一种张拉整体矩形平面桁架结构的制作方法

本发明涉及一种张拉整体结构，尤其涉及一种由两种基本单元组成的张拉整体矩形平面桁架结构。

背景技术：

张拉整体结构是一种由受压的杆和受拉的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。张拉整体结构体系具有轻质、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。

平面桁架结构是最常见的工程结构形式之一，有着广泛的工程应用，其应用领域包括建筑结构的屋盖、雨棚、楼面的主受力构件以及机械、航天系统的组件或承载构件。但传统平面桁架结构一般不事先指定构件的拉压属性、不采用预应力，其极限跨度和轻巧程度受到一定的限制。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种张拉整体矩形平面桁架结构，预先设定了构件的拉压属性，并且在结构中引入了预应力，能够充分利用高强受拉构件(比如高强拉索)的材料强度，同时降低结构的自重，是一种新型的平面桁架结构体系，具有较高的工程应用前景，目前尚无类似的张拉整体矩形平面桁架结构。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种张拉整体桁架结构，由两种基本单元沿水平方向交替组合而成。整个桁架体系的具体组成由以下参数唯一确定：基本单元数n、基本单元的长度li、基本单元的高度h。第一种基本单元a的下弦节点为a1和a2，上弦节点为a′1和a′2；节点a1和a2之间连接水平拉索a1a2，节点a′1和a′2之间连接水平拉索a′1a′2；节点a1和a′2之间连接腹部斜向压杆a1a′2，节点a2和a′1之间连接腹部斜向压杆a2a′1。第二种基本单元b的下弦节点为b1和b2，上弦节点为b′1和b′2；节点b1和b2之间连接水平压杆b1b2，节点b′1和b′2之间连接水平压杆b′1b′2；节点b1和b′2之间连接腹部斜向拉索b1b′2，节点b2和b′1之间连接腹部斜向拉索b2b′1。桁架结构的组成单元个数应大于等于2，且结构必须由a和b两种基本单元沿水平方向交替组合而成，此时在两端部增设腹部竖向构件，中间上下弦对应节点间不增设腹部竖向压杆或腹部竖向拉索。当一端端部上下节点均添加固定约束时，则此端也可以不增设腹部竖向拉索或腹部竖向压杆。

进一步地，当n≥2且n为偶数时，桁架由n/2个基本单元a和n/2个基本单元b依次交替组成；从左至右第i个组成单元，当i为奇数时，该单元为基本单元ai，当i为偶数时，该单元为基本单元bi。左端端部为基本单元a1，左端端部下弦节点为节点a1，上弦节点为节点a′1；顺次与其连接的第二个基本单元为基本单元b2，节点a2和节点b2重合(按左端节点a2标注)，节点a′2和节点b′2重合(按左端节点a′2标注)；顺次连接的第三个基本单元为基本单元a3，节点b3和节点a3重合(按左端节点b3标注)，节点b′3和节点a′3重合(按左端节点b′3标注)；右端端部第n个基本单元为基本单元bn，节点an和节点bn重合(按左端节点an标注)，节点a′n和节点b′n重合(按左端节点a′n标注)；右端端部下弦节点为节点bn+1，上弦节点为节点b′n+1。节点a1和a′1之间增设腹部竖向拉索a1a′1，节点bn+1和b′n+1之间增设腹部竖向压杆bn+1b′n+1，中间上下弦对应节点ai和a′i间不增设腹部竖向拉索，bj和b′j间不增设腹部竖向压杆。当节点a1和a′1均添加固定约束时，可以不增设腹部竖向拉索a1a′1；当节点bn+1和b′n+1均添加固定约束时，可以不增设腹部竖向压杆bn+1b′n+1。其余所有水平拉索、腹部斜向拉索、水平压杆、腹部斜向压杆的布置由各自基本单元构成决定，没有变化。

