CN103498511B - 一种双层折线形大跨度张拉结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双层折线形大跨度张拉结构，所述张拉结构包括折线形受压构件和受拉绳索；所述的折线形受压构件由若干根直杆首尾相连而成；所述的受拉绳索包括水平方向的固定绳索和竖直方向的预应力绳索；所述的首尾相连的折线形受压构件在同一空间平面内，等距交错排布，折线形受压构件的每个孔与水平方向上相邻的孔用固定绳索相连，每个孔与竖直方向上相邻的孔用预应力绳索相连。本发明结构简洁、受力合理和质量较轻；预应力控制方便，可以完全通过竖直方向绳索的调节来完成；结构的跨度延伸可以通过增加折线上直杆的个数来完成；装卸方便，属于快速安装和拆除的绿色建筑，折线形受压构件可以折叠或拆卸来运输保存。
Description
技术领域
本发明涉及一种杆索张拉结构，具体的说是一种双层折线形大跨度张拉结构。
背景技术
张拉结构是由不连续的受压构件和连续的受拉绳索组成的特殊结构体系。其概念最早由Snelson和Fuller在上世纪六十年代提出的。Snelson在1965年将传统张拉结构申请了美国专利。广义的张拉涵盖非常广泛，Fuller认为宇宙的运行是按照张拉整体的原理进行的，即万有引力是一个平衡的张力网、而各个星球是这个网中的一个个孤立点。张拉结构被认为是一组不连续的受压构件与一套连续的受拉单元组成的自支承、自应力的空间网格体系。由于张拉整体结构固有的符合自然规律的特点，最大限度地利用了材料和截面的特性，张拉结构具有外形美观且非连续，质量轻盈且材料效率高的优点。在结构上，张拉在运动学上的不确定性导致了它是一个动态平衡体系，具有整体结构自身内力平衡，刚度随预应力变化，自由度较大等特征。
现有的张拉结构主要是杆索结构。对传统张拉结构的研究主要关注结构的单元布局、力学特性与预应力的分析，包括几何学、拓扑和图形分析、力学分析及试验研究，代表性的例子包括Snelson的T棱柱模型、四面体模型和宝石模型。杆索张拉结构，由于其结构的不确定性，艺术性大于结构性，工程运用一直较少。杆索张拉结构在大跨度结构中唯一成功的例子是索穹顶。上世纪80年代末，美国工程师Geiger提出了支承于周边受压环梁上的一种索杆预应力张拉整体穹顶体系，即索穹顶，成为单纯包含杆索的张拉结构在大跨结构中最成功的运用。迄今为止，包括索穹顶在内的大跨度张拉结构，都依赖外部预应力，无法实现自平衡，并且结构复杂，构件相互依赖性强，布置困难，无法快速安装与拆卸。
发明内容
本发明的目的在于提供一种构件简单，控制方便，结构稳定且可以自身平衡，预应力控制简单，安装、运输和拆卸都比较方便的全新的大跨度杆索张拉结构。
技术方案：为解决以上技术问题，本发明采用了如下技术方案：一种双层折线形大跨度张拉结构，其特征在于：所述张拉结构包括折线形受压构件和受拉绳索；
所述的折线形受压构件由若干根直杆首尾相连而成；
所述的受拉绳索包括水平方向的固定绳索和竖直方向的预应力绳索；
所述的首尾相连的折线形受压构件在同一空间平面内，等距交错排布，折线形受压构件 的每个孔与水平方向上相邻的孔用固定绳索相连，每个孔与竖直方向上相邻的孔用预应力绳索相连，通过调整预应力绳索的长度来控制张拉结构的预应力。
所述固定绳索所处的同一面为水平面；折线形受压构件与预应力绳索所处的同一面为垂直于水平面的垂直面。
所述固定绳索处于两个相互平行的水平面内；折线形受压构件与预应力绳索处于两个同时垂直于水平面的相互垂直的面内。
相邻的两根直杆折成的角度都是相同的，每根直杆与相邻的直杆的连接点分别在上下平行的两条直线上。
所述的直杆的长度均相同；
所述的直杆的两端的顶点处设有定位孔，直杆的中间截面为圆形，两端截面为矩形且中间开孔；
所述的直杆与直杆之间通过空心螺丝连接。
所述的折线形受压构件的角度可以通过固定绳索和预应力绳索的长度来控制，若设水平方向上的固定绳索长度为a，竖直方向上的预应力绳索长度为b，折线形受压构件中每根杆的长度为c，折线形受压构件的折线夹角为α，则满足关系：a2+b2＝c2，
所述的所有的固定绳索的长度都相同，所述的所有的预应力绳索的长度也都相同。
绳索上的预应力x2＝f(x1,a,b)，其中a,b为常数；
设所有竖直方向的预应力绳索的预应力为x1，所有水平方向的固定绳索的预应力为x2，初始状态时预应力x1,x2均为0。
有益效果：本发明结构简洁、受力合理和质量较轻，满足大跨度建筑的要求，扩大了张拉结构在大跨度空间结构领域的运用；预应力控制方便，可以完全通过竖直方向绳索的调节来完成，结构稳定且不易失稳；结构的跨度延伸可以通过增加折线上直杆的个数来完成；装卸方便，属于快速安装和拆除的绿色建筑，绳索安装方便，折线形受压构件可以折叠或拆卸来运输保存。
附图说明
图1本发明的折线形受压构件的主视图；
图2本发明的折线形受压构件的俯视图；
图3本发明一种双层折线形大跨度张拉结构的示意图；
图4本发明的绳索的连接与预应力的施加过程；
