一種基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明是一種應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，特別是涉及一種 基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元。
【背景技術(shù)】
[0002] 張拉整體結(jié)構(gòu)是一種由受壓的壓桿構(gòu)件和受拉的拉索組成的預(yù)應(yīng)力自平衡體系， 結(jié)構(gòu)剛度主要由受拉單元和受壓單元之間的相互平衡的初始預(yù)應(yīng)力提供，在施加預(yù)應(yīng)力之 前，結(jié)構(gòu)幾乎沒有剛度，但是由于自應(yīng)力的存在，在特定的幾何狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)獲得剛度成為 可承受荷載的結(jié)構(gòu)，這是它區(qū)別于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的本質(zhì)特點(diǎn)。正是由于這一本質(zhì)特點(diǎn)，使得張拉 整體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和形態(tài)高度相關(guān)，表現(xiàn)出很強(qiáng)的幾何非線性和形態(tài)可調(diào)性。張拉整體結(jié)構(gòu) 可以通過改變構(gòu)件的內(nèi)力來調(diào)節(jié)或控制結(jié)構(gòu)的形態(tài)，這使得張拉整體結(jié)構(gòu)特別適合于作為 自適應(yīng)結(jié)構(gòu)和可展結(jié)構(gòu)，前者通過主動(dòng)改變構(gòu)件的內(nèi)力使結(jié)構(gòu)形態(tài)滿足一定的功能要求， 后者通過施加或完全釋放預(yù)應(yīng)力使其成為具有一定形態(tài)和剛度的結(jié)構(gòu)或退化為無剛度的 緊湊狀態(tài)。張拉整體結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、跨度大、造型美觀、充分利用材料等優(yōu)點(diǎn)，在工程中應(yīng) 用前景廣泛。但與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法不同，大型、復(fù)雜的張拉整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，一 般需依據(jù)現(xiàn)有的張拉整體結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行拓展、衍生，并根據(jù)一定的規(guī)律從而組建出大型的 現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系。
[0003] 雖然目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元，但是由于結(jié)構(gòu)的 幾何構(gòu)型和初始預(yù)應(yīng)力的不同，不同結(jié)構(gòu)的剛度也各不相同，在實(shí)際工程應(yīng)用中也存在很 大的區(qū)別。因此，開發(fā)設(shè)計(jì)基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 技術(shù)問題：本發(fā)明提供一種可拓展、衍生，能高效應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力索桿結(jié)構(gòu)體系中的 基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元。
[0005] 技術(shù)方案：本發(fā)明的基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元，包括8個(gè)鉸接節(jié)點(diǎn)，4 根壓桿構(gòu)件和12根拉索，所述的八個(gè)鉸接節(jié)點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G和H分別位于六面體幾何 的8個(gè)頂點(diǎn)處，節(jié)點(diǎn)A、B、C、D位于一個(gè)平面并按逆時(shí)針順序排列，節(jié)點(diǎn)E、F、G和H位于一 個(gè)平面并按逆時(shí)針順序排列，AE、BF、CG、DH為六面體幾何的四個(gè)棱邊，每個(gè)鉸接節(jié)點(diǎn)處均連 接一根壓桿構(gòu)件和三根拉索；
[0006] 所述的四根壓桿構(gòu)件位于六面體的內(nèi)部，并分別與六面體的四條體對(duì)角線重合， 包括連接節(jié)點(diǎn)A和G的壓桿，連接節(jié)點(diǎn)B和H的壓桿，連接節(jié)點(diǎn)C和E的壓桿，連接節(jié)點(diǎn)D 和F的壓桿；所述十二根拉索分別設(shè)置在六面體各個(gè)面上四邊形的相對(duì)頂點(diǎn)之間，并構(gòu)成 兩個(gè)相互交錯(cuò)的四面體構(gòu)形，具體包括連接節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C的拉索，連接節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)F的 拉索，連接節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)H的拉索，連接節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)D的拉索，連接節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)E的拉 索，連接節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)G的拉索，連接節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)F的拉索，連接節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)H的拉索， 連接節(jié)點(diǎn)D和節(jié)點(diǎn)E的拉索，連接節(jié)點(diǎn)D和節(jié)點(diǎn)G的拉索，連接節(jié)點(diǎn)E和節(jié)點(diǎn)G的拉索，連 接節(jié)點(diǎn)F和節(jié)點(diǎn)H的拉索。
