一种新型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，尤其涉及一种新型截半立方体张拉整体结构。


背景技术：

2.张拉整体结构是一种由受压的压杆和受拉的拉索组成的预应力自平衡体系，该类结构的刚度由预应力提供，其节点位置与构件的连接关系必须满足预应力自平衡条件。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，目前受到各领域研究者广泛关注，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。
3.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，其中传统6根压杆的张拉整体结构是基于二十面体的一种外表面呈现正三角形平面和等腰三角形平面相连形成的球体。目前为止，尚未出现过外表面为正三角形平面和正方形平面采用拉索相连的6根压杆球形张拉整体结构。


技术实现要素：

4.本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于截半立方体的新型截半立方体张拉整体结构，不同于传统的六杆二十四索的球形张拉整体结构，该结构体系采用了新的压杆和拉索布置及连接方式。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体系，同时满足“超级稳定”的特性，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和正六边形平面采用拉索相连的球形张拉整体结构的问题。
5.本发明实施例提供了一种新型截半立方体张拉整体结构，包括：
6.12个节点，分别位于所述截半立方体张拉整体结构中截半立方体的12个顶点上；
7.6根压杆；
8.18根拉索，和所述6根压杆相交于所述12个节点；
9.所述18根拉索、所述6根压杆和所述12个节点共同连接而形成一个类球形多面体，所述类球形多面体表面由所述拉索连接而形成的等边三角形平面和正方形平面预应力索网。
10.在一个或多个实施例中，所有节点均为铰接节点，所有拉索均存在预拉力，所有压杆均存在预压力，其中，拉索的预拉力和压杆的预压力相互平衡。
11.在一个或多个实施例中，每个节点连接1根压杆及3根拉索，拉索和压杆均只有一种预应力数值，拉索的预拉力fc与压杆的预压力fs数值比为fc:fs＝0.5774:-1.0000。
12.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，所述类球形多面体中三角形平面一共有两种基本形式而正方形平面有一种基本形式，其
中，三角形平面分为由三根拉索组成的闭合正三角形平面和由两根拉索组成的开口正三角形平面，正方形平面均为由三根拉索组成的开口的正方形，所述类球形多面体中外表面的正三角形平面一共有8个，其中，8个正三角形平面包括2个闭合正三角形平面和6个开口正三角形平面，而所述类球形多面体中正方形平面一共有6个，其中，6个正方形平面均为开口正方形。
13.在一个或多个实施例中，所述类球形多面体中的拉索和压杆均只有一种长度数值，若12个节点所处的截半立方体边长为l，拉索长度为lc＝l，压杆长度为
14.在一个或多个实施例中，所述类球形多面体的外表面的每个不闭合正方形的三边分别与1个闭合正三角形和2个不闭合三角形共用1根拉索，所述类球形多面体的外表面的每个闭合正三角形的三边分别与1个不闭合正方形共用1根拉索，所述类球形多面体的外表面的每个不闭合正三角形的两边分别与1个不闭合正方形共用1根拉索。
15.本发明实施例中的新型截半立方体张拉整体结构为共有12个节点，分别位于截半立方体的12个顶点上；整个结构由内部压杆以及外部拉索构成，拉索和压杆均只有一种内力数值。所有节点均为铰接节点，所有拉索均存在预拉力，所有压杆均存在预压力，拉索的预拉力和压杆的预压力相互平衡，并且结构形式的稳定性为“超级稳定”，为球形张拉整体设计领域提供了一个全新的结构形式，并且有着更轻巧的性能，有益效果主要体现在以下几个方面：
16.(1)本发明中的截半立方体张拉整体结构相较于传统的六杆二十四索球形张拉整体采用不同的基础几何构型，生成的张拉整体具有更少的拉索。传统的结构每个节点需要连接4根拉索，本结构每个节点仅需连接3根拉索，这有利于降低结构的材料成本和自重。在相同压杆长度的情况下，本发明中的截半立方体张拉整体结构拉索质量仅为传统六杆二十四索球形张拉整体的70.71％。
17.(2)本发明中所有的压杆和拉索分别都只有一种长度，有利于结构建造过程中构件的加工制作。
18.(3)本发明中的截半立方体张拉整体结构外表面均为规则的正方形和正三角形，相较于传统六杆球形张拉整体结构的正三角形和等腰三角形具有更规则的平面形式。
19.(4)本发明中的新型截半立方体张拉整体结构不同于传统的六杆二十四索的球形张拉整体结构，该结构体系基于截半立方体采用了新的压杆和拉索布置及连接方式。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体系，同时满足“超级稳定”的特性，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和正六边形平面采用拉索相连的球形张拉整体结构的问题。
附图说明
20.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：
21.图1截半立方体立体视角图；
22.图2截半立方体张拉整体立体视角图(粗线表示压杆，细线表示拉索)；
