一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构

1.本发明涉及张拉整体结构设计技术领域，尤其涉及一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构。


背景技术：

[0002]“张拉整体”概念最早由美国著名建筑师富勒提出，这指“张拉”(tensile)和“整体”(integrity)的缩合。该类结构是一种承受轴力的压杆和拉索组成的预应力自平衡结构体系。这类体系具有形态优美、轻质、受力合理、形态可控、形式新颖等特点，是当前也是今后空间结构的发展方向之一，是结构工程领域中新结构、新材料和新工艺等高新技术的集中体现。
[0003]
在球形张拉整体的研究领域，往往希望寻求一种结构对称且内力均匀自平衡的体系。当前已见3根压杆、4根压杆、6根压杆、12根压杆、14根压杆以及30根压杆的张拉整体结构。目前为止，尚未出现过外表面为正方形平面、正六边形平面和正八边形平面且采用拉索相连的24根压杆球形张拉整体结构。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构，通过预先设定构件的拉压属性，并在构件中引入预应力，结构形成一个自平衡的球形张拉整体结构，解决了目前球形张拉整体结构中尚未出现过外表面为正方形平面、正六边形平面和正八边形平面且采用拉索相连的24根压杆球形张拉整体结构的问题。
[0005]
本发明实施例提供了一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构，包括：
[0006]
48个节点，分别位于所述大斜方截半立方体张拉整体结构中大斜方截半立方体的48个顶点上；
[0007]
24根压杆；
[0008]
132根拉索，和所述24根压杆相交于所述48个节点；
[0009]
所述132根拉索、所述24根压杆和所述48个节点共同连接形成一个类球形多面体，所述类球形多面体由所述拉索连接而形成的正方形平面、正六边形平面和正八边形平面预应力索网。
[0010]
在一个或多个实施例中，所有的所述压杆与所述压杆之间、所述拉索与所述压杆之间以及所述拉索与所述拉索之间均不在构件上相交而是仅在所述节点位置上铰接相连。
[0011]
在一个或多个实施例中，所述类球形多面体的外表面的平面均由所述拉索组成，所述类球形多面体的外表面包括12个正方形平面、8个正六边形平面和6个正八边形平面，并且所述类球形多面体的正方形平面、正六边形平面和正八边形平面均只有一种组成形式。
[0012]
在一个或多个实施例中，所述类球形多面体的每个正方形平面中正方形的四个边由4根所述拉索组成，并且存在1根对角拉索；
[0013]
所述类球形多面体的正六边形平面中正六边形的六个边由6根拉索组成，其中，互不相邻的3个顶点采用拉索相连形成一个正三角形；
[0014]
所述类球形多面体的正八边形平面中正八边形的八个边由8根拉索组成，其中，互不相邻的4个顶点采用拉索相连形成一个正方形。
[0015]
在一个或多个实施例中，所述大斜方截半立方体张拉整体—ⅰ、ⅱ型正方形平面的对角拉索和正六边形平面的正三角形共用节点；所述大斜方截半立方体张拉整体—ⅲ型正方形平面的对角拉索和正八边形平面的正方形顶角共用节点；
[0016]
当所述压杆布置确定后，所述大斜方截半立方体张拉整体结构就能够唯一确定。
[0017]
在一个或多个实施例中，所述大斜方截半立方体张拉整体结构根据内部压杆的布置、压杆长度及压杆、拉索的预应力组成的不同而设计成不同的结构形式。
[0018]
在一个或多个实施例中，类球形多面体中各个位置拉索及压杆预应力数值比为f
c1
：f
c2
：f
c3
：f
c4
：f
c5
：f
c6
：fs＝0.596:0.422:0.298:0.844:0.244:0.551:-1.000；
[0019]
其中，所述类球形多面体中所有相邻正六边形平面和正八边形平面共用的拉索预拉力数值为f
c1
；所述类球形多面体中所有正方形平面和正八边形平面共用的拉索预应力数值为f
c2
；所述类球形多面体中所有正方形平面和正六边形平面共用的拉索预应力数值为f
c3
；所述类球形多面体中所有正方形平面对角拉索预应力数值为f
c4
；所述类球形多面体中所有正六边形平面互不相邻的三个顶点相连形成正三角形的拉索预应力数值为f
c5
