CN109811891B - 一种柔性全张拉结构体系、预张力设计方法及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性全张拉结构体系、预张力设计方法及施工方法，所述结构体系包括多个撑杆和拉索模块，所述拉索模块包括多组网格单元，所述网格单元中的网格为蜂窝状折板网格，多组网格单元的所述蜂窝状折板网格的顶点相互交错连接于各撑杆的上下两端，所述蜂窝状折板网格由多个拉索连接而成，且两两拉索之间呈120度夹角设置。与现有技术相比，本发明具有施工方便、适用范围广等优点。

Description

一种柔性全张拉结构体系、预张力设计方法及施工方法

技术领域

本发明涉及建筑结构技术领域，尤其是涉及一种柔性全张拉结构体系、预张力设计方法及施工方法。

背景技术

“张拉整体”(Tensegrity)概念是美国著名建筑师富勒(R.B.Fuller)的发明，这指“张拉”((tensile)和“整体”(integrity)的缩合。这一概念的产生受到了大自然的启发。富勒认为宇宙的运行是按照张拉一只析原理进行的，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。按照这个思想张拉整体结构可定义为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、自应力的空间网格结构。这种结构的刚度由受拉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，并且初始预应力的大小对结构的外形和结构的刚度起着决定性作用。由于张拉整体结构固有的符合自然规律的特点，最在限度地利用了材料和截面的特性，可以用尽量少的钢材建造超大跨度建筑。

现有的一般张拉整体结构多为正交双向，或构成自平衡的单元式结构，或为环形的索桁架结构形式。这些结构形式均适用于某些特定的平面形状，如矩形或圆形的平面，有很大的局限性。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种柔性全张拉结构体系、预张力设计方法及施工方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种柔性全张拉结构体系，包括多个撑杆和拉索模块，所述拉索模块包括多组网格单元，所述网格单元中的网格为蜂窝状折板网格，多组网格单元的所述蜂窝状折板网格的顶点相互交错连接于各撑杆的上下两端。

进一步地，所述蜂窝状折板网格由多个拉索连接而成，且两两拉索之间呈120度夹角设置。

进一步地，所述蜂窝状折板网格为六边形蜂窝状折板网格。

进一步地，所述网格单元为三组。

进一步地，该柔性全张拉结构体系在俯视方向上的基本结构单元呈现三角形结构。

进一步地，该柔性全张拉结构体系在侧视方向上的基本结构单元呈现三角形结构。

本发明还提供一种柔性全张拉结构体系的预张力设计方法，包括以下步骤：

11)通过参数化方法生成用于计算机分析的几何模型；

12)给所述几何模型赋予材料和截面信息，形成有限元模型；

13)基于最小应变能准则，利用找形方法确定初始内力分布，作为预先施加使使柔性全张拉结构体系初始平衡的预张力分布。

本发明还提供一种柔性全张拉结构体系的施工方法，包括以下步骤：

21)预先加工撑杆和拉索模块，运输至施工现场；

22)在施工现场对所述撑杆和拉索模块进行拼接；

23)通过伸长撑杆或张拉部分拉索的方法引入设计的预应力。

与现有技术相比，本发明提出三向布置的新型全张拉体系，保持传统张拉整体结构的优势同时扩展其应用范围，具有以下有益效果：

1、本发明适用范围广，可以适用于大跨度屋盖结构、幕墙结构等各类应用场景中。

2、相比传统刚性结构体系，本发明具有极高的承载效率，自重很轻。

3、由于本结构的基本形状单元为三角形，为数学意义上的单纯形，理论上能逼近任何形状的平面，因此，相比一般双向布置或环形布置的张拉整体结构，本结构体系适用于包括圆、六边形、三角形在内的各种平面类型。

4、本发明容易收缩折叠，可以在工厂预先加工完成，运输到现场施工安装，装配化、工业化程度高。

附图说明

图1为本发明的几何模型示意图；

图2为本发明的三维结构示意图；

图3为本发明俯视图；

图4为本发明侧视图；

图5为本发明分解示意图；

图6为本发明实例中引入的初始预应力分布示意图；

图7为本发明实例中结构生产完成状态示意图；

图8为本发明实例中结构展开固定边界完成状态示意图；

图9为本发明实例中结构张拉完成，施工完毕状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1-图2所示，本实施例实现一种柔性全张拉结构体系，包括多个撑杆1和拉索模块，所述拉索模块包括多组网格单元，所述网格单元中的网格为蜂窝状折板网格，多组网格单元的所述蜂窝状折板网格的顶点相互交错连接于各撑杆的上下两端。所述蜂窝状折板网格由多个拉索2连接而成，且两两拉索之间呈120度夹角设置。该柔性全张拉结构体系仅仅由承受张拉力的拉索和少量承受压力的撑杆构成，结构体系本身没有承载的能力，需要张紧，形成预张力后才能承受荷载。

