一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)，所述張拉結(jié)構(gòu)包括折線形受壓構(gòu)件和受拉繩索；所述的折線形受壓構(gòu)件由若干根直桿首尾相連而成；所述的受拉繩索包括水平方向的固定繩索和豎直方向的預(yù)應(yīng)力繩索；所述的首尾相連的折線形受壓構(gòu)件在在同一空間平面內(nèi)，等距交錯排布，折線形受壓構(gòu)件的每個孔與水平方向上相鄰的孔用固定繩索相連，每個孔與豎直方向上相鄰的孔用預(yù)應(yīng)力繩索相連。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡潔、受力合理和質(zhì)量較輕；預(yù)應(yīng)力控制方便，可以完全通過豎直方向繩索的調(diào)節(jié)來完成；結(jié)構(gòu)的跨度延伸可以通過增加折線上直桿的個數(shù)來完成；裝卸方便，屬于快速安裝和拆除的綠色建筑，折線形受壓構(gòu)件可以折疊或拆卸來運輸保存。
【專利說明】一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種桿索張拉結(jié)構(gòu)，具體的說是一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]張拉結(jié)構(gòu)是由不連續(xù)的受壓構(gòu)件和連續(xù)的受拉繩索組成的特殊結(jié)構(gòu)體系。其概念最早由Snelson和Fuller在上世紀(jì)六十年代提出的。Snelson在1965年將傳統(tǒng)張拉結(jié)構(gòu)申請了美國專利。廣義的張拉涵蓋非常廣泛，F(xiàn)uller認(rèn)為宇宙的運行是按照張拉整體的原理進(jìn)行的，即萬有引力是一個平衡的張力網(wǎng)、而各個星球是這個網(wǎng)中的一個個孤立點。張拉結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是一組不連續(xù)的受壓構(gòu)件與一套連續(xù)的受拉單元組成的自支承、自應(yīng)力的空間網(wǎng)格體系。由于張拉整體結(jié)構(gòu)固有的符合自然規(guī)律的特點，最大限度地利用了材料和截面的特性，張拉結(jié)構(gòu)具有外形美觀且非連續(xù)，質(zhì)量輕盈且材料效率高的優(yōu)點。在結(jié)構(gòu)上，張拉在運動學(xué)上的不確定性導(dǎo)致了它是一個動態(tài)平衡體系，具有整體結(jié)構(gòu)自身內(nèi)力平衡，剛度隨預(yù)應(yīng)力變化，自由度較大等特征。
[0003]現(xiàn)有的張拉結(jié)構(gòu)主要是桿索結(jié)構(gòu)。對傳統(tǒng)張拉結(jié)構(gòu)的研究主要關(guān)注結(jié)構(gòu)的單元布局、力學(xué)特性與預(yù)應(yīng)力的分析，包括幾何學(xué)、拓?fù)浜蛨D形分析、力學(xué)分析及試驗研究，代表性的例子包括Snelson的T棱柱模型、四面體模型和寶石模型。桿索張拉結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)的不確定性，藝術(shù)性大于結(jié)構(gòu)性，工程運用一直較少。桿索張拉結(jié)構(gòu)在大跨度結(jié)構(gòu)中唯一成功的例子是索穹頂。上世紀(jì)80年代末，美國工程師Geiger提出了支承于周邊受壓環(huán)梁上的一種索桿預(yù)應(yīng)力張拉整體穹頂體系，即索穹頂，成為單純包含桿索的張拉結(jié)構(gòu)在大跨結(jié)構(gòu)中最成功的運用。迄今為止，包括索穹頂在內(nèi)的大跨度張拉結(jié)構(gòu)，都依賴外部預(yù)應(yīng)力，無法實現(xiàn)自平衡，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)件相互依賴性強(qiáng)，布置困難，無法快速安裝與拆卸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種構(gòu)件簡單，控制方便，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且可以自身平衡，預(yù)應(yīng)力控制簡單，安裝、運輸和拆卸都比較方便的全新的大跨度桿索張拉結(jié)構(gòu)。
[0005]技術(shù)方案:為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述張拉結(jié)構(gòu)包括折線形受壓構(gòu)件和受拉繩索；
[0006]所述的折線形受壓構(gòu)件由若干根直桿首尾相連而成；
[0007]所述的受拉繩索包括水平方向的固定繩索和豎直方向的預(yù)應(yīng)力繩索；
[0008]所述的首尾相連的折線形受壓構(gòu)件在在同一空間平面內(nèi)，等距交錯排布，折線形受壓構(gòu)件的每個孔與水平方向上相鄰的孔用固定繩索相連，每個孔與豎直方向上相鄰的孔用預(yù)應(yīng)力繩索相連，通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力繩索的長度來控制張拉機(jī)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力。
[0009]所述固定繩索所處的同一面為水平面；折線形受壓構(gòu)件與預(yù)應(yīng)力繩索所處的同一面為垂直于水平面的垂直面。
