一種基于六邊形幾何的二維張拉整體結(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)計和現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，特別是涉及一種 基于六邊形幾何的二維張拉整體結(jié)構(gòu)單元。
【背景技術(shù)】
[0002] 張拉整體結(jié)構(gòu)是一種由受壓的桿和受拉的索組成的預(yù)應(yīng)力自平衡體系，結(jié)構(gòu)剛度 由受拉單元和受壓單元之間的平衡預(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。正是由于這一本質(zhì)特點，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，在工程中應(yīng)用前景廣泛。
[0003] 雖然目前已經(jīng)出現(xiàn)了一些基于六邊形幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)，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，在實際工程中的應(yīng)用也存在很大 的區(qū)別。所以，開發(fā)設(shè)計基于六邊形幾何的二維張拉整體結(jié)構(gòu)單元具有很重要的意義。

【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 基于六邊形幾何的二維張拉整體結(jié)構(gòu)單元。
[0005] 技術(shù)方案：本發(fā)明的基于六邊形幾何的二維張拉整體結(jié)構(gòu)，包括6個鉸接節(jié)點，6 根拉索以及3根壓桿構(gòu)件，所述六個鉸接節(jié)點A、B、C、D、E和F分別位于一個二維六邊形幾 何的按逆時針排序的6個頂點上；所述三根壓桿構(gòu)件分別布置于六邊形的三條對角線上， 包括連接節(jié)點A和D的壓桿，連接節(jié)點B和E的壓桿，連接節(jié)點C和F的壓桿；所述6根拉 索均位于六邊形的內(nèi)部，并相互交錯組成一個六角星形，包括連接節(jié)點A和節(jié)點C的拉索， 連接節(jié)點A和節(jié)點E的拉索，連接節(jié)點B和節(jié)點D的拉索，連接節(jié)點B和節(jié)點F的拉索，連 接節(jié)點C和節(jié)點E的拉索，連接節(jié)點D和節(jié)點F的拉索。
[0006] 進一步的，本發(fā)明基于六邊形幾何的二維張拉整體結(jié)構(gòu)單元中，三根壓桿構(gòu)件的 長度相同，均為21 ;所述六根拉索的長度相同，均為。
[0007] 進一步的，本發(fā)明基于六邊形幾何的二維張拉整體結(jié)構(gòu)單元中，工作態(tài)下，所述的 張拉整體結(jié)構(gòu)單元維持穩(wěn)定的自平衡狀態(tài)，三根壓桿構(gòu)件的預(yù)壓力相同，均為F b，所述六根 拉索的預(yù)拉力相同，均為F。，且滿足Fb=萬Fc。
[0008] 有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：
[0009] 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)明所述的索桿結(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，結(jié)構(gòu)通過主動調(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)有的基于六邊形幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)體系中拉索位于六邊形的 外側(cè)，在衍生和組建多個相似單元，形成大規(guī)模整體結(jié)構(gòu)的過程中，較為不便，且結(jié)構(gòu)整體 剛度較低，抵抗變形能力較弱，而本發(fā)明中的六根拉索不僅連續(xù)且布置于六邊形的內(nèi)側(cè)，各 自形成更為穩(wěn)固的三角形，相互交織后形成六角星形，不但造型新穎美觀，還能保證結(jié)構(gòu)在 工作狀態(tài)下具有較好的結(jié)構(gòu)剛度和受力性能，易于構(gòu)建大型索桿結(jié)構(gòu)。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邊形幾何的預(yù)應(yīng)力索桿（三根獨立的壓桿位于內(nèi)部，外 圈連續(xù)的六根拉索位于六邊形的每條側(cè)邊上），所提出的結(jié)構(gòu)單元外側(cè)拉索相互交錯，形成 六角星形。造型美觀，結(jié)構(gòu)性能更好，能穩(wěn)定承受外荷載。
【附圖說明】
[0010] 圖1為二維六邊形幾何的六個頂點示意圖。
[0011] 圖2為本發(fā)明張拉整體結(jié)構(gòu)單元的構(gòu)形示意圖。
[0012] 圖1和圖2中，細(xì)實線均表示拉索構(gòu)件，粗實線均表示壓桿構(gòu)件。所有圖中A、B、 C、D、E、F表示位于六邊形各頂點位置的鉸接節(jié)點，壓桿101、102、103均屬于同一類壓桿，拉 索 201、202、203、204、205、206 均屬于同一類拉索。
【具體實施方式】
[0013] 下面結(jié)合實施例和說明書附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
[0014] 1.構(gòu)件連接關(guān)系與分類。
[0015] 如圖1和圖2所示，本發(fā)明的基于六邊形幾何的二維張拉整體結(jié)構(gòu)單元包括6個 鉸接節(jié)點，6根拉索以及3根壓桿構(gòu)件，所述六個鉸接節(jié)點A、B、C、D、E和F分別位于一個二 維六邊形幾何的按逆時針排序的6個頂點上。圖2中粗線代表壓桿構(gòu)件，共3根壓桿，所述 三根壓桿構(gòu)件分別布置于六邊形的三條對角線上，包括連接節(jié)點A和D的壓桿101，連接節(jié) 點B和E的壓桿102,連接節(jié)點C和F的壓桿103。圖2中細(xì)線代表拉索，所述6根拉索均 位于六邊形的內(nèi)部，并相互交錯組成一個六角星形，包括連接節(jié)點A和節(jié)點C的拉索201，連 接節(jié)點A和節(jié)點E的拉索202,連接節(jié)點B和節(jié)點D的拉索203,連接節(jié)點B和節(jié)點F的拉 索204,連接節(jié)點C和節(jié)點E的拉索205,連接節(jié)點D和節(jié)點F的拉索206。
[0016] 2.構(gòu)件的幾何長度。
[0017] 如圖1和圖2所示，用1表示六邊形的邊長，所有壓桿構(gòu)件具有相同的幾何長度， 均為21，所有的拉索構(gòu)件具有相同的幾何長度均為.
