CN202611065U

CN202611065U - 具有高阶曲线外形的可动桁架

Info

Publication number: CN202611065U
Application number: CN 201220084743
Authority: CN
Inventors: 蔡建国; 冯健
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2022-03-08

Abstract

本实用新型公开了一种具有高阶曲线外形的可动桁架，包括连杆机构和拉索，连杆机构由n个四连杆机构通过n-1节点相互连接而成，所述的四连杆机构由第一连杆、第二连杆、第三连杆及第四连杆相互转动连接组成，所述的第一连杆和第四连杆的长度相同，所述的第二连杆和第三连杆的长度相同，且第一连杆和第四连杆的长度大于第二连杆和第三连杆的长度。因为连杆机构中第一连杆和第二连杆长度不同，所以可动桁架中每个子连杆机构的节点在变形时成一圆弧，相应的几何外形为也为圆弧，而这些圆弧的曲率在桁架运动过程中也是变化的，所以可动桁架可以形成具有高阶曲线的几何外形。

Description

具有高阶曲线外形的可动桁架

技术领域

本实用新型涉及一种桁架结构,尤其是一种具有高阶曲线外形的桁架结构。

背景技术

大跨屋盖结构一般均采用曲面结构，而曲面结构是与建筑表现密切相关的“形状抵抗型”空间结构。曲面结构形态的选择，不仅影响建筑物的安全性和经济性，也直接影响建筑物的使用性、审美性等对建筑物的所有要求。目前能够选择的曲面结构形态局限于比较单纯的几何形状（圆筒形、扁平球体形、双曲抛物面形等等），满足不了日益发展的建筑表现要求。曲面结构形态的假定是人为的，它的合理性与多样性和设计人员的经验、所掌握的知识水平密切相关，而且选择的范围也非常狭窄。曲面结构形状的力学性质与加载状态、结构边界特性、支座条件等设计变量有着密切关系，以单纯的几何形状来实现预定的结构合理性是相当困难的。所以一般来说经验再丰富、理论水平再高也不能完全客观地保证结构形态的合理性，而且对比较复杂的建筑项目来讲寻找一个合理的结构形态是相当困难的。如果屋盖结构在使用过程中能够根据外部条件不断调整结构形态，不仅可以保证结构形态的合理性，而且可以提供多种建筑外观，以达到建筑的自适应和智能化。

发明内容

为了满足曲面结构的受力合理性以及多功能体育场馆举办不同活动时的灯光、空间、节能等的要求，十分有必要提出可以在多个几何状态之间变化的结构体系，并且其几何外形可以从柱面网壳变化为高阶曲面形状。

为了达到上述目的,本实用新型采用了如下技术方案:

一种具有高阶曲线外形的桁架结构，包括连杆机构和拉索，所述的连杆机构由n个四连杆机构通过n-1节点相互连接而成，n不小于3且不大于720，所述的四连杆机构由第一连杆、第二连杆、第三连杆及第四连杆相互转动连接组成，所述的四连杆机构的第三连杆及第四连杆和相邻四连杆机构的第一连杆和第二连杆共用一个节点，n个四连杆机构中第一个四连杆机构的第一连杆和第二连杆的节点与第一支座铰接点转动连接，最后一个四连杆机构的第三连杆和第四连杆的节点也与第二支座铰接点转动连接，所述的n-1个节点包括第一铰接点、第二铰接点以及n-3个销接节点，第一铰接点和第二铰接点间隔的布置在 n-3个销接节点之间，与每个销接节点连接的两个四连杆机构的第一四连杆机构的第三连杆和另一个四连杆机构的第一连杆形成一根杆件，与每个销接节点连接的两个四连杆机构的第一四连杆机构的第四连杆和另一个四连杆机构的第二连杆形成一根杆件；所述的连杆机构被第一铰接点、第二铰接点、第一支座铰接点以及第二支座铰接点分为三个子连杆机构，在每个子连杆机构中首尾均为铰接节点，在每个子连杆结构上设置第一拉索和第二拉索，所述第一拉索从该子连接结构首个节点开始，穿过第一个四连杆机构的第一连杆和第四连杆的连接节点，然后穿过第一个四连杆机构的第二连杆和第三连杆的连接节点，再穿过第二个四连杆机构的第一连杆和第四连杆的连接节点，随后再穿过第二个四连杆机构的第二连杆和第三连杆的连接节点，如此反复，直至连接到尾部的节点，所述的第二拉索连接子连杆机构首尾的两个节点；在第一铰接点或第二铰接点连接的相邻两个四连杆机构的第二连杆和第三连杆的连接节点之间设置一根伸缩杆，其特征在于：所述的第一连杆和第四连杆的长度相同，所述的第二连杆和第三连杆的长度相同，且第一连杆和第四连杆的长度大于第二连杆和第三连杆的长度。

