一种基于六面体几何的张拉整体结构单元的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种应用于建筑结构设计和现代空间结构设计的方法，特别是涉及一种 基于六面体几何的张拉整体结构单元。
【背景技术】
[0002] 张拉整体结构是一种由受压的压杆构件和受拉的拉索组成的预应力自平衡体系， 结构刚度主要由受拉单元和受压单元之间的相互平衡的初始预应力提供，在施加预应力之 前，结构几乎没有刚度，但是由于自应力的存在，在特定的几何状态下，结构获得刚度成为 可承受荷载的结构，这是它区别于传统结构的本质特点。正是由于这一本质特点，使得张拉 整体结构的内力和形态高度相关，表现出很强的几何非线性和形态可调性。张拉整体结构 可以通过改变构件的内力来调节或控制结构的形态，这使得张拉整体结构特别适合于作为 自适应结构和可展结构，前者通过主动改变构件的内力使结构形态满足一定的功能要求， 后者通过施加或完全释放预应力使其成为具有一定形态和刚度的结构或退化为无刚度的 紧凑状态。张拉整体结构具有质量轻、跨度大、造型美观、充分利用材料等优点，在工程中应 用前景广泛。但与传统结构设计方法不同，大型、复杂的张拉整体结构的设计较为复杂，一 般需依据现有的张拉整体结构单元进行拓展、衍生，并根据一定的规律从而组建出大型的 现代预应力结构体系。
[0003] 虽然目前已经出现了一些基于六面体几何的张拉整体结构单元，但是由于结构的 几何构型和初始预应力的不同，不同结构的刚度也各不相同，在实际工程应用中也存在很 大的区别。因此，开发设计基于六面体几何的张拉整体结构单元具有重要意义。
【发明内容】
[0004] 技术问题：本发明提供一种可拓展、衍生，能高效应用于预应力索杆结构体系中的 基于六面体几何的张拉整体结构单元。
[0005] 技术方案：本发明的基于六面体几何的张拉整体结构单元，包括8个铰接节点，4 根压杆构件和12根拉索，所述的八个铰接节点A、B、C、D、E、F、G和H分别位于六面体几何 的8个顶点处，节点A、B、C、D位于一个平面并按逆时针顺序排列，节点E、F、G和H位于一 个平面并按逆时针顺序排列，AE、BF、CG、DH为六面体几何的四个棱边，每个铰接节点处均连 接一根压杆构件和三根拉索；
[0006] 所述的四根压杆构件位于六面体的内部，并分别与六面体的四条体对角线重合， 包括连接节点A和G的压杆，连接节点B和H的压杆，连接节点C和E的压杆，连接节点D 和F的压杆；所述十二根拉索分别设置在六面体各个面上四边形的相对顶点之间，并构成 两个相互交错的四面体构形，具体包括连接节点A和节点C的拉索，连接节点A和节点F的 拉索，连接节点A和节点H的拉索，连接节点B和节点D的拉索，连接节点B和节点E的拉 索，连接节点B和节点G的拉索，连接节点C和节点F的拉索，连接节点C和节点H的拉索， 连接节点D和节点E的拉索，连接节点D和节点G的拉索，连接节点E和节点G的拉索，连 接节点F和节点H的拉索。
[0007] 进一步的，本发明基于六面体几何的张拉整体结构单元中，六面体几何为正六面 体，四根压杆构件的长度相同，均为其中1为六面体几何的棱边边长；所述十二根拉索 的长度相同，均为力/。
[0008] 进一步的，本发明基于六面体几何的张拉整体结构单元，工作状态下，所述的基于 六面体几何的张拉整体结构单元维持稳定的自平衡状态，四根压杆构件的预压力相同，均 为F b;所述十二根拉索的预拉力相同，均为F。，并满足Fh=
[0009] 有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0010] 传统二维桁架结构的各构件中，不存在预应力，材料利用效率低，整体重量较大， 而本发明所述的六面体张拉整体结构单元内所有拉索存在预拉力，所有压杆存在预压力， 拉索的预拉力与压杆的预压力相互平衡，当外荷载作用时，结构通过主动调整构件的内力 从而抵抗外荷载的作用，且拉索始终处于受拉状态，压杆始终处于受压状态，构形合理、结 构更为轻盈，材料利用率更高。另外，现有的基于六面体几何的张拉整体结构体系中所有 拉索位于六面体的各条棱边上，所构成的六个四边形平面抵抗横向荷载能力较为不足，所 构建的整体结构的刚度较低，抵抗变形能力较弱。而本发明的张拉整体结构单元完全不同 于已有的基于六面体几何的张拉整体结构，本发明中的十二根拉索不仅连续且分别两两交 错、布置于六个平面的内侧，整体形成两个交错着的、同时也更为稳固可靠的四面体构形， 不但造型新颖美观，还能保证结构在工作状态下具有很好的结构刚度和受力性能，易于构 建大型索杆结构。
【附图说明】
[0011] 图1为六面体几何的八个顶点示意图。
[0012] 图2为本发明的基于六面体几何的张拉整体结构单元的构形示意图。
[0013] 图2中，细实线均表示拉索，粗实线均表示压杆构件。所有图中A、B、C、D、E、F、G、 H表示位于六面体八个顶点位置的铰接节点，压杆101、102、103、104均属于同一类压杆构 件，拉索 201、202、203、204、205、206、207、208、209、210、211、212 均属于同一类拉索。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
[0015] 1.构件连接关系与分类。