[0018] 3.構(gòu)件的預(yù)拉（壓）應(yīng)力。
[0019] 為保證結(jié)構(gòu)在無外荷載作用時處于自平衡狀態(tài)，各類構(gòu)件的預(yù)拉（壓）力的大小 需滿足以下關(guān)系：
[0020] Eb=#F〇
[0021] 其中Fb和F。分別為壓桿構(gòu)件和拉索構(gòu)件內(nèi)的軸力大小。
[0022] 4.構(gòu)件的下料長度。
[0023] 構(gòu)件的下料長度是指構(gòu)件加工完成時的長度，此時構(gòu)件處于無應(yīng)力狀態(tài)。各類構(gòu) 件的下料長度為：
[0026] 其中，/ft°、C分別為壓桿、拉索構(gòu)件的下料長度，Eb、A b分別為壓桿構(gòu)件的彈性模量 和截面面積，E。、A。分別為拉索構(gòu)件的彈性模量和截面面積。
[0027] 5.結(jié)構(gòu)的組裝。
[0028] 將按下料長度加工好的構(gòu)件，通過六個給定的鉸接節(jié)點，并按照前述構(gòu)件間的幾 何連接關(guān)系組裝在一起，最終得到的結(jié)構(gòu)將是基于六邊形幾何的二維張拉整體結(jié)構(gòu)單元， 且所有拉索構(gòu)件受拉，所有壓桿構(gòu)件受壓，整個結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定的自平衡狀態(tài)。
[0029] 上述實施例僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(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和等同替換，這些對本發(fā)明 權(quán)利要求進行改進和等同替換后的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于六邊形幾何的二維張拉整體結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)包括6個鉸接節(jié)點， 6根拉索以及3根壓桿構(gòu)件，所述六個鉸接節(jié)點A、B、C、D、E和F分別位于一個二維六邊 形幾何的按逆時針排序的6個頂點上；所述三根壓桿構(gòu)件分別布置于六邊形的三條對角線 上，包括連接節(jié)點A和D的壓桿（101)，連接節(jié)點B和E的壓桿（102)，連接節(jié)點C和F的壓 桿（103);所述6根拉索均位于六邊形的內(nèi)部，并相互交錯組成一個六角星形，包括連接節(jié) 點A和節(jié)點C的拉索（201)，連接節(jié)點A和節(jié)點E的拉索（202)，連接節(jié)點B和節(jié)點D的拉 索（203)，連接節(jié)點B和節(jié)點F的拉索（204)，連接節(jié)點C和節(jié)點E的拉索（205)，連接節(jié)點 D和節(jié)點F的拉索（206)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于六邊形幾何的二維張拉整體結(jié)構(gòu)單元，其特征在于，所 述三根壓桿構(gòu)件的長度相同，均為21 ;所述六根拉索的長度相同，均為-3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于六邊形幾何的二維張拉整體結(jié)構(gòu)單元，其特征在于，工 作態(tài)下，所述的張拉整體結(jié)構(gòu)單元維持穩(wěn)定的自平衡狀態(tài)，三根壓桿構(gòu)件的預(yù)壓力相同，均 為F b，所述六根拉索的預(yù)拉力相同，均為F。，且滿足
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于六邊形幾何的張拉整體結(jié)構(gòu)構(gòu)型，包括6個鉸接節(jié)點，6根拉索以及3根壓桿構(gòu)件。6個鉸接節(jié)點分別位于二維六邊形幾何的6個頂點上，3根壓桿分別布置于六邊形的內(nèi)部三條對角線上，兩端與六邊形的三組相對頂點相連，6根拉索相互交錯組成一個六角星形。拉索內(nèi)均存在預(yù)拉力，壓桿內(nèi)均存在預(yù)壓力，且該結(jié)構(gòu)單元為自平衡索桿體系，具有較好的結(jié)構(gòu)剛度，在預(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】CN105350646
【申請?zhí)枴緾N201510698839
【發(fā)明人】陳耀, 馮健, 孫求知
【申請人】東南大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年10月23日