CN113914472B - 一类截角八面体张拉整体结构 - Google Patents

一类截角八面体张拉整体结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一类表面由正方形平面、正六边形平面交替拼接的十二杆截角八面体球形张拉整体结构，目前尚无球体表面由正方形平面、正六边形平面交替拼接形成的十二杆截角八面体球形张拉整体结构。本发明中的截角八面体张拉整体结构共有24个节点，分别位于截角八面体的24个顶点上，由内部压杆以及外部拉索构成。这类截角八面体张拉整体共有两种基本结构形式。其中截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型拉索有两种内力数值；截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型拉索有三种内力数值；压杆均只有一种内力数值。所有节点均为铰接节点，所有的拉索均存在预拉力，所有的压杆均存在预压力，拉索的预拉力和压杆的预压力相互平衡，同时满足“超级稳定”的特性。

Description

一类截角八面体张拉整体结构
技术领域
本发明涉及张拉整体结构设计技术领域，尤其涉及一类截角八面体张拉整体结构。
背景技术
“张拉整体”概念最早由美国著名建筑师富勒提出，是指“张拉”(tensile)和“整体”(integrity)的缩合。这类体系具有形态优美、轻质、受力合理、形态可控、形式新颖等特点，能够最大限度地利用材料和截面的特性，是当前也是今后空间结构的发展方向之一，是结构工程领域中新结构、新材料和新工艺等高新技术的集中体现。
在球形张拉整体的研究领域，往往希望寻求一种结构对称且内力均匀自平衡的体系。当前已见3根压杆、4根压杆、6根压杆、12根压杆、14根压杆以及30根压杆的张拉整体结构。传统12根压杆张拉整体结构是基于小斜方截半立方体得到的张拉整体结构，该结构由12根压杆和60根拉索构成。目前为止，尚未出现过外表面为正方形平面和正六边形平面采用拉索相连的球形张拉整体结构。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一类截角八面体张拉整体结构，通过预先设定构件的拉压属性，并在构件中引入预应力，结构形成一个自平衡的球形张拉整体体系，同时满足“超级稳定”的特性，解决了目前球形张拉整体结构中尚未出现过外表面为正方形平面和正六边形平面采用拉索相连的球形张拉整体结构的问题。
本发明实施例提供了一类截角八面体张拉整体结构，包括：
24个节点，分别位于所述截角八面体张拉整体结构中截角八面体的24个顶点上；
12根压杆；
48或60根拉索，和所述12根压杆相交于所述24个节点；
其中，在所述拉索的数量为48根时，其与所述12根压杆和所述24个节点共同连接而形成截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型；
在所述拉索的数量为60根时，其与所述12根压杆和所述24个节点共同连接而形成截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型；
所述截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型和所述截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型均为一个类球形多面体，所述类球形多面体由所述拉索连接而形成的正方形平面和正六边形平面预应力索网。
在一个或多个实施例中，在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型中，所述12根压杆能够分为四组，每组三根压杆相互平行。
在一个或多个实施例中，在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型中，所述12根压杆中任意两根压杆之间均互不平行。
在一个或多个实施例中，所述类球形多面体的外表面的平面均由所述拉索组成，所述类球形多面体的外表面包括6个正方形平面和8个正六边形平面，并且所述类球形多面体的正方形平面、正六边形平面均只有一种组成形式。
在一个或多个实施例中，在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型中，所述类球形多面体的正方形平面由四根拉索组成正方形的四个边，而所述类球形多面体的正六边形平面由三根互不相邻的拉索组成正六边形的三条边而另三边无拉索，并且互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形，所述类球形多面体的正方形平面与正六边形平面共用一根拉索，相邻两个正六边形平面之间无拉索。
在一个或多个实施例中，在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型中，所述类球形多面体的正方形平面由四根拉索组成正方形的四个边，而所述类球形多面体的正六边形平面由六根拉索组成正六边形的六条边，并且互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形，所述类球形多面体的正方形平面与正六边形平面共用一根拉索，相邻两个正六边形平面共用一根拉索。
在一个或多个实施例中，在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型中，拉索有两种内力值，压杆只有一种内力值，所述类球形多面体的所有六边形平面互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形的预拉力数值Fc1、所有正方形平面与正六边形平面共用拉索的预拉力数值Fc2以及压杆的预压力Fs之间的比值为Fc1：Fc2：Fs＝0.471:0.408:-1.000。
在一个或多个实施例中，在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型中，拉索有三种内力值，压杆只有一种内力值，所述类球形多面体的所有六边形平面互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形的预拉力数值Fc1、所有正方形平面与正六边形平面共用拉索的预拉力数值Fc2、所有相邻两个正六边形平面共用拉索的预拉力数值为Fc3以及压杆的预压力Fs之间的比值为Fc1：Fc2：Fc3：Fs＝0.192:0.667:1.000:-1.000。