进一步地，当n≥3且n为奇数时，若左右两端部的基本组成单元为基本单元a，则结构由(n+1)/2个基本单元a及(n-1)/2个基本单元b组成；从左至右第i个组成单元，当i为奇数，该单元为基本单元ai，当i为偶数时，该单元为基本单元bi。左端端部为基本单元a1，左端端部下弦节点为节点a1，上弦节点为节点a′1；顺次与其连接的第二个基本单元为基本单元b2，节点a2和节点b2重合(按左端节点a2标注)，节点a′2和节点b′2重合(按左端节点a′2标注)；顺次连接的第三个基本单元为基本单元a3，节点b3和节点a3重合(按左端节点b3标注)，节点b′3和节点a′3重合(按左端节点b′3标注)；右端端部第n个基本单元为基本单元an，节点an和节点bn重合(按左端节点bn标注)，节点a′n和节点b′n重合(按左端节点b′n标注)；右端端部下弦节点为节点an+1，上弦节点为节点a′n+1。节点a1和a′1之间增设腹部竖向拉索a1a′1，节点an+1和a′n+1之间增设腹部竖向拉索an+1a′n+1，中间上下弦对应节点ai和a′i间不增设腹部竖向拉索，bj和b′j间不增设腹部竖向压杆。当节点a1和a′1均添加固定约束时，可以不增设腹部竖向拉索a1a′1；当节点an+1和a′n+1均添加固定约束时，可以不增设腹部竖向拉索an+1a′n+1。其余所有水平拉索、腹部斜向拉索、水平压杆、腹部斜向压杆的布置由各自基本单元构成决定，没有变化。

当左右两端部的基本组成单元为基本单元b时，结构由(n+1)/2个基本单元b及(n-1)/2个基本单元a组成；从左至右第i个组成单元，当i为奇数，该单元为基本单元b，当i为偶数时，该单元为基本单元a。左端端部为基本单元b1，左端端部下弦节点为节点b1，上弦节点为节点b′1；顺次与其连接的第二个基本单元为基本单元a2，节点b2和节点a2重合(按左端节点b2标注)，节点b′2和节点a′2重合(按左端节点b′2标注)；顺次连接的第三个基本单元为基本单元b3，节点a3和节点b3重合(按左端节点a3标注)，节点a′3和节点b′3重合(按左端节点a′3标注)；右端端部第n个基本单元为基本单元bn，节点an和节点bn重合(按左端节点an标注)，节点a′n和节点b′n重合(按左端节点a′n标注)；右端端部下弦节点为节点bn+1，上弦节点为节点b′n+1。节点b1和b′1之间增设腹部竖向压杆b1b′1，节点bn+1和b′n+1之间增设腹部竖向压杆bn+1b′n+1，中间上下弦对应节点ai和a′i间不增设腹部竖向拉索，bj和b′j间不增设腹部竖向压杆。当节点b1和b′1均添加固定约束时，可以不增设腹部竖向压杆b1b′1；当节点bn+1和b′n+1均添加固定约束时，可以不增设腹部竖向压杆bn+1b′n+1。所有水平拉索、腹部斜向拉索、水平压杆、腹部斜向压杆的布置由各自基本单元构成决定，没有变化。

进一步地，当n≥2，可依照需要，每一组成单元ai及bj长度可取不同一值li及lj，单元高度必须取同一值h。第i个组成单元ai中，水平拉索长度均为li，腹部斜向压杆长度均为第j个组成单元bj中，水平压杆长度均为lj，腹部斜向拉索长度均为腹部竖向拉索和腹部竖向压杆的长度均为h。结构整体长度为∑(li+lj)，整体高度为h。

进一步地，当n≥2且左端端部第一个组成单元为a1时，a1单元内水平拉索的预拉力均为fac1，腹部斜向压杆的预压力均为fas1，当增设腹部竖向拉索时，其预拉力为faca；与a1单元相连的为基本单元b2，b2单元内水平压杆的预压力均为fbs2，腹部斜向拉索的预拉力均为fbc2；则fac1、fas1、fbs2、fbc2及faca满足以下关系：

fac1＝-fas1cosα1

faca＝-fas1sinα1

fbc2＝-(fas1sinα1)/sinα2

fbs2＝-(fas1cosα1+fbc2cosα2+fac1)

tanα1＝h/l1，tanα2＝h/l2

与b2单元相连的为基本单元a3，a3单元内水平拉索的预拉力均为fac3，腹部斜向压杆的预压力均为fas3；则fbs2、fbc2、fas3及fac3满足以下关系：

fas3＝-(fbc2sinα2)/sinα3

fac3＝-(fbc2cosα2+fas3cosα3+fbs2)

tanα3＝h/l3

以此类推，当i为奇数时，第i个组成单元ai内，水平拉索的预拉力均为faci，腹部斜向压杆的预压力均为fasi；与其相连的为单元bj(j＝i+1)内，水平压杆的预压力均为fbsj，腹部斜向拉索的预拉力均为fbcj；则faci、fasi、fbcj及fbsj满足以下关系：

fbcj＝-(fasisinαi)/sinαj

fbsj＝-(fasicosαi+fbcjcosαj+faci)