[0010]所述固定繩索處于兩個相互平行的水平面內(nèi)；折線形受壓構(gòu)件與預(yù)應(yīng)力繩索處于兩個同時垂直于水平面的相互垂直的面內(nèi)。[0011]相鄰的兩根直桿折成的角度都是相同的，每根直桿與相鄰的直桿的連接點分別在上下平行的兩條直線上。
[0012]所述的直桿的長度均相同；
[0013]所述的直桿的兩端的頂點處設(shè)有定位孔，直桿的中間截面為圓形，兩端截面為矩形且中間開孔；
[0014]所述的直桿與直桿之間通過空心螺絲連接。
[0015]所述的折線形受壓構(gòu)件的角度可以通過固定繩索和預(yù)應(yīng)力繩索的長度來控制，若設(shè)水平方向上的固定繩索長度為a，豎直方向上的預(yù)應(yīng)力繩索長度為b，折線形構(gòu)件中每根
桿的長度為C，折線形受壓構(gòu)件的折線夾角為α，則滿足關(guān)系:a2+b2=c2，? = 2 xarclg-




a。
[0016]所述的所有的固定繩索的長度都相同，所述的所有的預(yù)應(yīng)力繩索的長度也都相同。
[0017]繩索上的預(yù)應(yīng)力x2=f (xl, a, b),其中a, b為常數(shù)；
[0018]設(shè)所有豎直方向的預(yù)應(yīng)力繩索的預(yù)應(yīng)力為xl，所有水平方向的固定繩索的預(yù)應(yīng)力為x2，初始狀態(tài)時預(yù)應(yīng)力xl，x2均為O。
[0019]有益效果:本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡潔、受力合理和質(zhì)量較輕，滿足大跨度建筑的要求，擴(kuò)大了張拉結(jié)構(gòu)在大跨度空間結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的運用；預(yù)應(yīng)力控制方便，可以完全通過豎直方向繩索的調(diào)節(jié)來完成，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定且不易失穩(wěn)；結(jié)構(gòu)的跨度延伸可以通過增加折線上直桿的個數(shù)來完成；裝卸方便，屬于快速安裝 和拆除的綠色建筑，繩索安裝方便，折線形受壓構(gòu)件可以折疊或拆卸來運輸保存。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1本發(fā)明的折線形受壓構(gòu)件的主視圖
[0021]圖2本發(fā)明的折線形受壓構(gòu)件的俯視圖
[0022]圖3本發(fā)明一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)的示意圖
[0023]圖4本發(fā)明的繩索的連接與預(yù)應(yīng)力的施加過程
[0024]圖中:L直桿，2.定位孔，3.固定繩索，4.預(yù)應(yīng)力繩索。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0026]如圖3所示，本發(fā)明提供了一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)，包括折線形受壓構(gòu)件和受拉繩索；
[0027]所述的折線形受壓構(gòu)件由若干根直桿I首尾相連而成；
[0028]所述的受拉繩索包括水平方向的固定繩索3和豎直方向的預(yù)應(yīng)力繩索4 ；
[0029]所述的首尾相連的折線形受壓構(gòu)件在在同一空間平面內(nèi)，等距交錯排布，折線形受壓構(gòu)件的每個孔與水平方向上相鄰的孔用固定繩索3相連，每個孔與豎直方向上相鄰的孔用預(yù)應(yīng)力繩索4相連，通過調(diào)整預(yù)應(yīng)力繩索4的長度來控制張拉機(jī)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力。
[0030]所述固定繩索3所處的同一面為水平面；折線形受壓構(gòu)件與預(yù)應(yīng)力繩索4所處的同一面為垂直于水平面的垂直面。[0031]所述固定繩索3處于兩個相互平行的水平面內(nèi)；折線形受壓構(gòu)件與預(yù)應(yīng)力繩索4處于兩個同時垂直于水平面的相互垂直的面內(nèi)。
[0032]所述的所有的固定繩索的長度都相同，所述的所有的預(yù)應(yīng)力繩索的長度也都相同。
[0033]如圖4所示，結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力設(shè)計:當(dāng)折線形受壓構(gòu)件與繩索連接完成后，由結(jié)構(gòu)的對稱性可知，所有結(jié)點的受力狀況應(yīng)相同，所有同一位置上的繩索的受力情況也相同；
[0034]設(shè)所有豎直方向的預(yù)應(yīng)力繩索4的預(yù)應(yīng)力為xl，所有水平方向的固定繩索3的預(yù)應(yīng)力為x2，初始狀態(tài)時預(yù)應(yīng)力xl，x2均為0，對結(jié)構(gòu)中的一點用節(jié)點平衡法進(jìn)行分析，當(dāng)豎直方向的預(yù)應(yīng)力繩索4施加預(yù)應(yīng)力時，豎直方向的預(yù)應(yīng)力繩索4的預(yù)應(yīng)力xl將增大，由于預(yù)應(yīng)力繩索4與周圍桿件與固定繩索3組成力三角形，水平方向的固定繩索3將被收緊，固定繩索3上的預(yù)應(yīng)力x2=f (xl，a, b)，其中a，b為常數(shù)，由張拉結(jié)構(gòu)的特征可知，在不考慮重力的情況下，所有繩索上均有預(yù)應(yīng)力，標(biāo)志著結(jié)構(gòu)將可以實現(xiàn)。此外，與索穹頂結(jié)構(gòu)類似，此結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力可以通過能量最小法則進(jìn)行優(yōu)化。