在一个或多个实施例中，在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型中，拉索有两种长度值，压杆只有一种长度值，若截角八面体边长为L，所述类球形多面体的所有六边形平面互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形的拉索长度Lc1＝1.732L，所述类球形多面体的所有正方形平面与正六边形平面共用拉索的长度Lc2＝L，压杆长度Ls＝2.449L。
在一个或多个实施例中，在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型中，拉索有两种长度值，压杆只有一种长度值，若截角八面体边长为L，所述类球形多面体的所有六边形平面互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形的拉索长度Lc1＝1.732L，所有正方形平面与正六边形平面共用拉索的长度Lc2＝L，所有相邻两个正六边形平面共用拉索的长度Lc2＝L，压杆长度Ls＝3L。
本发明实施例中的一类截角八面体张拉整体结构为共有24个节点，分别位于截角八面体的24个顶点上，由内部压杆以及外部拉索构成。该类结构一共有Ⅰ、Ⅱ两种结构形式，其中截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型由十二根压杆和四十八根拉索构成，拉索有两种内力数值，压杆只有一种内力数值；截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型由十二根压杆和六十根拉索构成，拉索有三种内力数值，压杆只有一种内力数值。所有节点均为铰接节点，所有的拉索均存在预拉力，所有的压杆均存在预压力，拉索的预拉力和压杆的预压力相互平衡，同时满足“超级稳定”的特性，为球形张拉整体设计领域提供了一个全新的结构形式，并且有着更综合的性能，有益效果主要体现在以下几个方面：
(1)本发明中的一类截角八面体张拉整体结构为结构设计提供了新的结构形式。其中截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型相比于传统12杆张拉整体结构减少了12根拉索，并且压杆的分布更为分散，对于设计结构内部存放物件具有优势。
(2)相较于传统12杆张拉整体结构，正六边形平面相较于正三角形平面有着大的受力面积。并且，本发明中的截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型，具有四组，每组是三根相互平行的压杆特殊性质。每个六边形平面均存在三根相互平行，并与该平面相互垂直的压杆，这意味着该平面有着良好的承载能力，能够利用三角形的稳定性并充分发挥压杆的承载能力，这在传统球形张拉整体结构中尚未出现过。
(3)本发明中张拉整体结构外表面的所有正方面平面和正六边形平面均都是全等的，有利于结构的加工制作。
(4)本发明中的张拉整体结构各表面均存在多根拉索，能够为结构表面覆膜提供良好的支撑，有效保护内部结构。
(5)本发明中的一类截角八面体张拉整体结构对称美观，具有良好的造型能力。
(6)本发明中的一类截角八面体张拉整体结构解决了目前球形张拉整体结构中尚未出现过外表面为正方形平面和正六边形平面采用拉索相连的球形张拉整体结构的问题。
附图说明
附图用来提供对本发明进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
以下图中粗线表示压杆，细线表示拉索；
图1截角八面体立体视角图；
图2截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型立体视角图；
图3截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型顶部投影示意图；
图4截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型立体视角图；
图5截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型顶部投影示意图；
图6截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型四边形平面拉索投影图；
图7截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型六边形平面拉索投影图；
图8截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型四边形平面拉索投影图；
图9截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型六边形平面拉索投影图；
图10截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型部分平面展开图及内力分布示意图；
图11截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型部分平面展开图及内力分布示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
如图1-5所示，本发明实施例提供了一类截角八面体张拉整体结构，包括：24个节点、12根压杆和48或60根拉索。
24个节点(A-X)，分别位于截角八面体张拉整体结构中截角八面体的24个顶点上；
12根压杆；
48或60根拉索，和12根压杆相交于24个节点。
如图2、3所示，其中，在拉索的数量为48根(AB、AD、AH、AI、BC、BE、BK、CD、CF、CM、DG、DO、EI、EJ、EK、FK、FL、FM、GM、GN、GO、HI、HO、HP、IQ、JQ、JR、JU、KR、LR、LS、LV、MS、NS、NT、NW、OT、PQ、PT、PX、QX、RU、SV、TW、UV、UX、VW、WX)时，其与12根压杆(AO、BI、CK、DM、ER、FS、GT、HQ、JX、LU、NV、PW)和24个节点共同连接而形成截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型。
如图4、5所示，在拉索的数量为60根AB、AD、AE、AF、AJ、BC、BF、BG、BL、CD、CG、CH、CN、DE、DH、DP、EI、EJ、EP、FJ、FK、FL、GL、GM、GN、HN、HO、HP、IP、IQ、IT、IU、JK、JQ、KQ、KR、KV、LM、LR、MR、MS、MW、NO、NS、OS、OT、OX、PT、QU、QV、RV、RW、SW、SX、TU、TX、UV、UX、VW、WX)时，其与12根压杆(AV、BW、CX、DU、EN、FP、GJ、HL、IS、KT、MQ、OR)和24个节点共同连接而形成截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型。