[0007] 進(jìn)一步的，本發(fā)明基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元中，六面體幾何為正六面 體，四根壓桿構(gòu)件的長度相同，均為其中1為六面體幾何的棱邊邊長；所述十二根拉索 的長度相同，均為力/。
[0008] 進(jìn)一步的，本發(fā)明基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元，工作狀態(tài)下，所述的基于 六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元維持穩(wěn)定的自平衡狀態(tài)，四根壓桿構(gòu)件的預(yù)壓力相同，均 為F b;所述十二根拉索的預(yù)拉力相同，均為F。，并滿足Fh=
[0009] 有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0010] 傳統(tǒng)二維桁架結(jié)構(gòu)的各構(gòu)件中，不存在預(yù)應(yīng)力，材料利用效率低，整體重量較大， 而本發(fā)明所述的六面體張拉整體結(jié)構(gòu)單元內(nèi)所有拉索存在預(yù)拉力，所有壓桿存在預(yù)壓力， 拉索的預(yù)拉力與壓桿的預(yù)壓力相互平衡，當(dāng)外荷載作用時(shí)，結(jié)構(gòu)通過主動(dòng)調(diào)整構(gòu)件的內(nèi)力 從而抵抗外荷載的作用，且拉索始終處于受拉狀態(tài)，壓桿始終處于受壓狀態(tài)，構(gòu)形合理、結(jié) 構(gòu)更為輕盈，材料利用率更高。另外，現(xiàn)有的基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)體系中所有 拉索位于六面體的各條棱邊上，所構(gòu)成的六個(gè)四邊形平面抵抗橫向荷載能力較為不足，所 構(gòu)建的整體結(jié)構(gòu)的剛度較低，抵抗變形能力較弱。而本發(fā)明的張拉整體結(jié)構(gòu)單元完全不同 于已有的基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)，本發(fā)明中的十二根拉索不僅連續(xù)且分別兩兩交 錯(cuò)、布置于六個(gè)平面的內(nèi)側(cè)，整體形成兩個(gè)交錯(cuò)著的、同時(shí)也更為穩(wěn)固可靠的四面體構(gòu)形， 不但造型新穎美觀，還能保證結(jié)構(gòu)在工作狀態(tài)下具有很好的結(jié)構(gòu)剛度和受力性能，易于構(gòu) 建大型索桿結(jié)構(gòu)。
【附圖說明】
[0011] 圖1為六面體幾何的八個(gè)頂點(diǎn)示意圖。
[0012] 圖2為本發(fā)明的基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元的構(gòu)形示意圖。
[0013] 圖2中，細(xì)實(shí)線均表示拉索，粗實(shí)線均表示壓桿構(gòu)件。所有圖中A、B、C、D、E、F、G、 H表示位于六面體八個(gè)頂點(diǎn)位置的鉸接節(jié)點(diǎn)，壓桿101、102、103、104均屬于同一類壓桿構(gòu) 件，拉索 201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、212 均屬于同一類拉索。
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合實(shí)施例和說明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0015] 1.構(gòu)件連接關(guān)系與分類。
[0016] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明的基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元包括8個(gè)鉸接 節(jié)點(diǎn)，4根壓桿構(gòu)件和12根拉索，所述的八個(gè)鉸接節(jié)點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G和H分別位于六面 體幾何的8個(gè)頂點(diǎn)處，節(jié)點(diǎn)A、B、C、D位于一個(gè)平面并按逆時(shí)針順序排列，節(jié)點(diǎn)E、F、G和H 位于一個(gè)平面并按逆時(shí)針順序排列，他、職、(^、腿為六面體幾何的四個(gè)棱邊，每個(gè)鉸接節(jié)點(diǎn) 處均連接一根壓桿構(gòu)件和三根拉索。
[0017] 圖2中粗線代表壓桿構(gòu)件，共四根壓桿構(gòu)件，所述四根壓桿位于六面體的內(nèi)部，并 分別與六面體的四條體對(duì)角線重合，包括連接節(jié)點(diǎn)A和G的壓桿101，連接節(jié)點(diǎn)B和H的壓 桿102,連接節(jié)點(diǎn)C和E的壓桿103,連接節(jié)點(diǎn)D和F的壓桿104。圖2中細(xì)線代表拉索，共 十二根拉索，所述十二根拉索分別設(shè)置在六面體各個(gè)面上四邊形的相對(duì)頂點(diǎn)之間，并構(gòu)成 兩個(gè)相互交錯(cuò)的四面體構(gòu)形，具體包括連接節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C的拉索201，連接節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn) F的拉索202,連接節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)H的拉索203,連接節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)D的拉索204,連接節(jié)點(diǎn) B和節(jié)點(diǎn)E的拉索205,連接節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)G的拉索206,連接節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)F的拉索207， 連接節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)H的拉索208,連接節(jié)點(diǎn)D和節(jié)點(diǎn)E的拉索209,連接節(jié)點(diǎn)D和節(jié)點(diǎn)G的 拉索210,連接節(jié)點(diǎn)E和節(jié)點(diǎn)G的拉索211，連接節(jié)點(diǎn)F和節(jié)點(diǎn)H的拉索212。
[0018] 2.構(gòu)件的幾何長度。