；所述类球形多面体中所有正八边形平面互不相邻的四个顶点相连形成正方形的拉索预应力数值为f
c6
，fs为给压杆施加的预应力；
[0020]
而各个拉索及压杆长度比为l
c1
：l
c2
：l
c3
：l
c4
：ls＝1:1.414:1.732:1.848:3.353；
[0021]
其中，所述类球形多面体中所有正方形、正六边形、正八边形边长均为l
c1
；所述类球形多面体中所有正方形平面对角拉索边长为l
c2
；所述类球形多面体中所有正六边形平面互不相邻的三个顶点相连形成的正三角形边长为l
c3
；所述类球形多面体中所有正八边形平面互不相邻的四个顶点相连形成正方形边长为l
c4
，所述类球形多面体中压杆长度为ls。
[0022]
在一个或多个实施例中，类球形多面体中各个位置拉索及压杆预应力数值比为f
c1
：f
c2
：f
c3
：f
c4
：f
c5
：f
c6
：fs＝1.143:0.404:0.572:0.404:0.233:0.373:-1.000；
[0023]
其中，所述类球形多面体中所有相邻正六边形平面和正八边形平面共用的拉索预拉力数值为f
c1
；所述类球形多面体中所有正方形平面和正八边形平面共用的拉索预应力数值为f
c2
；所述类球形多面体中所有正方形平面和正六边形平面共用的拉索预应力数值为f
c3
；所述类球形多面体中所有正方形平面对角拉索预应力数值为f
c4
；所述类球形多面体中所有正六边形平面互不相邻的三个顶点相连形成正三角形的拉索预应力数值为f
c5
；所述类球形多面体中所有正八边形平面互不相邻的四个顶点相连形成正方形的拉索预应力数值为f
c6
，fs为给压杆施加的预应力；
[0024]
而各个拉索及压杆长度比为l
c1
：l
c2
：l
c3
：l
c4
：ls＝1:1.414:1.732:1.848:3.499；
[0025]
其中，所述类球形多面体中所有正方形、正六边形、正八边形边长均为l
c1
；所述类球形多面体中所有正方形平面对角拉索边长为l
c2
；所述类球形多面体中所有正六边形平面互不相邻的三个顶点相连形成的正三角形边长为l
c3
；所述类球形多面体中所有正八边形平面互不相邻的四个顶点相连形成正方形边长为l
c4
，所述类球形多面体中压杆长度为ls。
[0026]
在一个或多个实施例中，类球形多面体中各个位置拉索及压杆预应力数值比为fc1
：f
c2
：f
c3
：f
c4
：f
c5
：f
c6
：fs＝1.082:0.924:0.159:0.541:0.442:0.207:-1.000；
[0027]
其中，所述类球形多面体中所有相邻正六边形平面和正八边形平面共用的拉索预拉力数值为f
c1
；所述类球形多面体中所有正方形平面和正八边形平面共用的拉索预应力数值为f
c2
；所述类球形多面体中所有正方形平面和正六边形平面共用的拉索预应力数值为f
c3
；所述类球形多面体中所有正方形平面对角拉索预应力数值为f
c4
；所述类球形多面体中所有正六边形平面互不相邻的三个顶点相连形成正三角形的拉索预应力数值为f
c5
；所述类球形多面体中所有正八边形平面互不相邻的四个顶点相连形成正方形的拉索预应力数值为f
c6
，fs为给压杆施加的预应力；
[0028]
而各个拉索及压杆长度比为l
c1
：l
c2
：l
c3
：l
c4
：ls＝1:1.414:1.732:1.848:3.696；
[0029]
其中，所述类球形多面体中所有正方形、正六边形、正八边形边长均为l
c1
；所述类球形多面体中所有正方形平面对角拉索边长为l
c2
；所述类球形多面体中所有正六边形平面互不相邻的三个顶点相连形成的正三角形边长为l
c3
；所述类球形多面体中所有正八边形平面互不相邻的四个顶点相连形成正方形边长为l
c4
，所述类球形多面体中压杆长度为ls。
[0030]
本发明实施例中的一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构为球形张拉整体设计领域提供了一个全新的结构形式，通过预先设定构件的拉压属性，并在构件中引入预应力，形成一个自平衡的球形张拉整体结构，有益效果主要体现在以下几个方面：
[0031]
(1)本发明中的一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构弥补了传统规则二十四杆球形张拉整体的空白，为结构设计提供了新的结构形式。这类结构形式相比于传统的3、6、12、14杆张拉整体具有更多类型的外平面，相比于传统的30杆张拉整体具有更轻的结构质量，是一个性能更为综合的结构形式。
