CN109853726B - 一种环形张拉整体结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种环形张拉整体结构，包括3p(p>3)个节点、p个水平压杆、2p个稳定杆、4p个斜索和p个竖索；p个等长的水平压杆首尾相接连成半径为R的正多边形作为环形张拉整体结构的内环，在半径为R的正多边形每个节点连接2个长度为h、夹角为2α的稳定杆，2个稳定杆的外端点各通过2个斜索与正多边形相邻节点连接，2个稳定杆的外端点通过1个竖索彼此相连；每个节点上的稳定杆所在平面为正多边形外接圆过此节点的法平面；环形张拉整体结构关于正多边形平面呈镜面对称，关于正多边形法线呈旋转对称，旋转角为2π/p。本发明的优点为：弥补了现有环形张拉整体结构形式上的不足，提供了一种可平衡环向压力、简单高效的环形张拉整体结构体系。

Description

一种环形张拉整体结构

技术领域

本发明涉及张拉整体结构技术领域，具体涉及一种环形张拉整体结构。

背景技术

张拉整体结构是一种由压杆和拉索组成的预应力自平衡结构体系。张拉整体结构中，每个节点最多与1个压杆相连的结构为Class-1张拉整体结构，每个节点最多与k个压杆相连的结构为Class-k张拉整体结构。张拉整体结构的刚度由材料刚度和几何刚度构成，预应力的大小影响几何刚度的水平。

张拉整体结构具有质量轻、造型新颖、跨度大等优点，受到了学术和工程界的广泛关注。张拉整体结构研究可分为规则和非规则张拉整体结构。规则张拉整体结构的研究包括球形、棱柱形、平板形等几何形体，但环形张拉整体结构的研究较少。有压杆接触的Class-k 型环形张拉整体结构，有利于传递环向压力，但目前尚无具有连续压杆沿环向分布的环形张拉整体结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种简单高效、可平衡环向压力的环形张拉整体结构。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：

一种环形张拉整体结构，包括3p（p>3）个节点、3p个压杆单元和5p个拉索单元，压杆及拉索之间通过节点相连，压杆单元包括p个水平压杆和2p个稳定杆，拉索单元包括4p个斜索和p个竖索；p个等长的水平压杆首尾相接连成半径为R的正多边形作为环形张拉整体结构的内环，在半径为R的正多边形每个节点连接2个长度为h、夹角为2α的稳定杆，2个稳定杆的外端点各通过2个斜索与正多边形相邻节点连接，2个稳定杆的外端点通过1个竖索彼此相连；每个节点上的稳定杆所在平面为正多边形外接圆过此节点的法平面；环形张拉整体结构关于正多边形平面呈镜面对称，关于正多边形法线呈旋转对称，旋转角为

。

进一步地，所述节点为铰接节点，压杆单元及拉索单元可在节点处发生转动。

进一步地，所述结构存在四组构件，p个水平压杆为第1组构件；2p个稳定杆为第2组构件；4p个斜索为第3组构件；p个竖索为第4组构件。同组构件具有相同的长度和预应力。

进一步地，所述压杆单元存在预压力，所述拉索单元存在预拉力，整体结构预应力自平衡。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明提供了一种可平衡环向压力、简单高效的环形张拉整体结构体系，弥补了现有环形张拉整体结构形式上的不足。本发明可作为索穹顶结构的环梁，与上部索杆体系共同组成自平衡的大跨度屋盖结构。本发明在拱形门廊、雕塑、玩具等领域均存在应用价值。

附图说明

图1是本发明一种环形张拉整体结构的俯视图。

图2是本发明一种环形张拉整体结构的侧视图。

图3是本发明一种环形张拉整体结构的立体图。

图4是本发明一种环形张拉整体结构的节点编号示意图。

图5是本发明一种环形张拉整体结构的水平杆单元编号示意图。

图6是本发明一种环形张拉整体结构的稳定杆单元编号示意图。

图7是本发明一种环形张拉整体结构的竖索单元编号示意图。

图8是本发明一种环形张拉整体结构的斜索单元编号示意图。

图9是本发明一种环形张拉整体结构实施例1中p=10, R=3m, h=1m,

时的平面示意图。

图10是本发明一种环形张拉整体结构实施例1中p=10, R=3m, h=1m,

时的立体示意图。

图11是本发明一种环形张拉整体结构实施例2中p=12, R=3m, h=1m,

时的平面示意图。

图12是本发明一种环形张拉整体结构实施例2中p=12, R=3m, h=1m,

时的立体示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的实施例作进一步详细的描述。

如图1、2、3所示，一种环形张拉整体结构，包括3p（p>3）个节点、3p个压杆单元和5p个拉索单元，压杆及拉索之间通过节点相连，节点为铰接节点，压杆单元及拉索单元可在节点处发生转动；所述结构存在四组构件，p个水平压杆为第1组构件，2p个稳定杆为第2组构件，4p个斜索为第3组构件，p个竖索为第4组构件。同组构件具有相同的长度和预应力；所述压杆单元存在预压力，所述拉索单元存在预拉力，且整体结构预应力自平衡。

