成果简介： 高层与超高层建筑不断发展，常规桩筏基础面临诸多新的挑战，课题组以多年积累的土与结构物相互作用理论研究成果为基础，以解决土、溶、岩复杂地质条件无法实施超高层建筑的实际工程难题为契机，自主创新，提出可控刚度桩筏基础的创新概念，通过在桩顶设置自主研制的刚度调节装置，主动干预、调节基桩的支承刚度，实现桩与桩、桩与土支承刚度的匹配与协调，成功将常规桩筏基础拓展到大支承刚度桩桩土共同作用、建筑物废旧桩基的再生利用、变刚度调平设计以及复杂地质条件建设高层

该成果于 2012 年获江苏省科技进步一等奖。本研究成果已在国家南水北调东线工程 48座大型泵站得到应用，经第三方机构检测，南水北调东线一期工程 15 座新建泵站设计扬程工况泵装置效率的平均值达到 77.4％，较采用传统设计理论设计的泵装置效率的整体水平提高了 7 个百分点，彻底改变了 21 世纪初我国大型泵站的泵装置效率在 70％上下徘徊不前的局面。南水北调宝应站现场运行测试表明，泵机组运行稳定，泵装置效率达到 82.8％，创我国泵站建设史上的最高记录。

本项目重点解决复杂高层结构大震分析、失效评价、失效调控、抗震设计理论等关键科学问题，开展大震弹塑性分析技术、失效评价方法、失效调控、抗震设计理论等关键理论研究和技术攻关，提出系统的复杂高层结构抗震设计理论并实现工程应用。本项目研究成果已发表学术论文109篇，其中SCI/EI 收录96篇；编写专著1部；申请或授权专利9项、软

我国高速公路建设已历 20 年。目前的设计理论借鉴了国外的思想，其实质是轻交 通路面设计思想的简单外延。我国道路的特点是交通量大，重车比例高，如外环线的重 车高达 65%，远远大于国外约 10%；超载严重，载重车超限比例达 51%。这导致路面寿命 仅 5-8 年，许多公路通车 1-2 年即大量损坏，远小于国外 20 年以上的寿命。 本研究集 17 年研究积累，创建了重交通沥青路面的完整设计理论。首先，通过实 地调研，发现了路面损坏的新类型；首次测定了动水压力，发现了沥青的迁移现象；首 次揭示了非均布重载下的路面力学响应和 Top-Down 损坏的必然性；系统阐明了路面损 坏的新机理和新模式，提出了设计新指标，为新理论构建打下了基础。其次，根据 17 年来积累的海量数据，创建了路面全寿命结构行为方程；提出了等效结构变换法，统一 了国际路面核心设计理论；发现了影响路面温度的新因素，建立了实用预测方法；首次 考虑了剪切疲劳效应，建立了永久变形预估模型；建立了材料 5 面体控制标准；提出了 "按性能设计，按力学验算"的设计思想，实现了使用性能与力学性能、结构设计与材料 设计的并轨。其三，发明了普适改性沥青系列技术，综合性能优于国际产品，打破了垄 断；提出了技术标准，研制了生产设备，实现了国产化和产业化。最后，研发了系列实 验设备，为结构和材料评价提供了新手段。 成果在沥青路面的损坏机理、温度场预估、抗剪试验以及设计思想、方法方面具有 突破和原始创新，核心设计理论的统一和"按性能设计、按力学验算"的提出，是路面领 域的重大理论突破。申请专利 14 项，出版专著 2 部，论文 177 篇，EI 检索 65 篇，部分 被引 749 次。近 5 年应邀在全国讲座 45 次。成果在国际最繁重的深港西部通道等 20 条 重交道路上直接使用，最长已用 13 年依然完好，节约路面建设资金 15-30%；已在北京、 广东、山东、江苏等省市全面使用，其他省市间接使用，部分成果已被 2007 年规范所 采纳，累计节约投资 2 亿 8 千多万元。

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。 

土木建筑科学技术领域,提出了张弦（弦支）结构体系；建立了弦支穹顶结构成套分析设计理论；研发出滚动式和插板式拉索节点专利构造技术；形成了张弦结构体系智能化和可视化施工分析软件、健康监测系统、整体提升等成套施工技术。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的技术支撑，在国内外81项重大工程中得到应用，经济和社会效益显著。