[0032]
(2)本发明中一类新型大斜方截半立方体张拉整体外表面所有正方面平面、正六边形平面、正八边形平面以及压杆的长度均只有一种情况，有利于结构的加工制作。
[0033]
(3)本发明中的一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构各表面均存在多根拉索，能够为结构表面覆膜提供良好的支撑，有效保护内部结构。
[0034]
(4)本发明中的一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构的结构对称美观，具有良好的造型能力。
[0035]
(5)本发明中的一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构解决了目前球形张拉整体结构中尚未出现过外表面为正方形平面、正六边形平面和正八边形平面且采用拉索相连的24根压杆球形张拉整体结构的问题。
附图说明
[0036]
附图用来提供对本发明进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0037]
以下图中粗线表示压杆，细线表示拉索；
[0038]
图1大斜方截半立方体立体视角图；
[0039]
图2大斜方截半立方体张拉整体—ⅰ型立体视角图；
[0040]
图3大斜方截半立方体张拉整体—ⅰ型顶部投影示意图；
[0041]
图4大斜方截半立方体张拉整体—ⅱ型立体视角图；
[0042]
图5大斜方截半立方体张拉整体—ⅱ型顶部投影示意图；
[0043]
图6大斜方截半立方体张拉整体—ⅲ型立体视角图；
[0044]
图7大斜方截半立方体张拉整体—ⅲ型顶部投影示意图；
[0045]
图8大斜方截半立方体张拉整体正方形平面拉索投影图；
[0046]
图9大斜方截半立方体张拉整体正六边形平面拉索投影图；
[0047]
图10大斜方截半立方体张拉整体正八边形平面拉索投影图；
[0048]
图11大斜方截半立方体张拉整体—ⅰ、ⅱ型部分平面展开图及内力分布示意图；
[0049]
图12大斜方截半立方体张拉整体—ⅲ型部分平面展开图及内力分布示意图。
具体实施方式
[0050]
为了更好的理解本技术的技术方案，下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
[0051]
应当明确，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
[0052]
在本技术实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
[0053]
图1-7所示，本发明一实施例提供了一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构，包括：48个节点、24根压杆和132根拉索。
[0054]
48个节点分别位于一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构中大斜方截半立方体的48个顶点上；
[0055]
132根拉索和24根压杆相交于48个节点，例如，在一实施例中132根拉索和24根压杆铰接固定于48个节点。
[0056]
该132根拉索、24根压杆和48个节点共同连接形成一个类球形多面体。首先确定球体的节点坐标，节点坐标相对关系与阿基米德多面体中的大斜方截半立方体节点坐标一致。类球形多面体由拉索连接而形成的正方形平面、正六边形平面和正八边形平面预应力索网。
[0057]
本发明实施例中的一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构为球形张拉整体设计领域提供了一个全新的结构形式，通过预先设定构件的拉压属性，并在构件中引入预应力，形成一个自平衡的球形张拉整体结构，有益效果主要体现在以下几个方面：
[0058]
(1)本发明中的一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构弥补了传统规则二十四杆球形张拉整体的空白，为结构设计提供了新的结构形式。这类结构形式相比于传统的3、6、12、14杆张拉整体具有更多类型的外平面，相比于传统的30杆张拉整体具有更轻的结构质量，是一个性能更为综合的结构形式。