tanαi＝h/li；tanαj＝h/lj

当n≥2且左端端部第一个组成单元为b1时，b1单元内水平压杆的预压力均为fbs1，腹部斜向拉索的预拉力均为fbc1，当增设腹部竖向压杆时，其预压力为fbsa；与b1单元相连的为基本单元a2，a2单元内水平拉索的预拉力均为fac2，腹部斜向压杆的预压力均为fas2；则fbs1、fbc1、fbsa、fac2及fas2满足以下关系：

fbs1＝-fbc1cosα1

fbsa＝-fbc1sinα1

fas2＝-(fbc1sinα1)/sinα2

fac2＝-(fbc1cosα1+fas2cosα2+fbs1)

tanα1＝h/l1，tanα2＝h/l2

与a2单元相连的为基本单元b3，b3单元内水平压杆的预压力均为fbs3，腹部斜向拉索的预拉力均为fbc3；则fac2、fas2、fbs3及fbc3满足以下关系：

fbc3＝-(fas2sinα2)/sinα3

fbs3＝-(fas2cosα2+fbc3cosα3+fac2)

tanα3＝h/l3

以此类推，当i为奇数时，第i个组成单元bi内，水平压杆的预压力均为fbsi，腹部斜向拉索的预拉力均为fbci；与其相连的为单元aj(j＝i+1)内，水平拉索的预拉力均为facj，腹部斜向压杆的预压力均为fasj；则fbsi、fbci、fasj及facj满足以下关系：

fasj＝-(fbcisinαi)/sinαj

facj＝-(fbcicosαi+fasjcosαj+fbsi)

tanαi＝h/li；tanαj＝h/lj

进一步地，在无外荷载作用且忽略结构自重时，所有节点均位于其初始位置上，当受到外荷载作用时，张拉整体桁架体系通过改变构件的内力、调节节点的位置来抵抗外荷载的作用，但拉索始终处于受拉状态，压杆始终处于受压状态。

本发明的有益效果是，本发明中的张拉整体桁架体系由两种基本单元交替组合构成，可依照需求改变基本单元的个数及每个组成基本单元的长度和高度；当组成单元数为奇数且各组成单元长度相同时，整体结构左右对称，当组成单元数为偶数且各组成单元长度相同时，整体结构左右反对称。

附图说明

图1为本发明中张拉整体矩形平面桁架结构基本单元a的示意图，图中粗线表示压杆，细线表示拉索，基本单元长度为la,高度为h；

图2为本发明中张拉整体矩形平面桁架结构基本单元b的示意图，图中粗线表示压杆，细线表示拉索，基本单元长度为lb,高度为h；

图3为本发明中当n＝3且两端部组成单元为基本单元a时，张拉整体矩形平面桁架结构的示意图；图中粗线表示压杆，细线表示拉索，各组成单元长度可按需求取不同值li，高度取同一值h；

图4为本发明中当n＝3且两端部组成单元为基本单元b时，张拉整体矩形平面桁架结构的示意图；图中粗线表示压杆，细线表示拉索，各组成单元长度可按需求取不同值li，高度取同一值h；

图5为本发明中当n＝4时，张拉整体矩形平面桁架结构的示意图；图中粗线表示压杆，细线表示拉索，各组成单元长度可按需求取不同值li，高度取同一值h；

图6为本发明中当n≥3且n为奇数，两端组成单元为基本单元a时，张拉整体矩形平面桁架结构的示意图；图中粗线表示压杆，细线表示拉索，各组成单元长度可按需求取不同值li，高度取同一值h；

图7为本发明中当n≥3且n为奇数，两端组成单元为基本单元b时，张拉整体矩形平面桁架结构的示意图；图中粗线表示压杆，细线表示拉索，各组成单元长度可按需求取不同值li，高度取同一值h；

图8为本发明中当n≥2且n为偶数时，张拉整体矩形平面桁架结构的示意图；图中粗线表示压杆，细线表示拉索，各组成单元长度可按需求取不同值li，高度取同一值h；

图9为本发明中当n≥2且n为偶数，一端端部上下两节点施加固定约束时，张拉整体矩形平面桁架结构的示意图；图中粗线表示压杆，细线表示拉索，各组成单元长度可按需求取不同值li，高度取同一值h；

图10为本发明中当n≥2且n为偶数，两端端部上下两节点均施加固定约束时，张拉整体矩形平面桁架结构的示意图；图中粗线表示压杆，细线表示拉索，各组成单元长度可按需求取不同值li，高度取同一值h。