整个环形张拉整体结构的具体组成由以下参数唯一确定：内环正多边形节点数p，内环正多边形外接圆半径R，稳定杆长度h，稳定杆与水平面夹角α。

p个等长的水平压杆首尾相接连成半径为R的正多边形作为环形张拉整体结构的内环，其作用是承受环向压力，水平压杆长度由正多边形边数p和正多边形外接圆半径R共同决定。

在半径为R的正多边形每个节点连接2个长度为h、夹角为2α的稳定杆，2个稳定杆的外端点各通过2个斜索与正多边形相邻节点连接，2个稳定杆的外端点通过1个竖索彼此相连；每个节点上的稳定杆所在平面为正多边形外接圆过此节点的法平面；环形张拉整体结构关于正多边形平面呈镜面对称，关于正多边形法线呈旋转对称，旋转角为

。所有斜索长度均相等，其长度由正多边形外接圆半径R、正多边形边数p、稳定杆长度h和稳定杆与水平面夹角α共同决定；所有竖索长度均相等，其长度由稳定杆长度h和稳定杆与水平面夹角α共同决定。

如图4、5、6、7、8所示，本发明所述结构的节点可分为p组，每组有3个节点，各组节点关于正多边形法线旋转对称，旋转角为

。第i组节点中包含节点编号为3i-2，3i-1，3i的节点，节点3i-2在正多边形上，节点3i-1，3i通过稳定杆与节点3i-2相连。

本发明涉及的节点坐标为：

本发明的拓扑连接形式如下：

1）水平杆

节点1和节点3p-2之间连水平杆1；

节点3i-5和节点3i-2之间连水平杆i，其中

。

2）稳定杆

节点3i-2和节点3i-1之间连接稳定杆2i-1，其中

;

节点3i-2和节点3i之间连接稳定杆2i，其中

。

3）斜索

节点3i-1和节点3i+1之间连接斜索4i-3，其中

;

节点3i和节点3i+1之间连接斜索4i-2，其中

;

节点3i-2和节点3i+2之间连接斜索4i-1，其中

;

节点3i-2和节点3i+3之间连接斜索4i，其中

;

节点3i-1和节点1之间连接斜索4i-3，其中

;

节点3i和节点1之间连接斜索4i-2，其中

;

节点3i-2和节点1之间连接斜索4i-1，其中

;

节点3i-2和节点1之间连接斜索4i，其中

。

4）竖索

节点3i-1和节点3i之间连接竖索i，其中

。

本发明的构件长度为：

1）水平杆

；

2）稳定杆

；

3）斜索

；

4）竖索

。

实施例1

如图9、10所示，选取以下参数p=10，R=3m， h=1m，

作为环形张拉整体结构的具体组成。

实施例2

如图11、12所示，选取以下参数p=12，R=3m， h=1m，

作为环形张拉整体结构的具体组成。

以上所述仅是本发明优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明保护范围内。

Claims (4)

1.一种环形张拉整体结构，其特征在于：包括3p个节点、3p个压杆单元和5p个拉索单元，其中，p>3，压杆及拉索之间通过节点相连，压杆单元包括p个水平压杆和2p个稳定杆，拉索单元包括4p个斜索和p个竖索；p个等长的水平压杆首尾相接连成半径为R的正多边形作为环形张拉整体结构的内环，在半径为R的正多边形每个节点连接2个长度为h、夹角为2α的稳定杆，2个稳定杆的外端点各通过2个斜索与正多边形相邻节点连接，2个稳定杆的外端点通过1个竖索彼此相连；每个节点上的稳定杆所在平面为正多边形外接圆过此节点的法平面；环形张拉整体结构关于正多边形平面呈镜面对称，关于正多边形法线呈旋转对称，旋转角为2π/p。

2.根据权利要求1所述的一种环形张拉整体结构，其特征在于：所述节点为铰接节点，压杆单元及拉索单元可在节点处发生转动。

3.根据权利要求1所述的一种环形张拉整体结构，其特征在于：该结构存在四组构件，p个水平压杆为第1组构件；2p个稳定杆为第2组构件；4p个斜索为第3组构件；p个竖索为第4组构件；同组构件具有相同的长度和预应力。

4.根据权利要求1所述的一种环形张拉整体结构，其特征在于：所述压杆单元存在预压力，所述拉索单元存在预拉力，且整体结构预应力自平衡。

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