CN102704608A

CN102704608A - 径向开合屋盖结构

Info

Publication number: CN102704608A
Application number: CN2012100595412A
Authority: CN
Inventors: 蔡建国; 冯健
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2032-03-08
Also published as: CN102704608B

Abstract

本发明公开了一种径向开合屋盖结构，包括：径向伸缩网架，在径向伸缩网架的外部设有单自由度环形连杆机构，所述的单自由度环形连杆机构包括由首尾连接的n根直杆构成的正n边形杆，n不小于3且不大于720，在每根直杆上分别设有连杆机构单元，所述的连杆机构单元由内置平行四边形机构和外置平行四边形机构组成。本发明的有益效果是，由径向伸缩网架进行伸缩，实现屋盖的开合，而在屋盖的开合过程中，位于径向伸缩网架外的正n边形杆始终处于静止状态，因此，开合屋盖结构的正n边形杆上的支撑点在径向开启屋盖结构运动过程中没有径向运动，从而使得支承条件简单；由于本发明利用单自由度环形连杆机构驱动屋盖的开合，减小了驱动装置的数量。

Description

径向开合屋盖结构

技术领域

本发明涉及一种屋盖结构,尤其是一种开合屋盖结构。

背景技术

在过去的几十年中，各国学者们提出了许多大跨度开合屋盖结构体系的概念，其中一些已经在网球场馆、游泳场馆和田径场馆等大型体育场馆的开合屋盖中得到应用^[1]。美国工程师Hoberman从上世纪80年代后期开始致力于开合结构的研究与设计，主要偏重于开合结构的应用，他的代表作品是Iris Dome^[2-4]。Iris Dome是基于Hoberman单元构成的，它是由相等的两段弯折的角梁单元通过剪式铰在中部连接而成，当两个角梁单元绕着中间的剪式铰转动的时候，梁端的夹角始终保持不变。利用这个性质可以将n个相同的Hoberman单元连接起来组成闭合环形连杆机构。

然而，这种基于Hoberman剪式单元的径向可开合式屋盖体系的所有节点，在体系的运动过程中会有较大的径向位移，从而给屋盖结构下部支承体系的设计带来了很大的困难。

1. Ishii K. Structural design of retractable roof structures [M]. WIT Press, Southampton, Boston, 2000.

2. Hoberman C. Reversibly expandable doubly-curved truss structures [P]. US Patent 4,942,700, 1990.

3. Hoberman C. Radial expansion/retraction truss structure [P]. US Patent 5,024,031, 1991.

4. Hoberman C. Art and science of folding structures [J]. Sites, 1992, 24: 61-69.

发明内容

为了克服现有开合屋盖结构技术的缺陷,本发明提供了一种径向开合屋盖结构,该开合屋盖不仅能满足建筑对屋盖开合的各项功能要求,还具有设计和施工方便等优点,能较好地满足中小跨度建筑对屋盖开合功能的要求。

为了达到上述目的,本发明采用了如下技术方案:

一种径向开合屋盖结构，包括：径向伸缩网架，在径向伸缩网架的外部设有单自由度环形连杆机构，所述的单自由度环形连杆机构包括由首尾连接的n根直杆构成的正n边形杆，n不小于3且不大于720，在每根直杆上分别设有连杆机构单元，所述的连杆机构单元由内置平行四边形机构和外置平行四边形机构组成，

所述的内置平行四边形机构由第一固定杆、第一边杆、第一连杆及第一末杆组成，且第一固定杆为二分之一直杆，第一固定杆的一端与第一边杆的一端转动连接，第一边杆的另一端与第一连杆的一端转动连接，第一连杆的另一端与第一末杆的一端转动连接，第一末杆的另一端与第一固定杆的另一端转动连接，

所述外置平行四边形机构由第二固定杆、第二边杆、第二连杆及第二末杆组成，且第二固定杆为剩余二分之一直杆，第二固定杆的一端与第二边杆的一端转动连接，第二边杆的另一端与第二连杆的一端转动连接，第二连杆的另一端与第二末杆的一端转动连接，第二末杆的另一端与第二固定杆的另一端转动连接，

并且，所述第一末杆的另一端与与第二末杆的另一端连接并形成折杆，第一边杆的延长线与第二边杆的延长线在屋盖完全闭合状态时相交于正n边形杆的中心，一对相邻连杆机构单元中一个连杆机构单元的第一边杆与相邻连杆机构单元中另一个连杆机构单元的第二边杆连接并形成一根直线型杆件，

