一种基于六边形几何的二维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 基于六边形几何的二维张拉整体结构单元。
【背景技术】
[0002] 张拉整体结构是一种由受压的杆和受拉的索组成的预应力自平衡体系，结构刚度 由受拉单元和受压单元之间的平衡预应力提供，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。
[0003] 虽然目前已经出现了一些基于六边形几何的张拉整体结构，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，在实际工程中的应用也存在很大 的区别。所以，开发设计基于六边形几何的二维张拉整体结构单元具有很重要的意义。
【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 基于六边形几何的二维张拉整体结构单元。
[0005] 技术方案：本发明的基于六边形几何的二维张拉整体结构，包括6个铰接节点，6 根拉索以及3根压杆构件，所述六个铰接节点A、B、C、D、E和F分别位于一个二维六边形几 何的按逆时针排序的6个顶点上；所述三根压杆构件分别布置于六边形的三条对角线上， 包括连接节点A和D的压杆，连接节点B和E的压杆，连接节点C和F的压杆；所述6根拉 索均位于六边形的内部，并相互交错组成一个六角星形，包括连接节点A和节点C的拉索， 连接节点A和节点E的拉索，连接节点B和节点D的拉索，连接节点B和节点F的拉索，连 接节点C和节点E的拉索，连接节点D和节点F的拉索。
[0006] 进一步的，本发明基于六边形几何的二维张拉整体结构单元中，三根压杆构件的 长度相同，均为21 ;所述六根拉索的长度相同，均为。
[0007] 进一步的，本发明基于六边形几何的二维张拉整体结构单元中，工作态下，所述的 张拉整体结构单元维持稳定的自平衡状态，三根压杆构件的预压力相同，均为F b，所述六根 拉索的预拉力相同，均为F。，且满足Fb=万Fc。
[0008] 有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0009] 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， 而本发明所述的索杆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，现有的基于六边形几何的张拉整体结构体系中拉索位于六边形的 外侧，在衍生和组建多个相似单元，形成大规模整体结构的过程中，较为不便，且结构整体 刚度较低，抵抗变形能力较弱，而本发明中的六根拉索不仅连续且布置于六边形的内侧，各 自形成更为稳固的三角形，相互交织后形成六角星形，不但造型新颖美观，还能保证结构在 工作状态下具有较好的结构刚度和受力性能，易于构建大型索杆结构。本发明的张拉整体 结构单元完全不同于已有的基于六边形几何的预应力索杆（三根独立的压杆位于内部，外 圈连续的六根拉索位于六边形的每条侧边上），所提出的结构单元外侧拉索相互交错，形成 六角星形。造型美观，结构性能更好，能稳定承受外荷载。
【附图说明】
[0010] 图1为二维六边形几何的六个顶点示意图。
[0011] 图2为本发明张拉整体结构单元的构形示意图。
[0012] 图1和图2中，细实线均表示拉索构件，粗实线均表示压杆构件。所有图中A、B、 C、D、E、F表示位于六边形各顶点位置的铰接节点，压杆101、102、103均属于同一类压杆，拉 索 201、202、203、204、205、206 均属于同一类拉索。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
[0014] 1.构件连接关系与分类。
[0015] 如图1和图2所示，本发明的基于六边形几何的二维张拉整体结构单元包括6个 铰接节点，6根拉索以及3根压杆构件，所述六个铰接节点A、B、C、D、E和F分别位于一个二 维六边形几何的按逆时针排序的6个顶点上。图2中粗线代表压杆构件，共3根压杆，所述 三根压杆构件分别布置于六边形的三条对角线上，包括连接节点A和D的压杆101，连接节 点B和E的压杆102,连接节点C和F的压杆103。图2中细线代表拉索，所述6根拉索均 位于六边形的内部，并相互交错组成一个六角星形，包括连接节点A和节点C的拉索201，连 接节点A和节点E的拉索202,连接节点B和节点D的拉索203,连接节点B和节点F的拉 索204,连接节点C和节点E的拉索205,连接节点D和节点F的拉索206。
[0016] 2.构件的几何长度。
[0017] 如图1和图2所示，用1表示六边形的边长，所有压杆构件具有相同的几何长度， 均为21，所有的拉索构件具有相同的几何长度均为.
[0018] 3.构件的预拉（压）应力。
[0019] 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：
[0020] Eb=#F〇
[0021] 其中Fb和F。分别为压杆构件和拉索构件内的轴力大小。
[0022] 4.构件的下料长度。
[0023] 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：
[0026] 其中，/ft°、C分别为压杆、拉索构件的下料长度，Eb、A b分别为压杆构件的弹性模量 和截面面积，E。、A。分别为拉索构件的弹性模量和截面面积。
[0027] 5.结构的组装。
[0028] 将按下料长度加工好的构件，通过六个给定的铰接节点，并按照前述构件间的几 何连接关系组装在一起，最终得到的结构将是基于六边形几何的二维张拉整体结构单元， 且所有拉索构件受拉，所有压杆构件受压，整个结构处于稳定的自平衡状态。
[0029] 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. 一种基于六边形几何的二维张拉整体结构，其特征在于，该结构包括6个铰接节点， 6根拉索以及3根压杆构件，所述六个铰接节点A、B、C、D、E和F分别位于一个二维六边 形几何的按逆时针排序的6个顶点上；所述三根压杆构件分别布置于六边形的三条对角线 上，包括连接节点A和D的压杆（101)，连接节点B和E的压杆（102)，连接节点C和F的压 杆（103);所述6根拉索均位于六边形的内部，并相互交错组成一个六角星形，包括连接节 点A和节点C的拉索（201)，连接节点A和节点E的拉索（202)，连接节点B和节点D的拉 索（203)，连接节点B和节点F的拉索（204)，连接节点C和节点E的拉索（205)，连接节点 D和节点F的拉索（206)。2. 根据权利要求1所述的基于六边形几何的二维张拉整体结构单元，其特征在于，所 述三根压杆构件的长度相同，均为21 ;所述六根拉索的长度相同，均为-3. 根据权利要求2所述的基于六边形几何的二维张拉整体结构单元，其特征在于，工 作态下，所述的张拉整体结构单元维持稳定的自平衡状态，三根压杆构件的预压力相同，均 为F b，所述六根拉索的预拉力相同，均为F。，且满足
【专利摘要】本发明公开了一种基于六边形几何的张拉整体结构构型，包括6个铰接节点，6根拉索以及3根压杆构件。6个铰接节点分别位于二维六边形几何的6个顶点上，3根压杆分别布置于六边形的内部三条对角线上，两端与六边形的三组相对顶点相连，6根拉索相互交错组成一个六角星形。拉索内均存在预拉力，压杆内均存在预压力，且该结构单元为自平衡索杆体系，具有较好的结构刚度，在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】CN105350646
【申请号】CN201510698839
【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