能等方面存在显著差异，基于Sap2000与Abaqus建立CFRP-钢空间索桁架结构分析方法，通过多参数分析研究组合空间索桁架结构的协同受力性能，尤其是温度作用下的变形协调能力。对施工过程中、结构使用过程中的极端受力状态进行分析，评估CFRP索的安全适用性。
2.CFRP-钢索索节点设计与夹具系统技术研发；研发抗滑移索夹具，有效降低拉索预应力损失，同时索夹具采用万向转动装置，有效降低CFRP索节点端部的剪切作用，充分发挥CFRP拉索的轴向拉伸性能。目前，索锚固技术是阻碍碳纤维新型建材大规模推广的首要难点。因此针对索桁架结构体系，研发新型CFRP定长索锚固系统，通过节点静载试验优化锚具系统，并分析不同锚具对拉索锚固性能的影响，解决传统CFRP索锚具尺寸大、安装过程复杂、视觉效果差等问题。
3.大跨空间索桁架张拉成型全过程快速仿真分析技术；索结构张拉过程属于大变形、强非线性分析问题，传统仿真软件、分析算法在计算效率、收敛性等方面存在不足，通过建立一种新型索桁架找形分析算法，实现索桁架提升、张拉全过程有限元仿真分析，准确获得不同时刻、不同形态下CFRP索与钢索的内力状态，有效避免张拉过程CFRP索材的损伤。同时，基于建立的仿真算法，建立索结构缩尺模型，与缩尺模型受力过程进行实时对比，验证索桁架张拉成型全过程快速仿真分析精度。
4.大跨度CFRP索桁架张拉施工与精度控制技术研究；空间索桁架支承于复杂造型钢屋盖内环三角形桁架之上，下部钢结构节点复杂、类型多；屋盖绵延起伏，线条拟合难度大，因此钢屋盖的施工形态误差控制是确保索桁架施工精度的首要问题。为此拟采用3D激光扫描仪+结构逆向建模技术，通过测点快速扫描、实测模型快速生成，与BIM三维设计模型进行空间节点匹配与误差分析，实时反馈、指导现场钢结构拼装。
五、性能指标
1.全部采用国产索体，类似工程国产化投入率最高项目；
2.建领域主体受力索国际首次应用CFRP索材，使用量约5吨；
3.复杂索桁架施工张拉力控制在设计值10%以内，拱度及挠度控制在设计值5%以内；
4.相关施工仿真与张拉形态控制技术，将有效缩短空间索桁架施工工期9天，节约人工费设备费近1254.66万元。
六、与国内外同类技术比较
早在20世纪80年代,国外就对CFRP（碳纤维增强复合材料）的绞线和棒材的性能着手开展研究,瑞士联邦材料实验室(EMPA)进行的CFRP拉索的室内静动载试验尤为令人关注。当今,国内外将CFRP筋作为混凝土梁桥体外预应力的研究及应用正日益增多, 但将CFRP筋用作斜拉桥拉索的实际工程仍屈指可数。世界上第1座采用CFRP斜拉索的公路桥是1996年在瑞士温特图尔建成的Stork桥。但在其24根斜拉索中CFRP拉索仅占2根,其余仍是高强钢绞线拉索;美国的I-5/Gilman桥也只用6根CFRP拉索和6根AFRP拉索取代了该桥中部分传统钢索;日本、丹麦和法国的3座人行桥均因荷载轻而全部采用了CFRP斜拉索。在我国,东南大学RC&PC结构教育部重点实验室联合相关单位完成了国内第1座CFRP拉索斜拉桥(江苏大学人行桥)的设计与建造,该桥全部拉索均采用CFRP材料。
目前,CFRP主要应用于桥梁加固改造、斜拉桥建造等领域，CFRP索在大跨索结构领域具有巨大的应用潜力。2021年三亚体育场首次尝试将非承重构件替换为新型CFRP索材，但目前国内外尚未有采用CFRP作为大跨空间结构主要受力构件的工程案例。
七、技术成熟程度
1.首创CFRP-钢索组合空间索桁架设计理论与承载性能分析技术，实现国际首次采用CFRP作为大跨空间结构主要受力构件的工程案例，扩展了CFRP材料的应用领域。
2.研发了CFRP-钢索组合空间索桁架结构缩尺模型试验，提出了面向实际工程的CFRP-钢索组合索桁架结构缩尺模型设计方法，填补国内CFRP-钢索组合索桁架结构缩尺模型设计的研究空白。
3.开展开展CFRP-钢索索节点设计与夹具系统技术研发，实现了国际首例CFRP筋整体式夹片型锚固系统锚具设计研发。
4.通过大跨空间索桁架张拉成型全过程快速仿真分析试验，建立了索桁架结构参数化模型和施工误差空间模型，并获取了影响因素与结构受力性能间的非线性映射关系。
5.通过对大跨度CFRP索桁架张拉施工与精度控制技术实施，实现拉索应力的实时反馈及拉索施工过程全站仪+3D激光扫描仪协同监测，索结构整体施工精度，张拉力控制在设计值10%以内，拱度及挠度控制在设计值5%。
