CN103790232B - 一种正六棱柱形张拉整体结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正六棱柱形张拉整体结构，目前尚无外形为完全正棱柱体的张拉整体结构；本发明中的正六棱柱形张拉整体结构共有12个节点，18根拉索和6根压杆组成。12个节点分别位于正六棱柱的12个顶点上，18根拉索分别对应于正六棱柱的18条棱边，6根压杆位于棱柱的内部，每根压杆分别连接一个底面节点和一个顶面节点。所有的节点为铰接点，每个节点连接3根拉索和1根压杆。所有拉索存在预拉力，所有压杆存在预压力，拉索的预拉力和压杆的预压力相互平衡。

Description

一种正六棱柱形张拉整体结构

技术领域

本发明涉及一种张拉整体结构，尤其涉及一种正六棱柱形张拉整体结构。

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，且构件内力自我相互平衡，一旦失去预应力，结构将不再成立。张拉整体结构具有质量轻、跨度大、造型优美等优点，受到了学术及工程界的广泛关注。

由于张拉整体结构是一种预应力自平衡体系，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，不能像其他结构体系那样任意地构造几何形态。因此，现有的张拉整体结构一般为非规则的几何形状。虽然有一些张拉整体结构是基于某一类特定的几何体进行设计的，但是其最终的形态都偏离了原始的标准几何体。其中，有一类基于正棱柱体的张拉整体结构其最终形态为上、下表面相对扭转的类棱柱体。目前尚无形态为完全正棱柱体的张拉整体结构。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种正六棱柱形张拉整体结构。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种正六棱柱形张拉整体结构，所述正六棱柱的底面的六个节点为节点A、节点B、节点C、节点D、节点E和节点F，对应的顶面的六个节点为节点A’、节点B’、节点C’、节点D’、节点E’和节点F’；节点A和节点B之间连接第二水平索AB，节点B和节点C之间连接第一水平索BC，节点C和节点D之间连接第二水平索CD，节点D和节点E之间连接第一水平索DE，节点E和节点F之间连接第二水平索EF，节点F和节点A之间连接第一水平索FA；节点A’和节点B’之间连接第一水平索A’B’，节点B’和节点C’之间连接第二水平索B’C’，节点C’和节点D’之间连接第一水平索C’D’，节点D’和节点E’之间连接第二水平索D’E’，节点E’和节点F’之间连接第一水平索E’F’，节点F’和节点A’之间连接第二水平索F’A’；节点A和节点A’之间连接竖向索AA’，节点B和节点B’之间连接竖向索BB’，节点C和节点C’之间连接竖向索CC’，节点D和节点D’之间连接竖向索DD’，节点E和节点E’之间连接竖向索EE’，节点F和节点F’之间连接竖向索FF’；节点A和节点C’之间连接压杆AC’，节点F和节点D’之间连接压杆FD’，节点B和节点F’之间连接压杆BF’，节点C和节点E’之间连接压杆CE’，节点E和节点A’之间连接压杆EA’，节点D和节点B’之间连接压杆DB’。

进一步地，所述第二水平索AB、第一水平索BC、第二水平索CD、第一水平索DE、第二水平索EF、第一水平索FA、第一水平索A’B’、第二水平索B’C’、第一水平索C’D’、第二水平索D’E’、第一水平索E’F’和第二水平索F’A’长度相同，均为l；所述竖向索AA’、竖向索BB’、竖向索CC’、竖向索DD’、竖向索EE’和竖向索FF’的长度相同，均为h；所述压杆AC’、压杆FD’、压杆BF’、压杆CE’、压杆EA’和压杆DB’的长度相同，均为

