CN113175088A - 一种滑动索驱动的可展索穹顶结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了可展结构和索穹顶结构技术领域的一种滑动索驱动的可展索穹顶结构，包括p(p>3)段外竖杆、p段内竖杆、2p段外脊索、2p段外斜索、2p段内脊索、2p段内斜索、p段外环索、p段内环底索、p段内环顶索等9类构件以及p个外环顶节点、p个外环底节点、p个内环顶节点、p个内环底节点、p个固定节点等5类节点构成；各组环索、斜索、脊索被均匀划分为3段等长的滑动索，每段滑动索中部与节点处通过滑轮连接，两端与节点铰接；结构关于正多边形法线呈旋转对称，旋转角为2π/p；每根滑动索通过索长调节装置，改变结构形状，实现折叠与展开，满足不同的建筑屋盖开口要求，结构和控制方式简单，且结构具有较高的收纳比。

Description

一种滑动索驱动的可展索穹顶结构
技术领域
本发明涉及索穹顶结构与可展结构技术领域，具体为一种滑动索驱动的可展索穹顶结构。
背景技术
索穹顶结构受力合理，结构效率高，而且集新材料、新技术、新工艺于一身，代表了当前空间结构发展的最高水平。此种结构形式是学术界和工程界的热点，其用钢指标优异、结构轻柔、造型美观富于艺术感等优点使其成为许多大跨度体育场馆的建筑形式。可展结构依赖其灵活多变的特性，使得建筑在使用需求、环境变化等方面的适应性显著增强，大大提高了建筑的功能性，更能满足不同的人类活动形式，给使用者带来更为舒适、美好和满足的感受。
传统的索穹顶结构的研究与应用多停留在静态建筑结构的领域，仅有《一种葵花型可展剪式环撑索穹顶结构》《一种肋环型可展剪式环撑索穹顶结构》这两项专利将索穹顶结构与可展结构相结合，但这两种结构要实现折叠与展开需要对所有拉索长度进行调控，控制的复杂度较大。为降低可展索穹顶的控制难度，减少索长调节装置的个数，将传统的拉索改进为滑动索，提出一种滑动索驱动的可展索穹顶结构。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构新颖、可调节开口大小的滑动索驱动的可展索穹顶结构。
为实现上述目的，本发明提供技术方案：
一种滑动索驱动的可展索穹顶结构，包括p段外竖杆、p段内竖杆、2p段外脊索、2p段外斜索、2p段内脊索、2p段内斜索、p段外环索、p段内环底索、p段内环顶索九类构件以及p个外环顶节点、p个外环底节点、p个内环顶节点、p个内环底节点、p个固定节点五类节点，其中p>3；所述的可展索穹顶结构关于正多边形法线呈旋转对称，旋转角为2π/p；每根滑动索上均设置有索长调节装置，通过调节滑动索长度来改变索穹顶结构的形状，实现索穹顶结构的折叠与展开；
所述的外竖杆和内竖杆分别沿圆周均匀分布；所有的环索、斜索、脊索分别被均匀划分为三段等长的滑动索，每段滑动索的中部在相应节点处通过滑轮连接，每段滑动索的两端与相应节点铰接；
所述的固定节点沿圆周均匀分布，垂直高度相同，位于索穹顶结构的最外侧，每一个固定节点分别与两段外斜索和两段外脊索相连；
所述的外环顶节点、外环底节点、内环顶节点、内环底节点为自由节点，所述自由节点的坐标在折叠与展开过程中动态变化；所述的外环顶节点位于外竖杆的顶端，每一个外环顶节点分别与两段外脊索、两段内脊索和两段内斜索相连；所述的外环底节点位于外竖杆的底端，每一个外环底节点分别与两段外斜索和两段外环索相连；所述的内环顶节点位于内竖杆的顶端，每一个内环顶节点分别与两段内环顶索和两段内脊索相连；所述的内环底节点位于内竖杆的底端，每一个内环底节点分别与两段内环底索和两段内斜索相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明提供了一种滑动索驱动的可展索穹顶结构，由通长的拉索、竖直的压杆和带滑轮的节点构成，结构刚度有预应力的贡献，节约了钢材的使用量，减少了结构自重。