八、成果创造性、先进性
1.提出新型CFRP-钢索组合空间索桁架结构体系，建立此类空间索桁架的承载性能分析方法，实现国际首例在主体结构吊索中大面积应用CFRP碳纤维索体的突破，拓展传统空间结构材料形式，填补CFRP空间索桁架相关设计、施工理论空白；
2.建立CFRP-钢索索节点设计分析方法，研发新型抗滑移万向转动索夹具系统，有效避免拉索应力损失及CFRP索横向受剪破损等问题，实现CFRP索与传统钢索高效连接；
3.研发新型CFRP定长索锚固系统，解决传统CFRP索锚具尺寸大、安装过程复杂、视觉效果差等问题，有利拓展CFRP索的应用领域；
4.建立黄河体育场空间索桁架张拉成型全过程数值仿真分析方法，解决索张拉过程大变形、强非线性等仿真难点，实现复杂索桁架结构的施工方案优选，为现场索张拉施工提出技术支撑；
5.建立CFRP空间索桁架张拉施工与过程监测技术，提高现场施工效率与拉索安装精度，有效解决CFRP索吊装过程损伤、定长索设计值与实际锚固长度偏差大等问题，实现新型索桁架结构的高质量施工。
九、作用意义
新型CFRP空间索桁架结构设计与施工关键技术的成功应用，实现了国际首例在主体结构吊索中大面积应用CFRP碳纤维索体的突破，拓展传统空间结构材料形式，填补CFRP空间索桁架相关设计、施工理论空白，大大地缩短了施工工期，节约施工费用，各项指标均满足设计及规范要求。本项科技成果在黄河体育中心专业足球场项目的推广应用，为当地建筑行业起到了一定的科技示范作用，提高了我公司在全国建筑业的知名度。从开工至今，项目施工过程倍受山东省领导的关注。本成果的成功推广应用，进一步提高了我局在新型CFRP索结构领域的技术水平，扩大了中建八局的知名度及美誉度。
对相关类似的体育场馆项目，新型CFRP空间索桁架结构设计与施工关键技术中各项综合技术的应用都是具有前瞻性与指导性意义的。尤其是创新提出新型CFRP-钢索组合空间索桁架结构体系，更是填补CFRP空间索桁架在全世界范围内的建造空白，仅对于工期、安全、质量具有较高的参考价值，社会效益显著，具有广阔的推广应用前景。

一、推广应用范围
本技术已在济南新旧动能转换起步区黄河体育记科技园区基础设施一期工程足球场项目得到了成功应用，研究团队充分利用特色项目载体,将传统空间索桁架结构中的部分受力钢索替换为高性能的CFRP索，提出新型CFRP-钢索组合空间索桁架结构设计与施工关键技术。实现国际首例在主体结构吊索中大面积应用CFRP 碳纤维索体的突破，拓展传统空间结构材料形式，填补CFRP空间索架相关设计、施工理论空白，推动新型高性能材料在土木工程领域的应用发展。
二、推广应用前景
本技术在黄河体育中心专业足球场项目上的成功应用，填补了钢-CFRP空间索桁架相关设计、施工理论空白，建立CFRP索空间索桁架结构的精细化分析方法、研发CFRP-钢索索节点设计与锚固系统、研发索桁架张拉成型全过程仿真与施工精度控制技术，归纳形成新型CFRP-钢索组合空间索桁架结构的设计理论与施工关键技术。
由于该成果的创新性，为今后类似的体育场馆施工提供了可靠的先例，对相关高难度施工技术提供了良好的借鉴，同时，拓展传统空间结构材料形式，推动新型高性能材料在土木工程领域的应用发展，恰逢其时，前景广阔。
三、推广应用措施
为进一步推广本成果的应用范围，中建八局一公司将借助黄河体育中心专业足球场工程特色项目载体，并充分发挥中建八局在大型体育场馆领域的知名度，打造新型CFRP-钢索组合空间索桁架结构的技术示范工程，展示其优越性能和应用效果。联合天津大学等合作高校，组织专业技术人员参加新型CFRP空间索桁架结构设计与施工关键技术培训，并通过学术会议、研讨会等形式，加强国内外学术交流与合作，推广新型CFRP-钢索组合空间索桁架结构的设计理念和技术成果。
四、存在问题
关于新型CFRP-钢索组合空间索桁架结构体系，行业内目前暂无现行明确规范。
五、改进意见
下一步中建八局一公司将总结相关经验，加强新型CFRP空间索桁架结构设计理论研究，继续开展模型试验和数值模拟研究，验证理论的正确性和可靠性。并联合各大科研院校形成新型CFRP-钢索组合空间索桁架结构体系规范标准，规范新型CFRP-钢索组合空间索桁架结构的设计、施工、验收等环节，推动其标准化、规范化发展。