[0016] 如图1和图2所示，本发明的基于六面体几何的张拉整体结构单元包括8个铰接 节点，4根压杆构件和12根拉索，所述的八个铰接节点A、B、C、D、E、F、G和H分别位于六面 体几何的8个顶点处，节点A、B、C、D位于一个平面并按逆时针顺序排列，节点E、F、G和H 位于一个平面并按逆时针顺序排列，他、职、(^、腿为六面体几何的四个棱边，每个铰接节点 处均连接一根压杆构件和三根拉索。
[0017] 图2中粗线代表压杆构件，共四根压杆构件，所述四根压杆位于六面体的内部，并 分别与六面体的四条体对角线重合，包括连接节点A和G的压杆101，连接节点B和H的压 杆102,连接节点C和E的压杆103,连接节点D和F的压杆104。图2中细线代表拉索，共 十二根拉索，所述十二根拉索分别设置在六面体各个面上四边形的相对顶点之间，并构成 两个相互交错的四面体构形，具体包括连接节点A和节点C的拉索201，连接节点A和节点 F的拉索202,连接节点A和节点H的拉索203,连接节点B和节点D的拉索204,连接节点 B和节点E的拉索205,连接节点B和节点G的拉索206,连接节点C和节点F的拉索207， 连接节点C和节点H的拉索208,连接节点D和节点E的拉索209,连接节点D和节点G的 拉索210,连接节点E和节点G的拉索211，连接节点F和节点H的拉索212。
[0018] 2.构件的几何长度。
[0019] 如图1和图2所不，用1表不六面体几何的一个棱边AE的边长，所有压杆构件具 有相同的几何长度，均为#/，所有拉索具有相同的几何长度，均为万/。
[0020] 3.构件的预拉（压）应力。
[0021] 为保证结构在无外荷载作用时处于自平衡状态，各类构件的预拉（压）力的大小 需满足以下关系：
[0023] 其中Fb和F。分别为压杆构件和拉索内的轴力值。
[0024] 4.构件的下料长度。
[0025] 构件的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：
[0028] 其中，ζ*、C1分别为压杆构件、拉索的下料长度。Eb、A b分别为压杆构件的弹性模量 和截面面积，E。、A。分别为拉索的弹性模量和截面面积。
[0029] 5.结构的组装。
[0030] 将按下料长度加工好的压杆构件和拉索，通过八个给定的铰接节点，并按照前述 构件之间的几何连接关系组装在一起，最终得到的结构将是基于六面体几何的张拉整体结 构单元，且所有拉索受拉，所有压杆构件受压，整个结构处于稳定的自平衡状态。
[0031] 上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明 权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于六面体几何的张拉整体结构单元，其特征在于，该结构单元包括8个铰接 节点，4根压杆构件和12根拉索，所述的八个铰接节点A、B、C、D、E、F、G和H分别位于六面 体几何的8个顶点处，节点A、B、C、D位于一个平面并按逆时针顺序排列，节点E、F、G和H 位于一个平面并按逆时针顺序排列，他、职、(^、腿为六面体几何的四个棱边，每个铰接节点 处均连接一根压杆构件和三根拉索； 所述的四根压杆构件位于六面体的内部，并分别与六面体的四条体对角线重合，包括 连接节点A和G的压杆（101)，连接节点B和H的压杆（102)，连接节点C和E的压杆（103)， 连接节点D和F的压杆（104);所述十二根拉索分别设置在六面体各个面上四边形的相对 顶点之间，并构成两个相互交错的四面体构形，具体包括连接节点A和节点C的拉索（201)， 连接节点A和节点F的拉索（202)，连接节点A和节点H的拉索（203)，连接节点B和节点D 的拉索（204)，连接节点B和节点E的拉索（205)，连接节点B和节点G的拉索（206)，连接 节点C和节点F的拉索（207)，连接节点C和节点H的拉索（208)，连接节点D和节点E的 拉索（209)，连接节点D和节点G的拉索（210)，连接节点E和节点G的拉索（211)，连接节 点F和节点H的拉索（212)。2. 根据权利要求1所述的基于六面体几何的张拉整体结构单元，其特征在于，所述六 面体几何为正六面体，四根压杆构件的长度相同，均为，其中1为六面体几何的棱边边 长；所述十二根拉索的长度相同，均为3. 根据权利要求2所述基于六面体几何的张拉整体结构单元，其特征在于，工作态下， 所述的基于六面体几何的张拉整体结构单元维持稳定的自平衡状态，四根压杆构件的预压 力相同，均为F b;所述十二根拉索的预拉力相同，均为F。，并满足Fb=AFc。
【专利摘要】本发明公开了一种基于六面体几何的张拉整体结构单元，由8个铰接节点，4根压杆和12根拉索组成，8个铰接节点分别位于六面体几何的8个顶点处，4根压杆位于六面体的内部并分别与六面体的4根体对角线重合，12根拉索的两端分别与六面体每个面的四边形的两组相对顶点相连。每个铰接节点处均连接一根压杆和三根拉索。所有拉索存在预拉力，所有压杆存在预压力，且该结构单元为稳定的自平衡索杆体系，具有较好的结构刚度，在组建大型预应力索杆结构体系中具有很好的应用前景。
【IPC分类】E04B1/34
【公开号】CN105350644
【申请号】CN201510695070
【发明人】陈耀, 冯健, 孙求知
【申请人】东南大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年10月23日