[0059]
(2)本发明中一类新型大斜方截半立方体张拉整体外表面所有正方面平面、正六边形平面、正八边形平面以及压杆的长度均只有一种情况，有利于结构的加工制作。
[0060]
(3)本发明中的一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构各表面均存在多根拉索，能够为结构表面覆膜提供良好的支撑，有效保护内部结构。
[0061]
(4)本发明中的一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构的结构对称美观，具有
良好的造型能力。
[0062]
(5)本发明中的一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构解决了目前球形张拉整体结构中尚未出现过外表面为正方形平面、正六边形平面和正八边形平面且采用拉索相连的24根压杆球形张拉整体结构的问题。
[0063]
图1-7所示，在一实施例中，所有的压杆与压杆之间、拉索与压杆之间以及拉索与拉索之间均不在构件上相交而是仅在节点位置上铰接相连。
[0064]
图8-12所示，在一实施例中，类球形多面体的外表面的平面均由拉索组成，类球形多面体的外表面包括12个正方形平面、8个正六边形平面和6个正八边形平面，并且类球形多面体的正方形平面、正六边形平面和正八边形平面均只有一种组成形式。
[0065]
图8-12所示，在一实施例中，类球形多面体的每个正方形平面中正方形的四个边由4根拉索组成，并且存在1根对角拉索；
[0066]
类球形多面体的正六边形平面中正六边形的六个边由6根拉索组成，其中，互不相邻的3个顶点采用拉索相连形成一个正三角形；
[0067]
类球形多面体的正八边形平面中正八边形的八个边由8根拉索组成，其中，互不相邻的4个顶点采用拉索相连形成一个正方形。
[0068]
图8-12所示，在一实施例中，所述一类新型大斜方截半立方体张拉整体—ⅰ、ⅱ型正方形平面的对角拉索和正六边形平面的正三角形共用节点；所述一类新型大斜方截半立方体张拉整体—ⅲ型正方形平面的对角拉索和正八边形平面的正方形顶角共用节点；当压杆布置确定后，一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构就能够唯一确定。
[0069]
图8-12所示，在一实施例中，一类新型大斜方截半立方体张拉整体结构根据内部压杆的布置、压杆长度及压杆、拉索的预应力组成的不同而设计成不同的结构形式。
[0070]
图8-12所示，其中，拉索有四种长度数值，压杆只有一种长度数值。
[0071]
在一实施例中，对于大斜方截半立方体张拉整体结构—ⅰ型，类球形多面体中各个位置拉索及压杆预应力数值比为f
c1
：f
c2
：f
c3
：f
c4
：f
c5
：f
c6
：fs＝0.596:0.422:0.298:0.844:0.244:0.551:-1.000；
[0072]
其中，类球形多面体中所有相邻正六边形平面和正八边形平面共用的拉索预拉力数值为f
c1
；类球形多面体中所有正方形平面和正八边形平面共用的拉索预应力数值为f
c2
；类球形多面体中所有正方形平面和正六边形平面共用的拉索预应力数值为f
c3
；类球形多面体中所有正方形平面对角拉索预应力数值为f
c4
；类球形多面体中所有正六边形平面互不相邻的三个顶点相连形成正三角形的拉索预应力数值为f
c5
；类球形多面体中所有正八边形平面互不相邻的四个顶点相连形成正方形的拉索预应力数值为f
c6
，fs为给压杆施加的预应力；
[0073]
而各个拉索及压杆长度比为l
c1
：l
c2
：l
c3
：l
c4
：ls＝1:1.414:1.732:1.848:3.353；例如在一实施例中，拉索长度分别为l
c1
＝l、l
c2
＝1.414l、l
c3
＝1.732l、l
c4
＝1.848l，而压杆长度为ls＝3.353l。
[0074]
其中，类球形多面体中所有正方形、正六边形、正八边形边长均为l
c1
；类球形多面体中所有正方形平面对角拉索边长为l
c2
；类球形多面体中所有正六边形平面互不相邻的三个顶点相连形成的正三角形边长为l
c3
；类球形多面体中所有正八边形平面互不相邻的四个顶点相连形成正方形边长为l