本实用新型通过六根拉索和一根伸缩杆长度的变化来改变桁架结构的几何外形。

本实用新型具有高阶曲线外形的可动桁架结构，该桁架可以用作需要多个稳定几何构形屋盖体系的支撑结构，其不仅能满足建筑对屋盖形状变化的各项功能要求,还具有设计和施工方便等优点,能较好地满足各种跨度建筑对屋盖开合功能的要求。

本实用新型的有益效果是，本实用新型由压杆组成具有四个自由度的连杆机构，并利用六根拉索和一根伸缩杆驱动连杆机构，形成可动桁架结构；该发明可以从一个几何构形任意变化到另外多个几何构形，并且在这些几何构形处可以承受外荷载；因为连杆机构中第一连杆和第二连杆长度不同，所以可动桁架中每个子连杆机构的节点在变形时成一圆弧，相应的几何外形为也为圆弧，而这些圆弧的曲率在桁架运动过程中也是变化的，所以可动桁架可以形成具有高阶曲线的几何外形；由于本实用新型由高强度索和压杆组成，其质量较小，结构的部分刚度由预应力提供，所以可以节省大量的材料，减少自重；而且其构造合理、设计和施工简单，适合于各种跨度的建筑。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型进一步详细说明：

图1是本实用新型结构示意图。

图2是可动桁架变化后的几何构形（拉索和伸缩杆没有显示）。

图3是可动桁架设计示意图。

具体实施方式

下面参照说明书附图，对本实用新型的具体实施方式作出更为详细的说明：

如图1所示，一种具有高阶曲线外形的可动桁架，由连杆机构和拉索构成，连杆机构由多个四连杆机构5组成，四连杆机构5由第一连杆1、第二连杆2、第三连杆3及第四连杆4组成，且第一连杆1的一端与第二连杆2的一端转动连接，第二连杆2的另一端与第三连杆3的一端转动连接，第三连杆3的另一端与第四连杆4的一端转动连接，第四连杆4的一端与第一连杆1的另一端转动连接，所述的四连杆机构5的第一连杆1和第四连杆4的长度相等，而其第二连杆2和第三连杆3的长度也相等，且第一连杆1和第四连杆4的长度大于第二连杆2和第三连杆3的长度，所述的连杆机构由n个四连杆机构5通过n-1节点相互连接而成，n不小于3且不大于720，且四连杆机构的第三连杆3及第四连杆4和相邻四连杆机构的第一连杆1和第二连杆2共用一个节点，n个四连杆机构中第一个四连杆机构的第一连杆1和第二连杆2的节点与支座转动连接，最后一个四连杆机构的第三连杆3和第四连杆4的节点也与支座转动连接，且在这n-1个节点中，有n-3个节点连接的四连杆机构的第三连杆3和相邻四连杆机构5的第一连杆形成一根杆件，且四连杆机构的第四连杆4与相邻四连杆机构的第二连杆2形成一根杆件，从而使这n-3个节点变为两杆杆件的销接节点，而另外两个节点仍然为四根杆件相互铰接节点，分别称之为第一铰接点6和第二铰接点7，这样形成的连杆机构共有四个自由度，为了使机构转化为结构，本实用新型用六根拉索和一根伸缩杆作为驱动装置。

所述的连杆机构被第一铰接点6、第二铰接点7及两个支座铰接点分为三个子连杆机构，在每个子连杆机构中首尾均为铰接节点，且用一根拉索8将首尾铰接点相邻，所述的拉索，从首部铰接节点开始，穿过第一个四连杆机构的第一连杆1和第四连杆4的连接节点，然后穿过第一个四连杆机构的第二连杆2和第三连杆3的连接节点，再穿过第二个四连杆机构的第一连杆1和第四连杆4的连接节点，随后再穿过第二个四连杆机构的第二连杆2和第三连杆3的连接节点，如此反复，直至连接到尾部的铰接节点，另一根拉索9连接子连杆机构首尾的两个铰节点，在第一铰接点6连接的相邻两个四连杆机构的第二连杆2和第三连杆3的连接节点之间设置一根伸缩杆10，从而通过六根拉索和一根伸缩杆长度的变化来改变桁架结构的几何外形，图2一个变化后的具有高阶曲线外形的桁架。

