CN109969373A - 一种压杆接触型张拉整体结构与集成及张力施加方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压杆接触型张拉整体结构与集成及张力施加方法，涉及工程结构技术领域，包括加劲环三角形桁架、中芯轴三角形桁架、纵向拉杆；加劲环三角形桁架孤立受压；中芯轴三角形桁架接触承压；纵向拉杆连续受拉，从头依次连接多个平行的加劲环三角形桁架的外环至尾连续闭合；该结构为自平衡、自承力结构，采用节段组立，对称延伸，模块拼接集成，通过多个中芯轴三角形桁架端对称分级同步顶推使纵向拉杆施加均匀张力。本发明的压杆接触型张拉整体结构与集成及张力施加方法具有重量轻、高刚度、几何稳定性高、可实现性强的特点，安装集成方法简便、安全、可扩展性强，张力施加方法有效、张力施加设备少、易控制、张力均匀准确、结构节点简洁。

Description

一种压杆接触型张拉整体结构与集成及张力施加方法

技术领域

本发明涉及工程结构技术领域，尤其涉及一种压杆接触型张拉整体结构与集成及张力施加方法。

背景技术

张拉整体结构是由分散的杆单元和连续的索单元构成的自平衡体系，仅依靠合理的拓扑构造就能保持自身的稳定。由于其先进的设计理念，张拉整体结构被誉为“未来的结构体系”，正逐渐成为诸如建筑、生物力学、航空航天等众多领域的研究热点。

“张拉整体”这一专有名词最早是由美国学者Buckminster Fuller提出的，他将“tensional”和“integrity”两个单词合成为现在广泛熟知的名词Tensegrity，翻译为中文即张拉整体。该名词代表了一种设计理念，即“压杆的孤岛存在于拉杆的海洋中”，更反映了源于自然的哲学思想，即自然“间断压连续拉”规律。

Fuller R B著“Tensile integrity structures[P]”(USA,3063521,1962)、Emmerich D G著“Construction de réseaux autotendants[P]”(France,1377290,1964)、Snelson K D著“Continuous tension,discontinuous compression structures[P]”(USA,3169611,1965)都发明了经典的张拉整体结构，即拉杆连续、压杆是极少和非连续孤立，但是，此类结构刚度很低，成形难，仅用于小的雕塑作品。

Geiger D H,Stefaniuk A,Chen D著“The design and construction of twocable domes for the Korean Olympics，shells，membrances and space flames[C]”(Proceedings of the International Association for Shell and SpatialStructures Symposium,1986,265-272)提出了著名的Geiger型索穹顶体系，主要由中心压柱(或中心受压环)、压杆、径向脊索、径向斜索、环索和受压圈梁组成。中心受压环、压杆是孤立的，但受压圈梁是连续强承力构件，结构具有轻质、刚度大等特点，并应用于大跨体育馆建筑结构。

Mike Schlaich著“Der Messeturm in Rostock–ein Tensegrityrekord”(Stahlbau 2003，72Heft 10：697-701)提出了一压杆螺旋连续接触型张拉整体结构，由另外水平索、连续纵索张拉，采用不锈钢索和管建成了62.3m高标志性景观塔，张力控制较难。

付功义，王彦广，李炎，陈务军著“大体型飞艇的刚性结构体系”(CN201521080600.X)提出一种谓之刚性结构体系飞艇，包括预应力结构体系和柔性外囊体结构。其中预应力结构体系由中芯轴、预应力加劲环、纵向连接杆组成。但是，加劲环管刚度低、稳定性很差；中芯轴管通长从头至尾，分别穿过加劲环轴，由此，导致中芯轴受较大压弯作用力，容易失稳，承载力低。同时，各加劲环顺序穿套中芯轴极为困难，以及通过端部纵拉索施加预张力，由于加劲环与中芯轴之间摩擦、加劲环变形、中芯轴支承摩擦等原因，纵拉索预张力不能有效产生、不均匀，且纵拉点多，不能有效施加控制。加劲环通过径向拉索张拉导入张力，张拉点多、工装多，难以控制同步性等。