2、结构可以通过拉索的长度变换，来达到控制结构形态的目的，使得结构在使用需求、环境变化等方面的适应性显著增强，大大提高了结构的功能性，更能满足不同的人类活动形式。
附图说明
图1是本发明的主视图；
图2是本发明的俯视图；
图3是本发明的立体图；
图4是本发明的端部固定节点示意图；
图5是本发明的中部固定节点示意图；
图6是本发明端部内环顶底节点示意图；
图7是本发明中部内环顶底节点示意图；
图8是本发明外环顶节点示意图；
图9是本发明端部外环底节点示意图；
图10是本发明结构变化的过程示意图；
图中：1-外竖杆；2-内竖杆；3-外脊索；4-外斜索；5-内脊索；6-内斜索；7-外环索；8-内环底索；9-内环顶索；10-外环顶节点；11-外环底节点，11-a-端部外环底节点，11-b-中部外环底节点；12-内环顶节点，12-a-端部内环顶节点，12-b-中部内环顶节点；13-内环底节点，13-a-端部内环底节点，13-b-中部内环底节点；14-固定节点，14-a-端部固定节点，14-b-中部固定节点；15-长度调节装置；16-滑轮一；17、第二滑轮；18-第三滑轮；19-第四滑轮；20-第五滑轮；21-第六滑轮；22-第七滑轮；23-第八滑轮。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～3，本发明实施例中一种滑动索驱动的可展索穹顶结构，结构关于正多边形所在平面呈镜面对称，关于正多边形法线呈旋转对称。整个结构有5p个节点，包括p个固定节点14、2p个内环顶底节点(即内环顶节点和内环底节点)、2p个外环顶底节点(即外环顶节点和外环底节点)，共计五类。结构具有七组拉索，两组压杆，共九类杆件，包括p(p>3)段外竖杆1、p段内竖杆2、2p段外脊索3、2p段外斜索4、2p段内脊索5、2p段内斜索6、p段外环索7、p段内环底索8、p段内环顶索9。
所述的外竖杆1和内竖杆2分别沿圆周均匀分布；所有的环索、斜索、脊索分别被均匀划分为三段等长的滑动索，每段滑动索的中部在相应节点处通过滑轮连接，每段滑动索的两端与相应节点铰接。
所述的固定节点14沿圆周均匀分布，垂直高度相同，位于索穹顶结构的最外侧，每一个固定节点14分别与两段外斜索4和两段外脊索3相连。
所述的外环顶节点10、外环底节点11、内环顶节点12、内环底节点13为自由节点，所述自由节点的坐标在折叠与展开过程中动态变化，具体位置由展开系数确定，整个结构体系为一个张力体系，是一个柔性结构，需要满足拓扑关系和外形条件，索件需要通过预应力来获得刚度，使结构具有承载力。
所述的外环顶节点10位于外竖杆1的顶端，每一个外环顶节点10分别与两段外脊索3、两段内脊索5和两段内斜索6相连；所述的外环底节点11位于外竖杆1的底端，每一个外环底节点11分别与两段外斜索4和两段外环索7相连；所述的内环顶节点12位于内竖杆2的顶端，每一个内环顶节点12分别与两段内环顶索9和两段内脊索5相连；所述的内环底节点13位于内竖杆2的底端，每一个内环底节点13分别与两段内环底索8和两段内斜索6相连。
如图1、2、3共有5p个节点，可由初始的5个节点经过旋转得到5p个节点的初始坐标。具体的计算过程如下：
初始的5个节点组成的单元的节点矩阵Nu,1：
Figure BDA0003049124160000041
其中，R为固定节点14外接圆的半径；r0＝(c+1)R/2，具体为外环顶底节点外接圆的半径；c为最内侧环的半径与R比值；0、z1、z2、z3、z4为五个点的z轴坐标；β为两个节点单元夹角的一半，取π/p。