23.图3截半立方体张拉整体顶部投影示意图(粗线表示压杆，细线表示拉索)；
24.图4边长为l的截半立方体(a)及对应的截半立方体张拉整体结构(b)(粗线表示压
杆，细线表示拉索)。
具体实施方式
25.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。
26.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。
27.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。
28.如图1-4所示，本发明实施例提供了一种新型截半立方体张拉整体结构，包括：12个节点、6根压杆和18根拉索。其中，12个节点编号分别为a-l，18根拉索编号分别为ab、ae、ah、bc、bf、cd、cg、dg、dh、ei、ej、fj、fk、gk、hl、ij、il、kl；6根压杆编号分别为aj、bg、ch、dk、el、fi。
29.12个节点分别位于新型截半立方体张拉整体结构中截半立方体的12个顶点上；
30.18根拉索和6根压杆相交于12个节点，在一实施例中，18根拉索和6根压杆铰接固定于12个节点。
31.18根拉索、6根压杆和12个节点共同连接而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截半立方体节点坐标一致，类球形多面体表面由拉索连接而形成的等边三角形平面和正方形平面预应力索网。
32.如图1-4所示，在一实施例中，所有节点均为铰接节点，所有拉索均存在预拉力，所有压杆均存在预压力，其中，拉索的预拉力和压杆的预压力相互平衡。
33.如图1-4所示，在一实施例中，新型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。每个节点连接1根压杆及3根拉索，拉索和压杆均只有一种预应力数值，拉索的预拉力fc与压杆的预压力fs数值比为fc:fs＝0.5774:-1.0000。
34.如图1-4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，类球形多面体中三角形平面一共有两种基本形式而正方形平面有一种基本形式，其中，三角形平面分为由三根拉索组成的闭合正三角形平面和由两根拉索组成的开口正三角形平面，正方形平面均为由三根拉索组成的开口的正方形，类球形多面体中外表面的正三角形平面一共有8个，其中，8个正三角形平面包括2个闭合正三角形平面和6个开口正三角形平面，而类球形多面体中正方形平面一共有6个，其中，6个正方形平面均为开口正方形。
35.类球形多面体中的拉索和压杆均只有一种长度数值，若12个节点所处的截半立方体边长为l，拉索长度为lc＝l，压杆长度为
36.如图1-4所示，在一实施例中，类球形多面体的外表面的每个不闭合正方形的三边分别与1个闭合正三角形和2个不闭合三角形共用1根拉索，类球形多面体的外表面的每个闭合正三角形的三边分别与1个不闭合正方形共用1根拉索，类球形多面体的外表面的每个不闭合正三角形的两边分别与1个不闭合正方形共用1根拉索。
37.在上述所有实施例中，所谓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：
[0038][0039][0040]
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。
[0041]
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，最终将得到截半立方体张拉整体结构。粗线表示压杆，细线表示拉索。
[0042]
本发明实施例中的新型截半立方体张拉整体结构共有12个节点，分别位于截半立方体的12个顶点上；整个结构由内部压杆以及外部拉索构成，拉索和压杆均只有一种内力数值。所有节点均为铰接节点，所有拉索均存在预拉力，所有压杆均存在预压力，拉索的预拉力和压杆的预压力相互平衡，并且结构形式的稳定性为“超级稳定”，为球形张拉整体设计领域提供了一个全新的结构形式，并且有着更轻巧的性能，有益效果主要体现在以下几个方面：
[0043]
(1)本发明中的截半立方体张拉整体结构相较于传统的六杆二十四索球形张拉整体采用不同的基础几何构型，生成的张拉整体具有更少的拉索。传统的结构每个节点需要连接4根拉索，本结构每个节点仅需连接3根拉索，这有利于降低结构的材料成本和自重。在相同压杆长度的情况下，本发明中的截半立方体张拉整体结构拉索质量仅为传统六杆二十四索球形张拉整体的70.71％。
[0044]
(2)本发明中所有的压杆和拉索分别都只有一种长度，有利于结构建造过程中构件的加工制作。
[0045]
(3)本发明中的截半立方体张拉整体结构外表面均为规则的正方形和正三角形，相较于传统六杆球形张拉整体结构的正三角形和等腰三角形具有更规则的平面形式。
[0046]
(4)本发明中的新型截半立方体张拉整体结构不同于传统的六杆二十四索的球形张拉整体结构，该结构体系基于截半立方体采用了新的压杆和拉索布置及连接方式。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体系，同时满足“超级稳定”的特性，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和正六边形平面采用拉索相连的球形张拉整体结构的问题。
[0047]
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。