经典张拉整体结构质量轻，但刚度低，张拉难控制。压杆接触型张拉整体结构刚度高，质量较轻，但体系构建、张力导入方式、效率是此类结构应用于不同工程结构领域的核心问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种压杆接触型张拉整体结构与集成及张力施加方法，其压杆接触型张拉整体结构具有重量轻、高刚度、几何稳定性高、可实现性强的特点，安装集成方法简便、安全、可扩展性强，张力施加方法有效、张力施加设备少、易控制、张力均匀准确、结构节点简洁。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何解决张拉整体结构刚度低、稳定性差，安装集成困难、张力不容易有效产生、张拉点多、工装多、不易控制的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种压杆接触型张拉整体结构，包括加劲环三角形桁架、中芯轴三角形桁架、纵向拉杆；所述加劲环三角形桁架孤立受压；所述中芯轴三角形桁架接触承压；所述纵向拉杆连续受拉，从头依次连接多个平行的所述加劲环三角形桁架的外环至尾连续闭合；所述张拉整体结构为自平衡、自承力结构，采用节段组立，对称延伸，模块拼接集成，通过多个所述中芯轴三角形桁架端对称分级同步顶推使所述纵向拉杆施加均匀张力；所述加劲环三角形桁架的数量为N，所述中芯轴三角形桁架的数量为N+1，其中，N≥4。

进一步地，所述加劲环三角形桁架包括环向三角形桁架、径向拉杆、毂轴，通过所述毂轴端顶推施加张力，所述径向拉杆在所述加劲环三角形桁架中面对称双层，环周向均匀布置。

进一步地，所述纵向拉杆从艇首依次连接多个平行的所述加劲环三角形桁架的外环至艇尾，形成闭合拉力环。

进一步地，所述中芯轴三角形桁架依次连接平行的所述加劲环三角形桁架的所述毂轴，形成从艇首至艇尾的压杆接触型承压中芯主轴。

进一步地，所述加劲环三角形桁架为自平衡、自承力结构，在张力施加后所述径向拉杆组成连续受拉闭合体系，所述毂轴为孤立受压杆，所述环向三角形桁架为接触型承压构件。

进一步地，所述环向三角形桁架、中芯轴三角形桁架采用碳纤维增强复合材料薄壁管制作，所述径向拉杆和纵向拉杆采用碳纤维增强复合材料制作。

本发明还提供了一种压杆接触型张拉整体结构的集成方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、加劲环三角形桁架制作与拼接：分别制作环向三角形桁架、径向拉杆、毂轴，再在台架拼接，并设n＝1；

步骤2、中段第一节段集成：分别竖立安装中段第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架于台架，再安装第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间的中芯轴三角形桁架，之后连接第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间的纵向拉杆，沿环向对称安装至完毕；

步骤3、如果跳至步骤4，否则，以中段第一节段为基准，分别向前后对称安装第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架，再分别安装第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间以及第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间的中芯轴三角形桁架，顺序对称连接第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间以及第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间的纵向拉杆，跳至步骤5；

步骤4、以中段第一节段为基准，向后安装第加劲环三角形桁架，再安装第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间的中芯轴三角形桁架，连接第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间的纵向拉杆；

步骤5、如果将n递增1并重复执行步骤3，否则，分别安装艇首、第一加劲环三角形桁架之间以及第N加劲环三角形桁架、艇尾之间的中芯轴三角形桁架，顺序连接艇首、第一加劲环三角形桁架之间以及第N加劲环三角形桁架、艇尾之间的的纵向拉杆，形成从艇首至艇尾的压杆接触型承压中芯主轴，纵向拉杆从艇首至艇尾形成闭合拉力环。

本发明又提供了一种压杆接触型张拉整体结构的张力施加方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、在第奇数个加劲环三角形桁架的毂轴两端分级同步顶推中芯轴三角形桁架，使纵向拉杆形成均匀张力；

步骤2、在纵向拉杆张力施加后，对中段加劲环三角形桁架通过毂轴端顶推一次施加张力，对两端加劲环三角形桁架通过毂轴端顶推或径向拉杆二次施加张力。

进一步地，所述步骤2中对两端加劲环三角形桁架通过毂轴端顶推二次施加张力还包括以下步骤：

步骤2.1.1、在加劲环三角形桁架成形时通过毂轴端顶推第一次施加张力；

步骤2.1.2、在纵向拉杆张拉之后通过毂轴端顶推第二次施加张力。

进一步地，所述步骤2中对两端加劲环三角形桁架通过径向拉杆二次施加张力还包括以下步骤：

步骤2.2.1、在加劲环三角形桁架成形时通过毂轴端顶推第一次施加张力；

步骤2.2.2、在纵向拉杆张拉之后通过径向拉杆第二次施加张力。

本发明的压杆接触型张拉整体结构与集成及张力施加方法可应用于大型飞艇结构、航天器结构、建筑工程结构及其设计、制备、集成与建造施工，其压杆接触型张拉整体结构具有重量轻、高刚度、几何稳定性高、可实现性强的特点，安装集成方法简便、安全、可扩展性强，张力施加方法有效、张力施加设备少、易控制、张力均匀准确、结构节点简洁。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的三维结构示意图；