c4
，类球形多面体中压杆长度为ls。
[0075]
在一实施例中，对于大斜方截半立方体张拉整体结构—ⅱ型，类球形多面体中各个位置拉索预应力数值比为f
c1
：f
c2
：f
c3
：f
c4
：f
c5
：f
c6
：fs＝1.143:0.404:0.572:0.404:0.233:0.373:-1.000；
[0076]
其中，类球形多面体中所有相邻正六边形平面和正八边形平面共用的拉索预拉力数值为f
c1
；类球形多面体中所有正方形平面和正八边形平面共用的拉索预应力数值为f
c2
；类球形多面体中所有正方形平面和正六边形平面共用的拉索预应力数值为f
c3
；类球形多面体中所有正方形平面对角拉索预应力数值为f
c4
；类球形多面体中所有正六边形平面互不相邻的三个顶点相连形成正三角形的拉索预应力数值为f
c5
；类球形多面体中所有正八边形平面互不相邻的四个顶点相连形成正方形的拉索预应力数值为f
c6
，fs为给压杆施加的预应力；
[0077]
而各个拉索及压杆长度比为l
c1
：l
c2
：l
c3
：l
c4
：ls＝1:1.414:1.732:1.848:3.499；例如，在一实施例中，拉索长度分别为l
c1
＝l、l
c2
＝1.414l、l
c3
＝1.732l、l
c4
＝1.848l，压杆长度为ls＝3.499l。
[0078]
其中，类球形多面体中所有正方形、正六边形、正八边形边长均为l
c1
；类球形多面体中所有正方形平面对角拉索边长为l
c2
；类球形多面体中所有正六边形平面互不相邻的三个顶点相连形成的正三角形边长为l
c3
；类球形多面体中所有正八边形平面互不相邻的四个顶点相连形成正方形边长为l
c4
，类球形多面体中压杆长度为ls。
[0079]
在一实施例中，对于大斜方截半立方体张拉整体结构—ⅲ型，类球形多面体中各个位置拉索及压杆预应力数值比为f
c1
：f
c2
：f
c3
：f
c4
：f
c5
：f
c6
：fs＝1.082:0.924:0.159:0.541:0.442:0.207:-1.000；
[0080]
其中，类球形多面体中所有相邻正六边形平面和正八边形平面共用的拉索预拉力数值为f
c1
；类球形多面体中所有正方形平面和正八边形平面共用的拉索预应力数值为f
c2
；类球形多面体中所有正方形平面和正六边形平面共用的拉索预应力数值为f
c3
；类球形多面体中所有正方形平面对角拉索预应力数值为f
c4
；类球形多面体中所有正六边形平面互不相邻的三个顶点相连形成正三角形的拉索预应力数值为f
c5
；类球形多面体中所有正八边形平面互不相邻的四个顶点相连形成正方形的拉索预应力数值为f
c6
，fs为给压杆施加的预应力；
[0081]
而各个拉索及压杆长度比为l
c1
：l
c2
：l
c3
：l
c4
：ls＝1:1.414:1.732:1.848:3.696；例如，在一实施例中，拉索长度分别为l
c1
＝l、l
c2
＝1.414l、l
c3
＝1.732l、l
c4
＝1.848l，压杆长度为ls＝3.696l。
[0082]
其中，类球形多面体中所有正方形、正六边形、正八边形边长均为l
c1
；类球形多面体中所有正方形平面对角拉索边长为l
c2
；类球形多面体中所有正六边形平面互不相邻的三个顶点相连形成的正三角形边长为l
c3
；类球形多面体中所有正八边形平面互不相邻的四个顶点相连形成正方形边长为l
c4
，类球形多面体中压杆长度为ls。
[0083]
上述各个实施例中，图中粗线表示压杆，细线表示拉索。
[0084]
对于大斜方截半立方体张拉整体结构需要人为按照一定比例施加预应力方可成型，即给压杆施加预压力，拉索施加预拉力。拉索有六种内力数值，压杆只有一种内力数值。
[0085]
下料长度是指构件加工完成时的长度，此时构件处于无应力状态。各类构件的下料长度为：
[0086][0087][0088]
其中，分别为拉索和压杆的下料长度，ec、ac分别为拉索的弹性模量和截面积，es、as分别为压杆的弹性模量和截面积。
[0089]
关于结构的组装即：将下料长度加工好的构件，通过铰接节点的连接关系组装在一起，同时施加预应力，整个结构处于自应力平衡状态，最终将得到大斜方截半立方体张拉整体结构。
[0090]
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。