具体实施方式

1、构件的连接关系与分类。如图1所示，第一种基本单元a的下弦节点为a1和a2，上弦节点为a′1和a′2；节点a1和a2之间连接水平拉索a1a2，节点a′1和a′2之间连接水平拉索a′1a′2；节点a1和a′2之间连接腹部斜向压杆a1a′2，节点a2和a′1之间连接腹部斜向压杆a2a′1。如图2所示，第二种基本单元b的下弦节点为b1和b2，上弦节点为b′1和b′2；节点b1和b2之间连接水平压杆b1b2，节点b′1和b′2之间连接水平压杆b′1b′2；节点b1和b′2之间连接腹部斜向拉索b1b′2，节点b2和b′1之间连接腹部斜向拉索b2b′1。

如图5、图8所示，当n≥2且n为偶数时，桁架由n/2个基本单元a和n/2个基本单元b依次交替组成；从左至右第i个组成单元，当i为奇数时，该单元为基本单元ai，当i为偶数时，该单元为基本单元bi。左端端部为基本单元a1，左端端部下弦节点为节点a1，上弦节点为节点a′1；顺次与其连接的第二个基本单元为基本单元b2，节点a2和节点b2重合(按左端节点a2标注)，节点a′2和节点b′2重合(按左端节点a′2标注)；顺次连接的第三个基本单元为基本单元a3，节点b3和节点a3重合(按左端节点b3标注)，节点b′3和节点a′3重合(按左端节点b′3标注)；右端端部第n个基本单元为基本单元bn，节点an和节点bn重合(按左端节点an标注)，节点a′n和节点b′n重合(按左端节点a′n标注)；右端端部下弦节点为节点bn+1，上弦节点为节点b′n+1。节点a1和a′1之间增设腹部竖向拉索a1a′1，节点bn+1和b′n+1之间增设腹部竖向压杆bn+1b′n+1，中间上下弦对应节点ai和a′i间不增设腹部竖向拉索，bj和b′j间不增设腹部竖向压杆。当节点a1和a′1均添加固定约束时，可以不增设腹部竖向拉索a1a′1；当节点bn+1和b′n+1均添加固定约束时，可以不增设腹部竖向压杆bn+1b′n+1，可参照图9、图10布置。其余所有水平拉索、腹部斜向拉索、水平压杆、腹部斜向压杆的布置由各自基本单元构成决定，没有变化。

如图3、图6所示，当n≥3且n为奇数，且左右两端部的基本组成单元为基本单元a时，结构由(n+1)/2个基本单元a及(n-1)/2个基本单元b组成；从左至右第i个组成单元，当i为奇数，该单元为基本单元ai，当i为偶数时，该单元为基本单元bi。左端端部为基本单元a1，左端端部下弦节点为节点a1，上弦节点为节点a′1；顺次与其连接的第二个基本单元为基本单元b2，节点a2和节点b2重合(按左端节点a2标注)，节点a′2和节点b′2重合(按左端节点a′2标注)；顺次连接的第三个基本单元为基本单元a3，节点b3和节点a3重合(按左端节点b3标注)，节点b′3和节点a′3重合(按左端节点b′3标注)；右端端部第n个基本单元为基本单元an，节点an和节点bn重合(按左端节点bn标注)，节点a′n和节点b′n重合(按左端节点b′n标注)；右端端部下弦节点为节点an+1，上弦节点为节点a′n+1。节点a1和a′1之间增设腹部竖向拉索a1a′1，节点an+1和a′n+1之间增设腹部竖向拉索an+1a′n+1，中间上下弦对应节点ai和a′i间不增设腹部竖向拉索，bj和b′j间不增设腹部竖向压杆。当节点a1和a′1均添加固定约束时，可以不增设腹部竖向拉索a1a′1；当节点an+1和a′n+1均添加固定约束时，可以不增设腹部竖向拉索an+1a′n+1。其余所有水平拉索、腹部斜向拉索、水平压杆、腹部斜向压杆的布置由各自基本单元构成决定，没有变化。

如图4、图7所示，当左右两端部的基本组成单元为基本单元b时，结构由(n+1)/2个基本单元b及(n-1)/2个基本单元a组成；从左至右第i个组成单元，当i为奇数，该单元为基本单元bi，当i为偶数时，该单元为基本单元ai。左端端部为基本单元b1，左端端部下弦节点为节点b1，上弦节点为节点b′1；顺次与其连接的第二个基本单元为基本单元a2，节点b2和节点a2重合(按左端节点b2标注)，节点b′2和节点a′2重合(按左端节点b′2标注)；顺次连接的第三个基本单元为基本单元b3，节点a3和节点b3重合(按左端节点a3标注)，节点a′3和节点b′3重合(按左端节点a′3标注)；右端端部第n个基本单元为基本单元bn，节点an和节点bn重合(按左端节点an标注)，节点a′n和节点b′n重合(按左端节点a′n标注)；右端端部下弦节点为节点bn+1，上弦节点为节点b′n+1。节点b1和b′1之间增设腹部竖向压杆b1b′1，节点bn+1和b′n+1之间增设腹部竖向压杆bn+1b′n+1，中间上下弦对应节点ai和a′i间不增设腹部竖向拉索，bj和b′j间不增设腹部竖向压杆。当节点b1和b′1均添加固定约束时，可以不增设腹部竖向压杆b1b′1；当节点bn+1和b′n+1均添加固定约束时，可以不增设腹部竖向压杆bn+1b′n+1。其余所有水平拉索、腹部斜向拉索、水平压杆、腹部斜向压杆的布置由各自基本单元构成决定，没有变化。