在单自由度环形连杆机构中，至少有3个均匀分布的连杆机构单元中的第一连杆的任意一端分别与径向伸缩网架最外圈上的节点对应转动连接，且至少有1个连杆机构单元为驱动单元。

本发明的有益效果是，本发明由径向伸缩网架进行伸缩，实现屋盖的开合，而在屋盖的开合过程中，位于径向伸缩网架外的正n边形杆始终处于静止状态，因此，开合屋盖结构的正n边形杆上的支撑点在径向开启屋盖结构运动过程中没有径向运动，从而使得支承条件简单；本发明设置在正n边形杆上的单自由度环形连杆机构增加了和支座连接处结构的刚度，克服了传统折叠网架结构受力性能较差和刚度较弱的缺点；由于本发明利用单自由度环形连杆机构驱动屋盖的开合，减小了驱动装置的数量；而且其构造合理、设计和施工简单，特别适合中小跨度的建筑。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明：

图1是本发明结构示意图。

图2是内部径向伸缩网架闭合状态示意图。

图3是内部径向伸缩网架运动过程示意图。

图4是平行剪式单元示意图。

图5是折杆剪式单元示意图。

图6是折杆剪式单元组成环向连杆机构示意图。

图7是外部环形连杆机构中四连杆机构示意图。

图8是外部环形连杆机构示意图。

图9是外部环形连杆机构运动过程示意图。

图10是径向开启屋盖结构运动过程示意图。

具体实施方式

一种径向开合屋盖结构，包括：径向伸缩网架，在径向伸缩网架的外部设有单自由度环形连杆机构，所述的单自由度环形连杆机构包括由首尾连接的n根直杆1构成的正n边形杆，n不小于3且不大于720，在每根直杆1上分别设有连杆机构单元，所述的连杆机构单元由内置平行四边形机构Ⅰ和外置平行四边形机构Ⅱ组成，

所述的内置平行四边形机构Ⅰ由第一固定杆、第一边杆3、第一连杆4及第一末杆组成，且第一固定杆为二分之一直杆1，第一固定杆的一端与第一边杆3的一端转动连接，第一边杆3的另一端与第一连杆4的一端转动连接，第一连杆4的另一端与第一末杆的一端转动连接，第一末杆的另一端与第一固定杆的另一端转动连接，

所述外置平行四边形机构Ⅱ由第二固定杆、第二边杆6、第二连杆5及第二末杆组成，且第二固定杆为剩余二分之一直杆1，第二固定杆的一端与第二边杆6的一端转动连接，第二边杆6的另一端与第二连杆5的一端转动连接，第二连杆5的另一端与第二末杆的一端转动连接，第二末杆的另一端与第二固定杆的另一端转动连接，

并且，所述第一末杆的另一端与与第二末杆的另一端连接并形成折杆2，第一边杆3的延长线与第二边杆6的延长线在屋盖完全闭合状态时相交于正n边形杆的中心，一对相邻连杆机构单元中一个连杆机构单元的第一边杆3与相邻连杆机构单元中另一个连杆机构单元的第二边杆6连接并形成一根直线型杆件，

在单自由度环形连杆机构中，至少有3个均匀分布的连杆机构单元中的第一连杆4的任意一端分别与径向伸缩网架最外圈上的节点对应转动连接，且至少有1个连杆机构单元为驱动单元，在本实施例中，所述的径向伸缩网架可以通过其最外圈所有节点分别与连杆机构单元连接，也可以通过其最外圈部分节点分别与连杆机构单元连接，但至少含有3个均匀分布的连接节点；所述的径向伸缩网架为单层网格或双层网格或多层网格；所述的径向伸缩网架的形状可以为圆形或多边形。