进一步地，所述第一水平索BC、第一水平索DE、第一水平索FA、第一水平索A’B’、第一水平索C’D’和第一水平索E’F’的预拉力相同，均为F_h1；所述第二水平索AB、第二水平索CD、第二水平索EF、第二水平索B’C’、第二水平索D’E’和第二水平索F’A’的预拉力相同，均为F_h2；所述竖向索AA’、竖向索BB’、竖向索CC’、竖向索DD’、竖向索EE’和竖向索FF’的预拉力相同，均为Fv；所述压杆AC’、压杆FD’、压杆BF’、压杆CE’、压杆EA’和压杆DB’的预压力相同，均为F_b；且F_h1、F_h2、F_b和F_v满足以下关系：

$F_{h1}=\frac{(2\sqrt{3}-1)l}{2\sqrt{h^2+3l^2}}{F}_b,$

$F_{h2}=\frac{(2\sqrt{3}+1)l}{2\sqrt{h^2+3l^2}}{F}_b,$

$F_v=\frac{h}{\sqrt{h^2+3l^2}}{F}_b.$

进一步地，在无外荷载作用时，所有节点位于正六棱柱的顶点上，当受到外荷载作用时，正六棱柱形张拉整体结构通过改变构件的内力、调整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，本发明中的正六棱柱形张拉整体结构共有12个节点，由18根拉索和6根压杆组成。12个节点分别位于正六棱柱的12个顶点上，18根拉索分别对应于正六棱柱的18条棱边，6根压杆位于棱柱的内部，每根压杆分别连接一个底面节点和一个顶面节点。所有的节点为铰接点，每个节点连接3根拉索和1根压杆。所有拉索存在预拉力，所有压杆存在预压力，拉索的预拉力和压杆的预压力相互平衡。在无外荷载作用时，并且忽略构件自重的情况下，所有节点精确位于正六棱柱的顶点上。当受到外荷载作用时，结构通过调整构件的内力从而抵抗外荷载的作用，但拉索始终处于受拉状态，压杆始终处于受压状态。

附图说明

图1为本发明中正六棱柱形张拉整体结构的示意图；

图2为本发明中正六棱柱形张拉整体结构的平面图；

图3为本发明中正六棱柱形张拉整体结构的立面图。

具体实施方式

1、构件的连接关系与分类。如图1所示，正六棱柱底面的6个节点分别为A、B、C、D、E和F，与其对应的顶面的6个节点分别为A’、B’、C’、D’、E’和F’。在图1中用细线表示为拉索，共18根拉索，每条拉索组成棱柱体的一条棱边，在图1中用粗线表示的为压杆，共6根压杆，分别连接节点A和C’、C和E’、E’和A、F’和B、B’和D、D’和F。

2、构件的几何长度。位于底面和顶面的12根拉索具有相同的几何长度，称之为水平索；平行于竖向平面的6根拉索具有相同的几何长度，称之为竖向索；此外，6根压杆也具有相同的几何长度。如图2所示，用l表示正六棱柱形张拉整体结构对应的棱柱体的底面边长。如图3所示，用h表示正六棱柱形张拉整体结构对应的棱柱体高度。在上述几何尺寸下，各类构件的几何长度为：

水平索的几何长度l_ch＝l；

竖向索的几何长度l_cv＝h；

压杆的几何长度

3、构件的预拉(压)力。根据预拉力值的不同，可进一步将水平拉索分为两类，第一水平索和第二水平索，如图1所示。为保证结构在无外荷载作用时处于自平衡的状态，各类构件的预拉(压)力的大小需满足以下关系：