2、构件的几何长度。当n≥2，可依照需要，每一组成单元ai及bj长度可取不同一值li及lj，单元高度必须取同一值h。第i个组成单元ai中，水平拉索长度均为li，腹部斜向压杆长度均为第j个组成单元bj中，水平压杆长度均为lj，腹部斜向拉索长度均为腹部竖向拉索和腹部竖向压杆的长度均为h。结构整体长度为∑(li+lj)，整体高度为h。

3、构件的预拉(压)力。当n≥2且左端端部第一个组成单元为a1时，a1单元内水平拉索的预拉力均为fac1，腹部斜向压杆的预压力均为fas1，当增设腹部竖向拉索时，其预拉力为faca；与a1单元相连的为基本单元b2，b2单元内水平压杆的预压力均为fbs2，腹部斜向拉索的预拉力均为fbc2；则fac1、fas1、fbs2、fbc2及faca满足以下关系：

fac1＝-fas1cosα1

faca＝-fas1sinα1

fbc2＝-(fas1sinα1)/sinα2

fbs2＝-(fas1cosα1+fbc2cosα2+fac1)

tanα1＝h/l1，tanα2＝h/l2

与b2单元相连的为基本单元a3，a3单元内水平拉索的预拉力均为fac3，腹部斜向压杆的预压力均为fas3；则fbs2、fbc2、fas3及fac3满足以下关系：

fas3＝-(fbc2sinα2)/sinα3

fac3＝-(fbc2cosα2+fas3cosα3+fbs2)

tanα3＝h/l3

以此类推，当i为奇数时，第i个组成单元ai内，水平拉索的预拉力均为faci，腹部斜向压杆的预压力均为fasi；与其相连的为单元bj(j＝i+1)内，水平压杆的预压力均为fbsj，腹部斜向拉索的预拉力均为fbcj；则faci、fasi、fbcj及fbsj满足以下关系：

fbcj＝-(fasisinαi)/sinαj

fbsj＝-(fasicosαi+fbcjcosαj+faci)

tanαi＝h/li；tanαj＝h/lj

当n≥2且左端端部第一个组成单元为b1时，b1单元内水平压杆的预压力均为fbs1，腹部斜向拉索的预拉力均为fbc1，当增设腹部竖向压杆时，其预压力为fbsa；与b1单元相连的为基本单元a2，a2单元内水平拉索的预拉力均为fac2，腹部斜向压杆的预压力均为fas2；则fbs1、fbc1、fbsa、fac2及fas2满足以下关系：fbs1＝-fbc1cosα1

fbsa＝-fbc1sinα1

fas2＝-(fbc1sinα1)/sinα2

fac2＝-(fbc1cosα1+fas2cosα2+fbs1)

tanα1＝h/l1，tanα2＝h/l2

与a2单元相连的为基本单元b3，b3单元内水平压杆的预压力均为fbs3，腹部斜向拉索的预拉力均为fbc3；则fac2、fas2、fbs3及fbc3满足以下关系：

fbc3＝-(fas2sinα2)/sinα3

fbs3＝-(fas2cosα2+fbc3cosα3+fac2)

tanα3＝h/l3

以此类推，当i为奇数时，第i个组成单元bi内，水平压杆的预压力均为fbsi，腹部斜向拉索的预拉力均为fbci；与其相连的为单元aj(j＝i+1)内，水平拉索的预拉力均为facj，腹部斜向压杆的预压力均为fasj；则fbsi、fbci、fasj及facj满足以下关系：

fasj＝-(fbcisinαi)/sinαj

facj＝*(fbcicosαi+fasjcosαj+fbsi)

tanαi＝h/li；tanαj＝h/lj

4、结构的组装。将按下料长度加工好的构件，通过铰接节点按第1条中所描述的连接关系组装在一起，所有的拉索受拉，所有的压杆受压，整个结构处于自平衡状态。