图2是本发明的一个较佳实施例的正视图；

图3是本发明的一个较佳实施例的加劲环三角形桁架三维结构示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的加劲环三角形桁架毂轴三维结构示意图。

图5是本发明的一个较佳实施例的中芯轴三角形桁架三维结构示意图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例一：

如图1、图2所示，本发明的一个较佳实施例提供了一种压杆接触型张拉整体结构三维结构示意图，其包括加劲环三角形桁架1、高强高刚性纵向拉杆2、中芯轴三角形桁架3，多个加劲环三角形桁架1孤立受压，多个中芯轴三角形桁架3接触承压，若干高强高刚性纵向拉杆2连续受拉，组成自平衡、自承力的张拉整体结构。

张拉整体结构为组合几何体，头部和尾部为圆锥形，中段为圆柱形，中段加劲环三角形桁架1多个直径相同、平行、间距一致，两端加劲环三角形桁架1直径小。

高强高刚性纵向拉杆2从头依次连接8个平行加劲环三角形桁架1的外环至尾形成闭合拉力环。

如图3、图4所示，本发明的一个较佳实施例提供了加劲环三角形桁架三维结构示意图，加劲环三角形桁架1为环向三角形桁架101、高强高刚性径向拉杆102、毂轴103组成，高强高刚性径向拉杆102在加劲环三角形桁架中面对称双层，环周向均匀布置。

中段加劲环三角形桁架1通过毂轴103端顶推一次施加张力。两端加劲环三角形桁架1通过毂轴103端顶推两次施加张力，第一次在加劲环三角形桁架1成形时施加，第二次在纵向拉杆2张拉之后施加。高强高刚性径向拉杆102组成连续受拉闭合体系，毂轴103为孤立受压杆，环向三角形桁架101为接触型承压构件。加劲环三角形桁架1为自平衡、自承力结构。

如图5所示，本发明的一个较佳实施例提供了中芯轴三角形桁架3三维结构示意图，中芯轴三角形桁架3为9段，依次连接8个平行加劲环三角形桁架1的毂轴103，形成从艇首至艇尾的压杆接触型承压中芯主轴。

在上述结构实施时，可按下述步骤进行集成和张拉：

步骤1：加劲环三角形桁架1制作与拼接，分别制作环向三角形桁架101、高强高刚性径向拉杆102、毂轴103，再在台架拼接，中段加劲环三角形桁架1(R2-R7)通过毂轴103端顶推一次施加张力。两端加劲环三角形桁架1(R1、R8)通过毂轴103端顶推两次施加张力，第一次在加劲环三角形桁架1成形时施加，第二次在纵向拉杆2张拉之后施加。

步骤2：中段第一节段(R4-R5)集成，分别竖立安装加劲环三角形桁架1(R4和R5)于台架，再安装之间的中芯轴三角形桁架3，之后连接R4-R5之间的高强高刚性纵向拉杆2，沿环向对称安装至完毕。

步骤3：以中段第一节段(R4-R5)为基准，分别向前后对称安装加劲环三角形桁架1(R3、R6)，再分别安装之间的中芯轴三角形桁架3，顺序对称连接R3-R4、R5-R6之间高强高刚性纵向拉杆2。

步骤4：按照步骤3一致方法，向前后分别安装至头、尾，形成从艇首至艇尾的压杆接触型承压中芯主轴，高强高刚性纵向拉杆2从艇首至艇尾形成闭合拉力环。

步骤5：在加劲环三角形桁架1(R1、R3、R5、R7)的毂轴103两端分级同步顶推中芯轴三角形桁架3，使高强高刚性纵向拉杆2形成均匀张力。

步骤6：对两端加劲环三角形桁架1(R1、R8)通过毂轴103端顶推或径向拉杆102第二次施加张力。

在实施完张力施加后，压杆接触型张拉整体结构为一个体系内拉压自平衡、自承力结构。

本发明的结构尺寸、部件尺寸、构件尺寸、材料选择、工艺设计可针对具体工程应用确定。环向三角形桁架、中芯轴三角形桁架可采用CFRP薄壁管，径向拉杆和纵向拉杆可采用CFRP拉杆。径向拉杆、纵向拉杆张力参数由设计确定，张力施加分级次数和具体支撑台架等由工艺设计确定。

实施例二：

在实施例一的基础上，实施例二中的高强高刚性纵向拉杆2从头依次连接多个(5-7)平行加劲环三角形桁架1的外环至尾形成闭合拉力环。中芯轴三角形桁架3为多段(6-8)，依次连接多个(5-7)平行加劲环三角形桁架1的毂轴103，形成从艇首至艇尾的压杆接触型承压中芯主轴。

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 (10)