[0035]如圖1所示，相鄰的兩根直桿I折成的角度都是相同的，每根直桿I與相鄰的直桿I的連接點分別在上下平行的兩條直線上。例如:有五根在同一平面上的直桿端點分別順次標(biāo)注為:AB, BC, CD, DE, EF, FG,滿足直桿在B, C，D, E, F等點順次相連，點A, C，E, G與點B，D，F(xiàn)分別在兩條上下平行的直線上，且角ABC，角B⑶，角⑶E，角DEF，角EFG等角度均相等；
[0036]所述的直桿I的長度均相同；
[0037]所述的直桿I的兩端的頂點處設(shè)有定位孔2，直桿的中間截面為圓形，兩端截面為矩形且中間開孔，用于直桿與繩索連接，如圖2所示，所有直桿I的中軸線都在一個平面上；`
[0038]所述的直桿I與直桿I之間通過空心螺絲連接。
[0039]所述的折線形受壓構(gòu)件的角度可以通過固定繩索3和預(yù)應(yīng)力繩索4的長度來控制，若設(shè)水平方向的固定繩索3長度為a，豎直方向的預(yù)應(yīng)力繩索4長度為b，折線形構(gòu)件中每根桿的長度為C，折線形受壓構(gòu)件的折線夾角為α，則滿足關(guān)系:a2+b2=c2，
α=2例如:當(dāng)a:b=l:l時，折線形受壓構(gòu)件相鄰直桿夾角為90度，當(dāng)/r
aα: =1: λ/3
時，折線形受壓構(gòu)件相鄰直桿夾角為120度。
[0040]所述的所有的固定繩索3的長度都相同，所述的所有的預(yù)應(yīng)力繩索4的長度也都相同。
【權(quán)利要求】
1.一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述張拉結(jié)構(gòu)包括折線形受壓構(gòu)件和受拉繩索； 所述的折線形受壓構(gòu)件由若干根直桿首尾相連而成； 所述的受拉繩索包括水平方向的固定繩索和豎直方向的預(yù)應(yīng)力繩索； 所述的首尾相連的折線形受壓構(gòu)件在在同一空間平面內(nèi)，等距交錯排布，折線形受壓構(gòu)件的每個孔與水平方向上相鄰的孔用固定繩索相連，每個孔與豎直方向上相鄰的孔用預(yù)應(yīng)力繩索相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述固定繩索所處的同一面為水平面；折線形受壓構(gòu)件與預(yù)應(yīng)力繩索所處的同一面為垂直于水平面的垂直面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述固定繩索處于兩個相互平行的水平面內(nèi)；折線形受壓構(gòu)件與預(yù)應(yīng)力繩索處于兩個同時垂直于水平面的相互垂直的面內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)，其特征在于:相鄰的兩根直桿折成的角度都是相同的，每根直桿與相鄰的直桿的連接點分別在上下平行的兩條直線上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的直桿的長度均相同； 所述的直桿的兩端的頂點處設(shè)有定位孔，直桿的中間截面為圓形，兩端截面為矩形且中間開孔； 所述的直桿與直桿之間通過空心螺絲連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的折線形受壓構(gòu)件的角度可以通過固定繩索和預(yù)應(yīng)力繩索的長度來控制，若設(shè)水平方向上的固定繩索長度為a，豎直方向上的預(yù)應(yīng)力繩索長度為b，折線形構(gòu)件中每根桿的長度為C，折線形受壓構(gòu)件的折線夾角為α，則滿足關(guān)系:a2+b2=c2，《=2 xardg-.a
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的所有的固定繩索的長度都相同，所述的所有的預(yù)應(yīng)力繩索的長度也都相同。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)，其特征在于:繩索上的預(yù)應(yīng)力x2=f (xl，a，b)，其中a，b為常數(shù)； 設(shè)所有豎直方向的預(yù)應(yīng)力繩索的預(yù)應(yīng)力為xl，所有水平方向的固定繩索的預(yù)應(yīng)力為x2，初始狀態(tài)時預(yù)應(yīng)力xl，x2均為O。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種雙層折線形大跨度張拉結(jié)構(gòu)，其特征在于:調(diào)整預(yù)應(yīng)力繩索的張力，控制張拉機(jī)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力。
【文檔編號】E04B1/342GK103498511SQ201310500846
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月22日
【發(fā)明者】周一一, 趙風(fēng)華 申請人:常州工學(xué)院