截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型和截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型均为一个类球形多面体，类球形多面体由拉索连接而形成的正方形平面和正六边形平面预应力索网。
如图2、3所示，在一实施例中，在截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型中，12根压杆能够分为四组，每组三根压杆相互平行。
如图4、5所示，在一实施例中，在截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型中，12根压杆中任意两根压杆之间均互不平行。
如图6-9所示，在一实施例中，类球形多面体的外表面的平面均由拉索组成，类球形多面体的外表面包括6个正方形平面和8个正六边形平面，并且类球形多面体的正方形平面、正六边形平面均只有一种组成形式。
如图6、7所示，在一实施例中，在截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型中，类球形多面体的正方形平面由四根拉索组成正方形的四个边，而类球形多面体的正六边形平面由三根互不相邻的拉索组成正六边形的三条边而另三边无拉索，并且互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形，类球形多面体的正方形平面与正六边形平面共用一根拉索，相邻两个正六边形平面之间无拉索。
如图8、9所示，在一实施例中，在截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型中，类球形多面体的正方形平面由四根拉索组成正方形的四个边，而类球形多面体的正六边形平面由六根拉索组成正六边形的六条边，并且互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形，类球形多面体的正方形平面与正六边形平面共用一根拉索，相邻两个正六边形平面共用一根拉索。
如图10所示，在一实施例中，在截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型中，结构需要人为按照一定比例施加预应力方可成型，即给压杆施加预压力，拉索施加预拉力，其中，拉索有两种内力值，压杆只有一种内力值，类球形多面体的所有六边形平面互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形的预拉力数值Fc1、所有正方形平面与正六边形平面共用拉索的预拉力数值Fc2以及压杆的预压力Fs之间的比值为Fc1：Fc2：Fs＝0.471:0.408:-1.000。
如图11所示，在一实施例中，在截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型中，结构需要人为按照一定比例施加预应力方可成型，即给压杆施加预压力，拉索施加预拉力，其中，拉索有三种内力值，压杆只有一种内力值，类球形多面体的所有六边形平面互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形的预拉力数值Fc1、所有正方形平面与正六边形平面共用拉索的预拉力数值Fc2、所有相邻两个正六边形平面共用拉索的预拉力数值为Fc3以及压杆的预压力Fs之间的比值为Fc1：Fc2：Fc3：Fs＝0.192:0.667:1.000:-1.000。
如图6、7所示，在一实施例中，在截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型中，拉索有两种长度值，压杆只有一种长度值，若截角八面体边长为L，类球形多面体的所有六边形平面互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形的拉索长度Lc1＝1.732L，类球形多面体的所有正方形平面与正六边形平面共用拉索的长度Lc2＝L，压杆长度Ls＝2.449L。
如图8、9所示，在一实施例中，在截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型中，拉索有两种长度值，压杆只有一种长度值，若截角八面体边长为L，类球形多面体的所有六边形平面互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形的拉索长度Lc1＝1.732L，所有正方形平面与正六边形平面共用拉索的长度Lc2＝L，所有相邻两个正六边形平面共用拉索的长度Lc2＝L，压杆长度Ls＝3L。
在上述所有的实施例中，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：
Figure GDA0003697737940000071
Figure GDA0003697737940000072
其中，
Figure GDA0003697737940000073
分别为拉索和压杆的下料长度，Ec、Ac分别为拉索的弹性模量和截面积，Es、As分别为压杆的弹性模量和截面积。
结构的组装即：将下料长度加工好的构件，通过铰接节点的连接关系组装在一起，同时施加预应力，整个结构处于自应力平衡状态，最终将得到截角八面体张拉整体结构。
本发明实施例中的一类截角八面体张拉整体结构为共有24个节点，分别位于截角八面体的24个顶点上，由内部压杆以及外部拉索构成。该类结构一共有Ⅰ、Ⅱ两种结构形式，其中截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型由十二根压杆和四十八根拉索构成，拉索有两种内力数值，压杆只有一种内力数值；截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型由十二根压杆和六十根拉索构成，拉索有三种内力数值，压杆只有一种内力数值。所有节点均为铰接节点，所有的拉索均存在预拉力，所有的压杆均存在预压力，拉索的预拉力和压杆的预压力相互平衡，同时满足“超级稳定”的特性，为球形张拉整体设计领域提供了一个全新的结构形式，并且有着更综合的性能，有益效果主要体现在以下几个方面：
(1)本发明中的一类截角八面体张拉整体结构为结构设计提供了新的结构形式。其中截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型相比于传统12杆张拉整体结构减少了12根拉索，并且压杆的分布更为分散，对于设计结构内部存放物件具有优势。