$F_{h1}=\frac{(2\sqrt{3}-1)l}{2\sqrt{h^2+3l^2}}{F}_b,$

$F_{h2}=\frac{(2\sqrt{3}+1)l}{2\sqrt{h^2+3l^2}}{F}_b,$

$F_v=\frac{h}{\sqrt{h^2+3l^2}}{F}_b.$

其中，F_h1、F_h2、F_b和F_v分别为第一水平索、第二水平索、压杆和竖向索的内力大小。

4、构件的下料长度。所谓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：

$l_{ch1}^0=l_{ch}(1-\frac{(2\sqrt{3}-1)l}{2E_c{A}_c\sqrt{h^2+3l^2}}{F}_b),$

$l_{ch2}^0=l_{ch}(1-\frac{(2\sqrt{3}+1)l}{2E_c{A}_c\sqrt{h^2+3l^2}}{F}_b),$

$l_{cv}^0=l_{cv}(1-\frac{h}{2E_c{A}_c\sqrt{h^2+3l^2}}{F}_b),$

$l_b^0=l_b(1+\frac{F_b}{E_b{A}_b}).$

其中，和分别为第一水平索、第二水平索、竖向索和压杆的下料长度，E_c和A_c分别为拉索的弹性模量和截面积，E_b和A_b分别为拉索的弹性模量和截面积。

5、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，最终得到的张拉整体结构将是正六棱柱形，且所有的拉索受拉，所有的压杆受压，整个结构处于自平衡状态。

Claims (3)

1.一种正六棱柱形张拉整体结构，其特征在于，所述正六棱柱的底面的六个节点为节点A、节点B、节点C、节点D、节点E和节点F，对应的顶面的六个节点为节点A’、节点B’、节点C’、节点D’、节点E’和节点F’；节点A和节点B之间连接第二水平索AB，节点B和节点C之间连接第一水平索BC，节点C和节点D之间连接第二水平索CD，节点D和节点E之间连接第一水平索DE，节点E和节点F之间连接第二水平索EF，节点F和节点A之间连接第一水平索FA；节点A’和节点B’之间连接第一水平索A’B’，节点B’和节点C’之间连接第二水平索B’C’，节点C’和节点D’之间连接第一水平索C’D’，节点D’和节点E’之间连接第二水平索D’E’，节点E’和节点F’之间连接第一水平索E’F’，节点F’和节点A’之间连接第二水平索F’A’；节点A和节点A’之间连接竖向索AA’，节点B和节点B’之间连接竖向索BB’，节点C和节点C’之间连接竖向索CC’，节点D和节点D’之间连接竖向索DD’，节点E和节点E’之间连接竖向索EE’，节点F和节点F’之间连接竖向索FF’；节点A和节点C’之间连接压杆A C’，节点F和节点D’之间连接压杆FD’，节点B和节点F’之间连接压杆BF’，节点C和节点E’之间连接压杆CE’，节点E和节点A’之间连接压杆EA’，节点D和节点B’之间连接压杆DB’。

2.根据权利要求1所述正六棱柱形张拉整体结构，其特征在于，所述第二水平索AB、第一水平索BC、第二水平索CD、第一水平索DE、第二水平索EF、第一水平索FA、第一水平索A’B’、第二水平索B’C’、第一水平索C’D’、第二水平索D’E’、第一水平索E’F’和第二水平索F’A’长度相同，均为l；所述竖向索AA’、竖向索BB’、竖向索CC’、竖向索DD’、竖向索EE’和竖向索FF’的长度相同，均为h；所述压杆AC’、压杆FD’、压杆BF’、压杆CE’、压杆EA’和压杆DB’的长度相同，均为

3.根据权利要求1所述正六棱柱形张拉整体结构，其特征在于，所述第一水平索BC、第一水平索DE、第一水平索FA、第一水平索A’B’、第一水平索C’D’和第一水平索E’F’的预拉力相同，均为F_h1；所述第二水平索AB、第二水平索CD、第二水平索EF、第二水平索B’C’、第二水平索D’E’和第二水平索F’A’的预拉力相同，均为F_h2；所述竖向索AA’、竖向索BB’、竖向索CC’、竖向索DD’、竖向索EE’和竖向索FF’的预拉力相同，均为F_v；所述压杆AC’、压杆FD’、压杆BF’、压杆CE’、压杆EA’和压杆DB’的预压力相同，均为F_b；且F_h1、F_h2、F_b和F_v满足以下关系：