其他节点单元的节点坐标矩阵Nu,i为：
Nu,i＝Ti-1Nu,1
其中，i为节点单元的编号，i＝1,2，...p；T为旋转矩阵，计算如下：
Figure BDA0003049124160000042
旋转角为2π/p。
如图1、2、3所示，节点分别位于3个圆环上，最外侧圆上的节点为固定节点14，共有p个；最内侧圆(内竖杆)上的节点为Ⅰ类自由节点，共有2p个；中间圆(外竖杆)上的节点为Ⅱ类自由节点，共有2p个。七类索件可分别通过节点均匀划分为3组，即2p段外脊索3、2p段外斜索4、2p段内脊索5、2p段内斜索6、p段外环索7、p段内环底索8、p段内环顶索9等七种索件在端部节点上切分为全等的三段。通过节点处的滑轮把同组中的拉索连通为三根通长的滑动索，同组索件具有相同的预应力。
如图4～9为节点详图，本结构共有六种类型的节点，根据其在结构中的位置分为固定节点14、内环顶底节点、外环顶底节点三类，在此基础上，每一类节点根据其在滑动索中的位置，划分为端部节点和中部节点两种。
根据上述划分方式，共分为端部固定节点14-a、中部固定节点14-b、外环顶节点10、端部外环底节点11-a、中部外环底节点11-b、端部内环顶节点12-a、端部内环底节点13-a、中部内环顶节点12-b、中部内环底节点13-b。其中，所述的端部内环顶节点12-a、端部内环底节点13-a的结构相同，属于同种类型的节点；所述的中部外环底节点11-b、中部内环顶节点12-b、中部内环底节点13-b的结构相同，属于同种类型的节点。因此共计六种类型的节点，即图4-图9所示的六种结构。
由图2所示，p＝12，端部固定节点14-a、端部外环底节点11-a、端部内环顶节点12-a、端部内环底节点13-a的数量均为3，沿圆周均匀分布。其中每类索件分别通过端部固定节点14-a、端部内环顶节点12-a、端部内环底节点13-a、端部外环底节点11-a均匀划分为3段，即24段外脊索3、24段外斜索4、24段内脊索5、24段内斜索6、12段外环索7、12段内环底索8、12段内环顶索9七种索件根据端部节点所在的位置均匀划分为三段。
为了实现上述的三段式，所述的中部固定节点14-b、中部外环底节点11-b、中部内环顶节点12-b、中部内环底节点13-b、外环顶节点10上设有至少一个滑轮，通过相应节点处的滑轮把同组中的拉索连通为三段通长的滑动索，同组中的三段滑动索具有相同的预应力。
在本发明的一项具体实施中，固定节点的结构设计为：端部固定节点的结构如图4所示，中部固定节点的结构如图5所示。每一个端部固定节点14-a和中部固定节点14-b均与两段外斜索4和两段外脊索3相连；
所述的端部固定节点14-a处设置四个铰接点，分别与四根拉索铰接，可在铰接处转动；
所述的中部固定节点14-b处设有角度可变的滑轮一16和滑轮二17，位于上部的滑轮一16连接相邻两段外脊索3；位于下部的滑轮二17连接相邻两段外斜索4。
在本发明的一项具体实施中，外环底节点的结构设计为：端部外环底节点的结构如图9所示，中部外环底节点的结构如图7所示。每一个端部外环底节点11-a和中部外环底节点11-b分别与两段外斜索4和两段外环索7相连。
所述的端部外环底节点11-a处设有滑轮八23和两个铰接点，位于一侧的滑轮八20连接相邻两段外斜索4；位于另一侧的两个铰接节点分别与相邻两段外环索7连接；
所述的中部外环底节点11-b处设有滑轮三18和滑轮四19，位于一侧的滑轮三18连接相邻两段外环索7，使得两两端部外环底节点11-a之间的外环索形成一根通长的滑动外环索；位于另一侧的滑轮四19连接相邻两段外斜索4，使得两两端部固定节点14-a之间的外斜索依次绕经经过端部固定节点14-a铰接点、交替的中部外环底节点11-b滑轮四19与中部固定节点14-b滑轮二17、端部外环底节点11-a滑轮八20、另一个相邻的端部固定节点14-a铰接点，形成一根通长的滑动外斜索。