图1所示的支座铰节点和第一铰接点6、第二铰接点7中间连接的子连杆机构均由4个四连杆机构组成，这些子连杆机构中四连杆机构连接节点的连线为一圆弧，而且这些圆弧的曲率在桁架运动过程中是变化的，所以可动桁架可以形成具有高阶曲线的几何外形。

将可动桁架的几何设计分为两个方面：一个是正向设计；另一个是逆向设计。其中正向设计是指已知输入参数，求桁架的几何构形；逆向设计指已知其几何构形，求输入参数。

如图3所示，可以将可动桁架看成是一个七连杆机构，它有4个转动铰和3个滑动铰，也即为RPRPRPR机构。可以看出，AB的长度，s是固定的，体系拥有4个自由度，则其输入参数可以确定为AD、DE和BE的长度为s₁、s₂和s₃以及杆件AB和AD的夹角β。则其正向设计可以确定为已知s₁、s₂、s₃和β，求桁架的矢高、跨度等。由几何知识可知，如果D点、E点的坐标可知，体系的桁架的矢高、跨度等可以很方便地求得。D点、E点的坐标可以通过下式求得：

\{\begin{matrix} {(x_{D} - x_{A})}^{2} + {(y_{D} - y_{A})}^{2} = s_{1}^{2} \\ {(x_{D} - x_{E})}^{2} + {(y_{D} - y_{E})}^{2} = s_{2}^{2} \\ {(x_{E} - x_{B})}^{2} + {(y_{E} - y_{B})}^{2} = s_{3}^{2} \\ \frac{y_{D}}{x_{D}} = \tan β \end{matrix} - - - (1)

逆向设计也即已知体系的几何，求s₁、s₂、s₃和β。也即已知了D点、E点的坐标，同样可以利用式（1）求得s₁、s₂、s₃和β。

Claims

1.一种具有高阶曲线外形的可动桁架，包括连杆机构和拉索，所述的连杆机构由n个四连杆机构通过n-1节点相互连接而成，n不小于3且不大于720，所述的四连杆机构由第一连杆、第二连杆、第三连杆及第四连杆相互转动连接组成，所述的四连杆机构的第三连杆及第四连杆和相邻四连杆机构的第一连杆和第二连杆共用一个节点，n个四连杆机构中第一个四连杆机构的第一连杆和第二连杆的节点与第一支座铰接点转动连接，最后一个四连杆机构的第三连杆和第四连杆的节点也与第二支座铰接点转动连接，所述的n-1个节点包括第一铰接点、第二铰接点以及n-3个销接节点，第一铰接点和第二铰接点间隔的布置在n-3个销接节点之间，与每个销接节点连接的两个四连杆机构的第一四连杆机构的第三连杆和另一个四连杆机构的第一连杆形成一根杆件，与每个销接节点连接的两个四连杆机构的第一四连杆机构的第四连杆和另一个四连杆机构的第二连杆形成一根杆件；所述的连杆机构被第一铰接点、第二铰接点、第一支座铰接点以及第二支座铰接点分为三个子连杆机构，在每个子连杆机构中首尾均为铰接节点，在每个子连杆结构上设置第一拉索和第二拉索，所述第一拉索从该子连接结构首个节点开始，穿过第一个四连杆机构的第一连杆和第四连杆的连接节点，然后穿过第一个四连杆机构的第二连杆和第三连杆的连接节点，再穿过第二个四连杆机构的第一连杆和第四连杆的连接节点，随后再穿过第二个四连杆机构的第二连杆和第三连杆的连接节点，如此反复，直至连接到尾部的节点，所述的第二拉索连接子连杆机构首尾的两个节点；在第一铰接点或第二铰接点连接的相邻两个四连杆机构的第二连杆和第三连杆的连接节点之间设置一根伸缩杆，其特征在于：所述的第一连杆和第四连杆的长度相同，所述的第二连杆和第三连杆的长度相同，且第一连杆和第四连杆的长度大于第二连杆和第三连杆的长度。