1.一种压杆接触型张拉整体结构，其特征在于，包括加劲环三角形桁架、中芯轴三角形桁架、纵向拉杆；所述加劲环三角形桁架孤立受压；所述中芯轴三角形桁架接触承压；所述纵向拉杆连续受拉，从头依次连接多个平行的所述加劲环三角形桁架的外环至尾连续闭合；所述张拉整体结构为自平衡、自承力结构，采用节段组立，对称延伸，模块拼接集成，通过多个所述中芯轴三角形桁架端对称分级同步顶推使所述纵向拉杆施加均匀张力；所述加劲环三角形桁架的数量为N，所述中芯轴三角形桁架的数量为N+1，其中，N≥4。

2.如权利要求1所述的压杆接触型张拉整体结构，其特征在于，所述加劲环三角形桁架包括环向三角形桁架、径向拉杆、毂轴，通过所述毂轴端顶推施加张力，所述径向拉杆在所述加劲环三角形桁架中面对称双层，环周向均匀布置。

3.如权利要求1所述的压杆接触型张拉整体结构，其特征在于，所述纵向拉杆从艇首依次连接多个平行的所述加劲环三角形桁架的外环至艇尾，形成闭合拉力环。

4.如权利要求2所述的压杆接触型张拉整体结构，其特征在于，所述中芯轴三角形桁架依次连接平行的所述加劲环三角形桁架的所述毂轴，形成从艇首至艇尾的压杆接触型承压中芯主轴。

5.如权利要求2所述的压杆接触型张拉整体结构，其特征在于，所述加劲环三角形桁架为自平衡、自承力结构，在张力施加后所述径向拉杆组成连续受拉闭合体系，所述毂轴为孤立受压杆，所述环向三角形桁架为接触型承压构件。

6.如权利要求2所述的压杆接触型张拉整体结构，其特征在于，所述环向三角形桁架、中芯轴三角形桁架采用碳纤维增强复合材料薄壁管制作，所述径向拉杆和纵向拉杆采用碳纤维增强复合材料制作。

7.如权利要求2所述的压杆接触型张拉整体结构的集成方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、加劲环三角形桁架制作与拼接：分别制作环向三角形桁架、径向拉杆、毂轴，再在台架拼接，并设n＝1；

步骤2、中段第一节段集成：分别竖立安装中段第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架于台架，再安装第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间的中芯轴三角形桁架，之后连接第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间的纵向拉杆，沿环向对称安装至完毕；

步骤3、如果跳至步骤4，否则，以中段第一节段为基准，分别向前后对称安装第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架，再分别安装第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间以及第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间的中芯轴三角形桁架，顺序对称连接第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间以及第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间的纵向拉杆，跳至步骤5；

步骤4、以中段第一节段为基准，向后安装第加劲环三角形桁架，再安装第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间的中芯轴三角形桁架，连接第加劲环三角形桁架、第加劲环三角形桁架之间的纵向拉杆；

步骤5、如果将n递增1并重复执行步骤3，否则，分别安装艇首、第一加劲环三角形桁架之间以及第N加劲环三角形桁架、艇尾之间的中芯轴三角形桁架，顺序连接艇首、第一加劲环三角形桁架之间以及第N加劲环三角形桁架、艇尾之间的的纵向拉杆，形成从艇首至艇尾的压杆接触型承压中芯主轴，纵向拉杆从艇首至艇尾形成闭合拉力环。

8.如权利要求2所述的压杆接触型张拉整体结构的张力施加方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、在第奇数个加劲环三角形桁架的毂轴两端分级同步顶推中芯轴三角形桁架，使纵向拉杆形成均匀张力；

步骤2、在纵向拉杆张力施加后，对中段加劲环三角形桁架通过毂轴端顶推一次施加张力，对两端加劲环三角形桁架通过毂轴端顶推或径向拉杆二次施加张力。

9.如权利要求8所述的压杆接触型张拉整体结构的张力施加方法，其特征在于，所述步骤2中对两端加劲环三角形桁架通过毂轴端顶推二次施加张力还包括以下步骤：

步骤2.1.1、在加劲环三角形桁架成形时通过毂轴端顶推第一次施加张力；

步骤2.1.2、在纵向拉杆张拉之后通过毂轴端顶推第二次施加张力。

10.如权利要求8所述的压杆接触型张拉整体结构的张力施加方法，其特征在于，所述步骤2中对两端加劲环三角形桁架通过径向拉杆二次施加张力还包括以下步骤：

步骤2.2.1、在加劲环三角形桁架成形时通过毂轴端顶推第一次施加张力；

步骤2.2.2、在纵向拉杆张拉之后通过径向拉杆第二次施加张力。