在本发明的一项具体实施中，内环顶节点的结构设计为：端部内环顶节点的结构如图6所示，中部内环顶节点的结构如图7所示。每一个端部内环顶节点12-a和中部内环顶节点12-b分别与两段内环顶索9和两段内脊索5相连。
所述的端部内环顶节点12-a处设置四个铰接点，分别与四根拉索铰接，可在铰接处转动；
所述的中部内环顶节点12-b处设有滑轮三18和滑轮四19，位于一侧的滑轮三18连接相邻两段内环顶索9，使得两两端部内环顶节点12-a之间的内环顶索形成一根通长的滑动内环顶索；位于另一侧的滑轮四19连接相邻两段内脊索5。
在本发明的一项具体实施中，内环底节点的结构设计为：端部内环底节点的结构如图6所示，中部内环底节点的结构如图7所示。每一个端部内环底节点13-a和中部内环底节点13-b分别与两段内环底索8和两段内斜索6相连。
所述的端部内环底节点13-a处设置四个铰接点，分别与四根拉索铰接，可在铰接处转动；
所述的中部内环底节点13-b处设有滑轮三18和滑轮四19，位于一侧的滑轮三18连接相邻两段内环底索8，使得两两端部内环底节点13-a之间的内环底索形成一根通长的滑动内环底索；位于另一侧的滑轮四19连接相邻两段内斜索6。
端部内环底节点与端部内环顶节点的结构相同，中部内环底节点与中部内环顶节点的结构相同，但是其连接的索件不同。
在本发明的一项具体实施中，外环顶节点的结构设计为：外环顶节点的结构如图8所示。每一个外环顶节点10分别与两段外脊索3、两段内脊索5和两段内斜索6相连。
所述的外环顶节点10处设有滑轮五20、滑轮六21和滑轮七22，位于一侧的滑轮五20连接相邻两段外脊索3，使得两两端部固定节点14-a之间的外脊索依次经过端部固定节点14-a铰接点、交替的外环顶节点10滑轮五20与中部固定节点14-b滑轮一16、另一个相邻的端部固定节点14-a铰接点，形成一根通长的滑动外脊索；
位于另一侧下部的滑轮六21连接相邻两段内斜索6，使得两两端部内环底节点13-a之间的内斜索依次经过端部内环底节点13-a铰接点、交替的外环顶节点10滑轮六21与中部内环底节点13-b滑轮四19、另一个相邻的端部内环底节点13-a铰接点，形成一根通长的滑动内斜索；
位于另一侧上部的滑轮七22连接相邻两段内脊索5，使得两两端部内环顶节点12-a之间的内脊索依次经过端部内环顶节点12-a铰接点、交替的外环顶节点10滑轮七22与中部内环顶节点12-b滑轮四19、另一个相邻的端部内环顶节点12-a铰接点，形成一根通长的滑动内脊索。
本发明的工作原理是：结构具有七组拉索，两组压杆，共九类杆件，包括p(p>3)段外竖杆1、p段内竖杆2、2p段外脊索3、2p段外斜索4、2p段内脊索5、2p段内斜索6、p段外环索7、p段内环底索8、p段内环顶索9，通过5p个节点连接形成整个结构。
同组拉索根据端部节点所在位置均匀划分为三段，其中端部节点位置如图2所示。通过中部节点处的滑轮把同组中的拉索连通为三根通长的滑动索，在滑动索的两端与端部节点铰接，同组索件具有相同的预应力。
每根滑动索包含一个长度调节装备，可用来调节索长来调控内外环开口的大小，控制展开系数，进而控制整个结构的形状，实现索穹顶结构的折叠与展开。如图10，折叠过程中，外环索、内环底索、内环顶索长度增加，外斜索、内斜索、外脊索、内脊索长度减少；展开过程中，外环索、内环底索、内环顶索长度减小，外斜索、内斜索、外脊索、内脊索长度增加。