[0019] 如圖1和圖2所不，用1表不六面體幾何的一個(gè)棱邊AE的邊長，所有壓桿構(gòu)件具 有相同的幾何長度，均為#/，所有拉索具有相同的幾何長度，均為萬/。
[0020] 3.構(gòu)件的預(yù)拉（壓）應(yīng)力。
[0021] 為保證結(jié)構(gòu)在無外荷載作用時(shí)處于自平衡狀態(tài)，各類構(gòu)件的預(yù)拉（壓）力的大小 需滿足以下關(guān)系：
[0023] 其中Fb和F。分別為壓桿構(gòu)件和拉索內(nèi)的軸力值。
[0024] 4.構(gòu)件的下料長度。
[0025] 構(gòu)件的下料長度是指構(gòu)件加工完成時(shí)的長度，此時(shí)構(gòu)件處于無應(yīng)力狀態(tài)。各類構(gòu) 件的下料長度為：
[0028] 其中，ζ*、C1分別為壓桿構(gòu)件、拉索的下料長度。Eb、A b分別為壓桿構(gòu)件的彈性模量 和截面面積，E。、A。分別為拉索的彈性模量和截面面積。
[0029] 5.結(jié)構(gòu)的組裝。
[0030] 將按下料長度加工好的壓桿構(gòu)件和拉索，通過八個(gè)給定的鉸接節(jié)點(diǎn)，并按照前述 構(gòu)件之間的幾何連接關(guān)系組裝在一起，最終得到的結(jié)構(gòu)將是基于六面體幾何的張拉整體結(jié) 構(gòu)單元，且所有拉索受拉，所有壓桿構(gòu)件受壓，整個(gè)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定的自平衡狀態(tài)。
[0031] 上述實(shí)施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和等同替換，這些對(duì)本發(fā)明 權(quán)利要求進(jìn)行改進(jìn)和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元，其特征在于，該結(jié)構(gòu)單元包括8個(gè)鉸接 節(jié)點(diǎn)，4根壓桿構(gòu)件和12根拉索，所述的八個(gè)鉸接節(jié)點(diǎn)A、B、C、D、E、F、G和H分別位于六面 體幾何的8個(gè)頂點(diǎn)處，節(jié)點(diǎn)A、B、C、D位于一個(gè)平面并按逆時(shí)針順序排列，節(jié)點(diǎn)E、F、G和H 位于一個(gè)平面并按逆時(shí)針順序排列，他、職、(^、腿為六面體幾何的四個(gè)棱邊，每個(gè)鉸接節(jié)點(diǎn) 處均連接一根壓桿構(gòu)件和三根拉索； 所述的四根壓桿構(gòu)件位于六面體的內(nèi)部，并分別與六面體的四條體對(duì)角線重合，包括 連接節(jié)點(diǎn)A和G的壓桿（101)，連接節(jié)點(diǎn)B和H的壓桿（102)，連接節(jié)點(diǎn)C和E的壓桿（103)， 連接節(jié)點(diǎn)D和F的壓桿（104);所述十二根拉索分別設(shè)置在六面體各個(gè)面上四邊形的相對(duì) 頂點(diǎn)之間，并構(gòu)成兩個(gè)相互交錯(cuò)的四面體構(gòu)形，具體包括連接節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)C的拉索（201)， 連接節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)F的拉索（202)，連接節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)H的拉索（203)，連接節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)D 的拉索（204)，連接節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)E的拉索（205)，連接節(jié)點(diǎn)B和節(jié)點(diǎn)G的拉索（206)，連接 節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)F的拉索（207)，連接節(jié)點(diǎn)C和節(jié)點(diǎn)H的拉索（208)，連接節(jié)點(diǎn)D和節(jié)點(diǎn)E的 拉索（209)，連接節(jié)點(diǎn)D和節(jié)點(diǎn)G的拉索（210)，連接節(jié)點(diǎn)E和節(jié)點(diǎn)G的拉索（211)，連接節(jié) 點(diǎn)F和節(jié)點(diǎn)H的拉索（212)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元，其特征在于，所述六 面體幾何為正六面體，四根壓桿構(gòu)件的長度相同，均為，其中1為六面體幾何的棱邊邊 長；所述十二根拉索的長度相同，均為3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元，其特征在于，工作態(tài)下， 所述的基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元維持穩(wěn)定的自平衡狀態(tài)，四根壓桿構(gòu)件的預(yù)壓 力相同，均為F b;所述十二根拉索的預(yù)拉力相同，均為F。，并滿足Fb=AFc。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于六面體幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)單元，由8個(gè)鉸接節(jié)點(diǎn)，4根壓桿和12根拉索組成，8個(gè)鉸接節(jié)點(diǎn)分別位于六面體幾何的8個(gè)頂點(diǎn)處，4根壓桿位于六面體的內(nèi)部并分別與六面體的4根體對(duì)角線重合，12根拉索的兩端分別與六面體每個(gè)面的四邊形的兩組相對(duì)頂點(diǎn)相連。每個(gè)鉸接節(jié)點(diǎn)處均連接一根壓桿和三根拉索。所有拉索存在預(yù)拉力，所有壓桿存在預(yù)壓力，且該結(jié)構(gòu)單元為穩(wěn)定的自平衡索桿體系，具有較好的結(jié)構(gòu)剛度，在組建大型預(yù)應(yīng)力索桿結(jié)構(gòu)體系中具有很好的應(yīng)用前景。
【IPC分類】E04B1/34
【公開號(hào)】CN105350644
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510695070
【發(fā)明人】陳耀, 馮健, 孫求知
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請(qǐng)日】2015年10月23日