如图2中A处所示，所述蜂窝状折板网格为六边形蜂窝状折板网格。

本实施例中，网格单元为三组，三组之间相互穿插，形成完整的结构体系。如图5所示，本实施例的柔性全张拉结构体系10由网格单元11、12、13及撑杆组14构成。

如图3所示，该柔性全张拉结构体系在俯视方向上的基本结构单元呈现三角形结构。如图4所示，该柔性全张拉结构体系在侧视方向上的基本结构单元呈现三角形结构。

该体系的刚度和承载机制符合一般张拉整体结构的受力原理，索或杆产生的附加刚度为：

其中N为索或杆的轴力，L为索或杆长度。

使得原来的索杆的刚度矩阵由

变为

其中A为构件截面，E为材料弹性模量。

从而在截面积A很小的情况下，通过较大的预张拉力N显著提高结构的刚度。从而充分利用材料，获得较高承载力。

对于该柔性全张拉结构体系的预张力设计方法，采用矩阵平衡法或有限单元法通过预设某些索杆单元的初始预张力，求解平衡矩阵，获得方程的解，从而确定结构预张力分布。对该种新型结构体系，满足平衡的预张力不唯一，通过最小应变能准则确定或给定预期预应力分布后通过最小方差原则确定。

预张力设计方法包括以下步骤：

11)通过参数化方法生成用于计算机分析的几何模型；

12)给所述几何模型赋予材料和截面等信息，形成有限元模型；

13)基于最小应变能准则，利用如矩阵平衡法等找形方法确定初始内力分布，作为预先施加使使柔性全张拉结构体系初始平衡的预张力分布，引入的初始预应力分布的结构示意图如图6所示。

通过整体预应力及几何关系构造矩阵平衡方程：

其中f_j为节点j上各汇交构件的轴向力向量，对于本发明全张拉结构中所有n个节点构成的方程组，其解f是不唯一的。此时可以采用最小应变能准则或给出对构件中预应力期望方差最小的准则，求出无数可行的解答中与符合准则的最优解。从而得到最佳的内力分布，作为构件中预先施加使结构初始平衡的预应力。

对于该柔性全张拉结构体系的施工方法，包括以下步骤：

21)预先加工撑杆和拉索模块，运输至施工现场；

22)在施工现场固定好结构的边界，对所述撑杆和拉索模块进行拼接，如图7-图8所示；

23)通过伸长撑杆或张拉部分拉索的方法引入设计的预应力，施工完毕，如图9所示。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种柔性全张拉结构体系，其特征在于，包括多个撑杆和拉索模块，所述拉索模块包括多组网格单元，所述网格单元中的网格为蜂窝状折板网格，多组网格单元的所述蜂窝状折板网格的顶点相互交错连接于各撑杆的上下两端；

所述蜂窝状折板网格由多个拉索连接而成，且两两拉索之间呈120度夹角设置；

所述蜂窝状折板网格为六边形蜂窝状折板网格；

所述网格单元为三组；

该柔性全张拉结构体系的设计步骤包括：

11）通过参数化方法生成用于计算机分析的几何模型；

12）给所述几何模型赋予材料和截面信息，形成有限元模型；

13）基于最小应变能准则，利用找形方法确定初始内力分布，作为预先施加使柔性全张拉结构体系初始平衡的预张力分布。

2.根据权利要求1所述的柔性全张拉结构体系，其特征在于，该柔性全张拉结构体系在俯视方向上的基本结构单元呈现三角形结构。

3.根据权利要求1所述的柔性全张拉结构体系，其特征在于，该柔性全张拉结构体系在侧视方向上的基本结构单元呈现三角形结构。

4.一种如权利要求1所述的柔性全张拉结构体系的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

21）预先加工撑杆和拉索模块，运输至施工现场；

22）在施工现场对所述撑杆和拉索模块进行拼接；

23）通过伸长撑杆或张拉部分拉索的方法引入设计的预应力。