整个结构只包含承受轴向拉力的索件和承受轴向压力的压杆，因此整个结构需要施加预应力使整个结构获得刚度，进而获得一定的承载力。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种滑动索驱动的可展索穹顶结构，其特征在于，包括p段外竖杆(1)、p段内竖杆(2)、2p段外脊索(3)、2p段外斜索(4)、2p段内脊索(5)、2p段内斜索(6)、p段外环索(7)、p段内环底索(8)、p段内环顶索(9)九类构件以及p个外环顶节点(10)、p个外环底节点(11)、p个内环顶节点(12)、p个内环底节点(13)、p个固定节点(14)五类节点，其中p>3；所述的可展索穹顶结构关于正多边形法线呈旋转对称，旋转角为2π/p；每根滑动索上均设置有索长调节装置，通过调节滑动索长度来改变索穹顶结构的形状，实现索穹顶结构的折叠与展开；
所述的外竖杆(1)和内竖杆(2)分别沿圆周均匀分布；所有的环索、斜索、脊索分别被均匀划分为三段等长的滑动索，每段滑动索的中部在相应节点处通过滑轮连接，每段滑动索的两端与相应节点铰接；
所述的固定节点(14)沿圆周均匀分布，垂直高度相同，位于索穹顶结构的最外侧，每一个固定节点(14)分别与两段外斜索(4)和两段外脊索(3)相连；
所述的外环顶节点(10)、外环底节点(11)、内环顶节点(12)、内环底节点(13)为自由节点，所述自由节点的坐标在折叠与展开过程中动态变化；所述的外环顶节点(10)位于外竖杆(1)的顶端，每一个外环顶节点(10)分别与两段外脊索(3)、两段内脊索(5)和两段内斜索(6)相连；所述的外环底节点(11)位于外竖杆(1)的底端，每一个外环底节点(11)分别与两段外斜索(4)和两段外环索(7)相连；所述的内环顶节点(12)位于内竖杆(2)的顶端，每一个内环顶节点(12)分别与两段内环顶索(9)和两段内脊索(5)相连；所述的内环底节点(13)位于内竖杆(2)的底端，每一个内环底节点(13)分别与两段内环底索(8)和两段内斜索(6)相连。
2.根据权利要求1所述的一种滑动索驱动的可展索穹顶结构，其特征在于，该结构共有六种类型的节点，根据节点与索的连接方式，划分为端部固定节点(14-a)、中部固定节点(14-b)、外环顶节点(10)、端部外环底节点(11-a)、中部外环底节点(11-b)、端部内环顶节点(12-a)、端部内环底节点(13-a)、中部内环顶节点(12-b)、中部内环底节点(13-b)；所述的端部内环顶节点(12-a)、端部内环底节点(13-a)的结构相同，属于同种类型的节点；所述的中部外环底节点(11-b)、中部内环顶节点(12-b)、中部内环底节点(13-b)的结构相同，属于同种类型的节点。
3.根据权利要求2所述的一种滑动索驱动的可展索穹顶结构，其特征在于，端部固定节点(14-a)、端部外环底节点(11-a)、端部内环顶节点(12-a)、端部内环底节点(13-a)的数量均为3，沿圆周均匀分布。
4.根据权利要求3所述的一种滑动索驱动的可展索穹顶结构，其特征在于，该结构具有七组拉索，两组压杆，共九类索件；其中每类索件分别通过端部固定节点(14-a)、端部内环顶节点(12-a)、端部内环底节点(13-a)、端部外环底节点(11-a)均匀划分为3段，即2p段外脊索(3)、2p段外斜索(4)、2p段内脊索(5)、2p段内斜索(6)、p段外环索(7)、p段内环底索(8)、p段内环顶索(9)七种索件根据端部节点所在的位置均匀划分为三段。
5.根据权利要求4所述的一种滑动索驱动的可展索穹顶结构，其特征在于，所述的中部固定节点(14-b)、中部外环底节点(11-b)、中部内环顶节点(12-b)、中部内环底节点(13-b)、外环顶节点(10)上设有至少一个滑轮，通过相应节点处的滑轮把同组中的拉索连通为三段通长的滑动索，同组中的三段滑动索具有相同的预应力。
