建筑功能日益多样化,要求建筑物能够提供更大的使用空间。纵观空间结构发展历史,如何提高建筑结构跨越能力一直是结构工程师的不懈追求。自古罗马时期万神庙到1957年的小罗马体育宫,在如此漫长的历史进程中,受制于建筑材料发展水平,结构跨越能力几乎没有提高;近三十年来,随着新材料、新工艺、新技术、新结构形式不断涌现,空间结构发展实现巨大飞跃,结构跨度已达300m量级。空间结构发展为更大跨度穹顶结构探索提供了一定的技术支撑。与此同时,随着人类社会的发展进步,超大跨度穹顶结构建造需求日益显现:在极地、沙漠以及外星球等自然条件极为恶劣地区,营造适合人类生存的区域小环境;保护城市居民免受环境恶化、自然灾害的影响;城市发展过程中节能减排的要求等。早在二十世纪六十年代,欧美发达国家的建筑结构大师开始对千米级超大跨度穹顶结构展开研究,并提出若干概念性设计方案。超大跨度穹顶结构研究是一项多学科的系统工程,对于如此巨大、且需承受复杂荷载的结构,采用什么样的结构体系是其首先需要解决的问题。围绕800m超大跨度穹顶结构方案选型问题,本文主要开展了以下研究工作:(1)建立统一的结构方案评价标准以现行工程设计规范为基础,并结合当前科技发展水平,建立了包括结构方案设计与结构性能分析的统一技术标准。首先,为选择合理建筑材料,探索了轻质高强材料在超大跨度穹顶结构方案设计中的适用性;其次,为提高方案选型效率,编写了桁架式构件与梁式构件截面设计程序,并验证了其正确性;最后,为解决传统有限元方法进行结构全过程分析存在的计算不收敛、“回漂”等问题,引入了向量式有限元方法,并对方法的相关参数取值进行了研究。(2)刚性结构方案探索刚性结构是工程应用中最为常用的结构形式,而双层网壳结构是其优秀代表。针对双层网壳结构,从凯威特型交叉桁架球面网壳结构出发,依次调整上下弦构件拓扑关系、结构曲面形状以及网格划分方法,对比所得不同结构方案综合性能,获得相对较优双层网壳结构方案。以此为基础,开展结构跨度、矢跨比、支承方式、结构厚度以及网格尺寸等参数分析,了解不同参数对结构性能的影响,最终给出相对较优的参数取值建议。(3)刚柔组合结构方案探索刚柔组合结构是将刚性结构与柔性结构进行合理组合,目的是获得更佳的结构性能与建筑效果。针对刚柔组合结构方案,基于改善结构方案通透性考虑,结合不同结构形式受力特点,选取索承网壳结构与索杆加强网格结构,探索其在超大跨度穹顶结构中的适用性。将索承网壳结构与双层网壳组合,获得上下组合结构方案(中心索承网壳结构外圈双层网壳结构),通过反复满应力设计与找形分析完成方案设计,获得结构性能;对于索杆加强网格结构,研究了索撑短程线型网格结构、索撑四边形网格结构以及索撑巨型桁架结构的结构性能。