图中：1.直杆，2.定位孔，3.固定绳索，4.预应力绳索。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
如图3所示，本发明提供了一种双层折线形大跨度张拉结构，包括折线形受压构件和受拉绳索；
所述的折线形受压构件由若干根直杆1首尾相连而成；
所述的受拉绳索包括水平方向的固定绳索3和竖直方向的预应力绳索4；
所述的首尾相连的折线形受压构件在同一空间平面内，等距交错排布，折线形受压构件的每个孔与水平方向上相邻的孔用固定绳索3相连，每个孔与竖直方向上相邻的孔用预应力绳索4相连，通过调整预应力绳索4的长度来控制张拉结构的预应力。
所述固定绳索3所处的同一面为水平面；折线形受压构件与预应力绳索4所处的同一面为垂直于水平面的垂直面。
所述固定绳索3处于两个相互平行的水平面内；折线形受压构件与预应力绳索4处于两个同时垂直于水平面的相互垂直的面内。
所述的所有的固定绳索的长度都相同，所述的所有的预应力绳索的长度也都相同。
如图4所示，结构的预应力设计：当折线形受压构件与绳索连接完成后，由结构的对称性可知，所有结点的受力状况应相同，所有同一位置上的绳索的受力情况也相同；
设所有竖直方向的预应力绳索4的预应力为x1，所有水平方向的固定绳索3的预应力为x2，初始状态时预应力x1,x2均为0，对结构中的一点用节点平衡法进行分析，当竖直方向的预应力绳索4施加预应力时，竖直方向的预应力绳索4的预应力x1将增大，由于预应力绳索4与周围杆件与固定绳索3组成力三角形，水平方向的固定绳索3将被收紧，固定绳索3上的预应力x2＝f(x1,a,b)，其中a,b为常数，由张拉结构的特征可知，在不考虑重力的情况下，所有绳索上均有预应力，标志着结构将可以实现。此外，与索穹顶结构类似，此结构中的预应力可以通过能量最小法则进行优化。
如图1所示，相邻的两根直杆1折成的角度都是相同的，每根直杆1与相邻的直杆1的连接点分别在上下平行的两条直线上。例如：有五根在同一平面上的直杆端点分别顺次标注为：AB，BC，CD，DE，EF，FG，满足直杆在B，C，D，E，F等点顺次相连，点A，C，E，G与点B，D，F分别在两条上下平行的直线上，且角ABC，角BCD，角CDE，角DEF，角EFG等角度均相等；
所述的直杆1的长度均相同；
所述的直杆1的两端的顶点处设有定位孔2，直杆的中间截面为圆形，两端截面为矩形且中间开孔，用于直杆与绳索连接，如图2所示，所有直杆1的中轴线都在一个平面上；
所述的直杆1与直杆1之间通过空心螺丝连接。
所述的折线形受压构件的角度可以通过固定绳索3和预应力绳索4的长度来控制，若设水平方向的固定绳索3长度为a，竖直方向的预应力绳索4长度为b，折线形受压构件中每根杆的长度为c，折线形受压构件的折线夹角为α，则满足关系：a2+b2＝c2，例如：当a:b＝1:1时，折线形受压构件相邻直杆夹角为90度，当时，折线形受压构件相邻直杆夹角为120度。
所述的所有的固定绳索3的长度都相同，所述的所有的预应力绳索4的长度也都相同。
Claims (7)
1.一种双层折线形大跨度张拉结构，其特征在于：所述张拉结构包括折线形受压构件和受拉绳索；
所述的折线形受压构件由若干根直杆首尾相连而成；所述的直杆的长度均相同；所述的直杆的两端的顶点处设有定位孔，直杆的中间截面为圆形，两端截面为矩形且中间开孔；所述的直杆与直杆之间通过空心螺丝连接；
所述的受拉绳索包括水平方向的固定绳索和竖直方向的预应力绳索；
所述的首尾相连的折线形受压构件在同一空间平面内，等距交错排布，折线形受压构件的每个孔与水平方向上相邻的孔用固定绳索相连，每个孔与竖直方向上相邻的孔用预应力绳索相连。
2.根据权利要求1所述的一种双层折线形大跨度张拉结构，其特征在于：所述固定绳索所处的同一面为水平面；折线形受压构件与预应力绳索所处的同一面为垂直于水平面的垂直面。
3.根据权利要求2所述的一种双层折线形大跨度张拉结构，其特征在于：所述固定绳索处于两个相互平行的水平面内；折线形受压构件与预应力绳索处于两个同时垂直于水平面的相互垂直的面内。
4.根据权利要求1所述的一种双层折线形大跨度张拉结构，其特征在于：相邻的两根直杆折成的角度都是相同的，每根直杆与相邻的直杆的连接点分别在上下平行的两条直线上。
5.根据权利要求1所述的一种双层折线形大跨度张拉结构，其特征在于：所述的折线形受压构件的角度能够通过固定绳索和预应力绳索的长度来控制，若设水平方向上的固定绳索长度为a，竖直方向上的预应力绳索长度为b，折线形受压构件中每根杆的长度为c，折线形受压构件的折线夹角为α，则满足关系：a2+b2＝c2，
6.根据权利要求2所述的一种双层折线形大跨度张拉结构，其特征在于：所述的所有的固定绳索的长度都相同，所述的所有的预应力绳索的长度也都相同。
7.根据权利要求6所述的一种双层折线形大跨度张拉结构，其特征在于：调整预应力绳索的张力，控制张拉结构的预应力。
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