6.根据权利要求2所述的一种滑动索驱动的可展索穹顶结构，其特征在于，每一个端部固定节点(14-a)和中部固定节点(14-b)均与两段外斜索(4)和两段外脊索(3)相连；
所述的端部固定节点(14-a)处设置四个铰接点，分别与四根拉索铰接；
所述的中部固定节点(14-b)处设有角度可变的滑轮一(16)和滑轮二(17)，位于上部的滑轮一(16)连接相邻两段外脊索(3)；位于下部的滑轮二(17)连接相邻两段外斜索(4)。
7.根据权利要求6所述的一种滑动索驱动的可展索穹顶结构，其特征在于，每一个端部外环底节点(11-a)和中部外环底节点(11-b)分别与两段外斜索(4)和两段外环索(7)相连；
所述的端部外环底节点(11-a)处设有滑轮八(23)和两个铰接点，位于一侧的滑轮八(20)连接相邻两段外斜索(4)；位于另一侧的两个铰接节点分别与相邻两段外环索(7)连接；
所述的中部外环底节点(11-b)处设有滑轮三(18)和滑轮四(19)，位于一侧的滑轮三(18)连接相邻两段外环索(7)，使得两两端部外环底节点(11-a)之间的外环索形成一根通长的滑动外环索；位于另一侧的滑轮四(19)连接相邻两段外斜索(4)，使得两端部固定节点(14-a)之间的外斜索依次绕经交替的中部外环底节点(11-b)滑轮四(19)与中部固定节点(14-b)滑轮二(17)、端部外环底节点(11-a)滑轮八(20)，形成一根通长的滑动外斜索。
8.根据权利要求2所述的一种滑动索驱动的可展索穹顶结构，其特征在于，每一个端部内环顶节点(12-a)和中部内环顶节点(12-b)分别与两段内环顶索(9)和两段内脊索(5)相连；
所述的端部内环顶节点(12-a)处设置四个铰接点，分别与四根拉索铰接；
所述的中部内环顶节点(12-b)处设有滑轮三(18)和滑轮四(19)，位于一侧的滑轮三(18)连接相邻两段内环顶索(9)，使得两两端部内环顶节点(12-a)之间的内环顶索形成一根通长的滑动内环顶索；位于另一侧的滑轮四(19)连接相邻两段内脊索(5)。
9.根据权利要求2所述的一种滑动索驱动的可展索穹顶结构，其特征在于，每一个端部内环底节点(13-a)和中部内环底节点(13-b)分别与两段内环底索(8)和两段内斜索(6)相连；
所述的端部内环底节点(13-a)处设置四个铰接点，分别与四根拉索铰接；
所述的中部内环底节点(13-b)处设有滑轮三(18)和滑轮四(19)，位于一侧的滑轮三(18)连接相邻两段内环底索(8)，使得两两端部内环底节点(13-a)之间的内环底索形成一根通长的滑动内环底索；位于另一侧的滑轮四(19)连接相邻两段内斜索(6)。
10.根据权利要求6、8或9所述的一种滑动索驱动的可展索穹顶结构，其特征在于，每一个外环顶节点(10)分别与两段外脊索(3)、两段内脊索(5)和两段内斜索(6)相连；
所述的外环顶节点(10)处设有滑轮五(20)、滑轮六(21)和滑轮七(22)，位于一侧的滑轮五(20)连接相邻两段外脊索(3)，使得两两端部固定节点(14-a)之间的外脊索依次绕经交替的外环顶节点(10)滑轮五(20)与中部固定节点(14-b)滑轮一(16)，形成一根通长的滑动外脊索；
位于另一侧下部的滑轮六(21)连接相邻两段内斜索(6)，使得两两端部内环底节点(13-a)之间的内斜索依次绕经交替的外环顶节点(10)滑轮六(21) 与中部内环底节点(13-b)滑轮四(19)，形成一根通长的滑动内斜索；
位于另一侧上部的滑轮七(22)连接相邻两段内脊索(5)，使得两两端部内环顶节点(12-a)之间的内脊索依次绕经交替的外环顶节点(10)滑轮七(22)与中部内环顶节点(12-b)滑轮四(19)，形成一根通长的滑动内脊索。
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