(2)相较于传统12杆张拉整体结构，正六边形平面相较于正三角形平面有着大的受力面积。并且，本发明中的截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型，具有四组，每组是三根相互平行的压杆特殊性质。每个六边形平面均存在三根相互平行，并与该平面相互垂直的压杆，这意味着该平面有着良好的承载能力，能够利用三角形的稳定性并充分发挥压杆的承载能力，这在传统球形张拉整体结构中尚未出现过。
(3)本发明中张拉整体结构外表面的所有正方面平面和正六边形平面均都是全等的，有利于结构的加工制作。
(4)本发明中的张拉整体结构各表面均存在多根拉索，能够为结构表面覆膜提供良好的支撑，有效保护内部结构。
(5)本发明中的一类截角八面体张拉整体结构对称美观，具有良好的造型能力。
(6)本发明中的一类截角八面体张拉整体结构解决了目前球形张拉整体结构中尚未出现过外表面为正方形平面和正六边形平面采用拉索相连的球形张拉整体结构的问题。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。

Claims (7)

1.一类截角八面体张拉整体结构，其特征在于，包括：
24个节点，分别位于所述截角八面体张拉整体结构中截角八面体的24个顶点上；
12根压杆；
48或60根拉索，和所述12根压杆相交于所述24个节点；
其中，在所述拉索的数量为48根时，其与所述12根压杆和所述24个节点共同连接而形成截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型；
在所述拉索的数量为60根时，其与所述12根压杆和所述24个节点共同连接而形成截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型；
所述截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型和所述截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型均为一个类球形多面体，所述类球形多面体由所述拉索连接而形成的正方形平面和正六边形平面预应力索网；
所述类球形多面体的外表面的平面均由所述拉索组成，所述类球形多面体的外表面包括6个正方形平面和8个正六边形平面，并且所述类球形多面体的正方形平面、正六边形平面均只有一种组成形式；
在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型中，所述类球形多面体的正方形平面由四根拉索组成正方形的四个边，而所述类球形多面体的正六边形平面由三根互不相邻的拉索组成正六边形的三条边而另三边无拉索，并且互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形，所述类球形多面体的正方形平面与正六边形平面共用一根拉索，相邻两个正六边形平面之间无拉索；
在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型中，所述类球形多面体的正方形平面由四根拉索组成正方形的四个边，而所述类球形多面体的正六边形平面由六根拉索组成正六边形的六条边，并且互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形，所述类球形多面体的正方形平面与正六边形平面共用一根拉索，相邻两个正六边形平面共用一根拉索。
2.根据权利要求1所述的一类截角八面体张拉整体结构，其特征在于：在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型中，所述12根压杆能够分为四组，每组三根压杆相互平行。
3.根据权利要求1所述的一类截角八面体张拉整体结构，其特征在于：在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型中，所述12根压杆中任意两根压杆之间均互不平行。
4.根据权利要求1所述的一类截角八面体张拉整体结构，其特征在于：在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型中，拉索有两种内力值，压杆只有一种内力值，所述类球形多面体的所有六边形平面互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形的预拉力数值Fc1、所有正方形平面与正六边形平面共用拉索的预拉力数值Fc2以及压杆的预压力Fs之间的比值为Fc1：Fc2：Fs＝0.471:0.408:-1.000。
5.根据权利要求1所述的一类截角八面体张拉整体结构，其特征在于：在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型中，拉索有三种内力值，压杆只有一种内力值，所述类球形多面体的所有六边形平面互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形的预拉力数值Fc1、所有正方形平面与正六边形平面共用拉索的预拉力数值Fc2、所有相邻两个正六边形平面共用拉索的预拉力数值为Fc3以及压杆的预压力Fs之间的比值为Fc1：Fc2：Fc3：Fs＝0.192:0.667:1.000:-1.000。
6.根据权利要求1所述的一类截角八面体张拉整体结构，其特征在于：在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅰ型中，拉索有两种长度值，压杆只有一种长度值，若截角八面体边长为L，所述类球形多面体的所有六边形平面互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形的拉索长度Lc1＝1.732L，所述类球形多面体的所有正方形平面与正六边形平面共用拉索的长度Lc2＝L，压杆长度Ls＝2.449L。
7.根据权利要求1所述的一类截角八面体张拉整体结构，其特征在于：在所述截角八面体张拉整体结构—Ⅱ型中，拉索有两种长度值，压杆只有一种长度值，若截角八面体边长为L，所述类球形多面体的所有六边形平面互不相邻的三个角采用拉索相连形成正三角形的拉索长度Lc1＝1.732L，所有正方形平面与正六边形平面共用拉索的长度Lc2＝L，所有相邻两个正六边形平面共用拉索的长度Lc2＝L，压杆长度Ls＝3L。
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