仿生表面织构起源 传统摩擦学认为光滑表面具有较低摩擦力和磨损，反之，非光滑表面会带来较大的摩擦力和磨损。而自然界进化过程中，某些生物的表面微观结构具有优异的自润滑和抗磨减磨性能，如鲨鱼皮表面微沟槽表现的超低流体阻力，穿山甲表面微结构的优异耐磨抗磨性能。因此，如能掌握其机理，则可进行工业应用。 钻头轴承及压裂泵柱塞密封系统仿生织构润滑减磨设计及应用 织构化钻头轴承 钻头作为破碎岩石形成井眼的重要工具之一，在高温高压、冲击动载及贫脂润滑的恶劣环境下，其核心部件钻头滑动轴承易发生黏着磨损从而最终导致钻头整体失效破坏，亟需降耗增寿的新技术来为其安全、可靠使用和延寿经济运行保驾护航。 发明了基于多物理场耦合的超快激光精准高效制备的冰霜辅助超快激光刻蚀分束技术（US17026096，ZL202011229792.1），形成了钻头轴承轴径曲面仿生织构的纳秒/皮秒的激光加工与表征评价方法；目前正在与中国科学院上海光学精密机械研究所和中石化江钻石油机械有限公司开展钻头轴承织构工业化的超快激光加工与质量检测流水线建设和现场应用研究测试，可满足织构化钻头2000支的年产量需求。 建立了织构钻头轴承润滑减磨性能优化设计的理论研究与实验测试评价方法(ZL201310416270.6，ZL201710973537.X，.ZL201810946598.1）。以摩擦系数、磨损量、油膜厚度、温升和无量纲承载能力等为评价指标，基于理论研究、单元实验和全尺寸的台架实验，模拟测试工况下初步优选的圆形、椭圆形、人字形沟槽织构可使钻头轴承减磨性能和寿命提升50%以上。 织构化柱塞密封系统 柱塞动密封系统是油气增产压裂作业实施中压裂泵装备的关键部件之一，其在超高压、冲击动载及交变往复运动工况下，压裂泵柱塞动密封系统易发生磨损失效而导致密封刺漏等失效，是制约压裂泵工作性能、可靠性和作业成本的关键因素， 亟需创新的设计方法来提升压裂泵柱塞动密封系统的寿命及可靠性。 发明了柱塞表面仿生织构大尺寸拼接刻蚀工艺规划及参数优化设计方法（ZL201910892024.5）， 创新研发了柱塞织构批量化激光分束加工的软件控制系统和配套夹具系统。 发明了表面织构化压裂泵柱塞及其动密封系统性能抗磨减磨性能优化设计的理论研究与试验测试评价方法(ZL201310423514.3)，基于理论模拟、单元及全尺寸台架实验，初步优选的圆形和椭圆形织构布置于压裂泵柱塞表面可实现柱塞动密封系统的摩擦系数和温升降低45%以上，寿命延长30%以上，目前正在与中石油第四石油机械有限公司和中油国家钻井装备工程技术研究中心有限公司开展现场应用试验测试。 未来应用前景及市场规模预测 该技术垂直应用领域为油气勘探开发装备、油气集输装备、通用机械装备的润滑、密封、抗冲蚀与减阻等领域，摩擦消耗了一次能源的1/3以上，80%的装备失效是由磨损引起的。两者造成的损失相当于GDP2%-7%，2019年我国的GDP为99万亿元，按5%计算约为4.95万亿元。

成果基于对地理现象与规律的“格局→作用→过程”的理解，将其抽象为地理空间模式（聚集、关联与演化模式），并针对地理空间模式挖掘的复杂空间关系、自相关与异质性、优化建模等关键科学问题开展研究，构建了面向地理现象理解的地理空间模式挖掘理论与方法。 1.发现了地理实体间空间关系描述的层次性与统计规律，建立了拓扑关系层次化描述模型和度量关系统计描述模型，突破了地理空间模式挖掘中复杂空间关系精细建模与模式认知的基础问题。 2.发现了空间自相关与空间异质性对地理空间模式表现形式影响作用的统计规律，建立了地理空间模式自适应挖掘模型与方法，突破了地理空间模式挖掘中地理要素自相关与异质性建模的关键难题。 3.发现了地理空间模式挖掘过程中模型有效性、模型性能与模型稳定性间的调和规则，结合博弈论与局部搜索策略，建立了地理空间模式挖掘自适应优化模型，提高了挖掘结果质量与稳定性。

成果基于对地理现象与规律的“格局→作用→过程”的理解，将其抽象为地理空间模式（聚集、关联与演化模式），并针对地理空间模式挖掘的复杂空间关系、自相关与异质性、优化建模等关键科学问题开展研究，构建了面向地理现象理解的地理空间模式挖掘理论与方法。 1.发现了地理实体间空间关系描述的层次性与统计规律，建立了拓扑关系层次化描述模型和度量关系统计描述模型，突破了地理空间模式挖掘中复杂空间关系精细建模与模式认知的基础问题。 2.发现了空间自相关与空间异质性对地理空间模式表现形式影响作用的统计规律，建立了地理空间模式自适应挖掘模型与方法，突破了地理空间模式挖掘中地理要素自相关与异质性建模的关键难题。 3.发现了地理空间模式挖掘过程中模型有效性、模型性能与模型稳定性间的调和规则，结合博弈论与局部搜索策略，建立了地理空间模式挖掘自适应优化模型，提高了挖掘结果质量与稳定性。