下面参照说明书附图，对本发明的具体实施方式作出更为详细的说明：

如图1所示，径向开启屋盖结构包括内部平面网格体系和外部环形连杆机构。内部平面网格体系通过其最外圈所有或者部分节点与外部环形连杆机构相铰接。

内部平面网格体系的形状可以为圆形或多边形。本实例的形状为圆形，如图1～图10所示。

其内部网格为Hoberman连杆机构（详见US Patent 5,024,031, 1991年，径向伸缩网架结构Radial expansion/retraction truss structure [P].），图2和3分别为其闭合状态和部分开启状态示意图。目前应用最为广泛的剪式单元是如图4所示的平行剪式单元。从几何学角度来考虑，这类剪式单元的每对连杆通过中间的一个销接节点相连，每对连杆仅能绕垂直与该对连杆所在平面的轴线作相对转动，而其它自由度完全受到了限制；同时剪式单元间的连接是通过单元端部节点铰接实现。该单元在运动过程中其端部节点的连线保持平行。美国工程师Hoberman 对剪式单元进行改进，提出了折杆剪式单元，它是由相等的两根弯折角梁单元通过销接节点在中部连接，当两个角梁单元绕着中间的销接节点转动时，梁端部节点连线的夹角保持不变，如图5所示。由于该单元在运动过程中端部节点连线的夹角保持不变，可以在环向复制多个折杆剪式单元，从而形成闭合环形连杆机构，如图6所示。将图6所示的两折杆网格可以沿径向扩展为多折杆网，其运动特性将保持不变，如图3所示的每根梁为五折杆。

但是该连杆机构的缺点是在运动过程中其所有节点均产生一定的径向位移，尤其当最外圈节点产生径向位移时，该屋盖体系的支承条件的确立将变得十分复杂。为此，本发明提出了一种具有固定节点的外环连杆机构，用于和支座连接。

外部环形连杆机构的形成过程如下：由于结构为极线对称结构，取其中一个单元分析，如图7所示，ABCD为一四连杆机构，DEFG为另一四连杆机构，如果将AD和ED链接为一根杆，CD和DG也链接为一根杆，则剪式单元AE-D-CG即为折杆剪式单元的特例，即一根为直杆，一根为折杆。这样，如果A点和E点固定，则图示连杆机构为单自由度连杆机构。利用结构的极对称性，镜像可以得到如图8所示的体系。需要指出的是，为了得到单自由度体系，镜像完成后，应将AB和AM连接为一根杆，同理将EF和EN连接为一根杆，其余杆件类似。将节点A、E等与和外切圆相交的节点作为固定节点和支座相连，则体系为一单自由度体系，从而达到减小驱动装置数量的目的，其运动后的示意如图9所示。

将内部Hoberman连杆机构的最外圈节点与图8所示的B、N等内圈节点相连，即可得到具有固定支座的径向可开启式屋盖结构，如图1所示。其运动过程中结构的示意图如图10所示。

Claims

1. 一种径向开合屋盖结构，包括：径向伸缩网架，其特征在于，在径向伸缩网架的外部设有单自由度环形连杆机构，所述的单自由度环形连杆机构包括由首尾连接的n根直杆（1）构成的正n边形杆，n不小于3且不大于720，在每根直杆（1）上分别设有连杆机构单元，所述的连杆机构单元由内置平行四边形机构（Ⅰ）和外置平行四边形机构（Ⅱ）组成，

所述的内置平行四边形机构（Ⅰ）由第一固定杆、第一边杆（3）、第一连杆（4）及第一末杆组成，且第一固定杆为二分之一直杆（1），第一固定杆的一端与第一边杆（3）的一端转动连接，第一边杆（3）的另一端与第一连杆（4）的一端转动连接，第一连杆（4）的另一端与第一末杆的一端转动连接，第一末杆的另一端与第一固定杆的另一端转动连接，

所述外置平行四边形机构（Ⅱ）由第二固定杆、第二边杆（6）、第二连杆（5）及第二末杆组成，且第二固定杆为剩余二分之一直杆（1），第二固定杆的一端与第二边杆（6）的一端转动连接，第二边杆（6）的另一端与第二连杆（5）的一端转动连接，第二连杆（5）的另一端与第二末杆的一端转动连接，第二末杆的另一端与第二固定杆的另一端转动连接，

并且，所述第一末杆的另一端与与第二末杆的另一端连接并形成折杆（2），第一边杆（3）的延长线与第二边杆（6）的延长线在屋盖完全闭合状态时相交于正n边形杆的中心，一对相邻连杆机构单元中一个连杆机构单元的第一边杆（3）与相邻连杆机构单元中另一个连杆机构单元的第二边杆（6）连接并形成一根直线型杆件，

在单自由度环形连杆机构中，至少有3个均匀分布的连杆机构单元中的第一连杆（4）的任意一端分别与径向伸缩网架最外圈上的节点对应转动连接，且至少有1个连杆机构单元为驱动单元。

2. 根据权利要求1所述的径向开启屋盖结构，其特征在于，所述的径向伸缩网架为单层网格或双层网格或多层网格。

3. 根据权利要求1所述的径向开启屋盖结构，其特征在于，所述的径向伸缩网架的形状可以为圆形或正多边形。