CN204282532U - 一种预应力空间网格结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种预应力空间网格结构，包括正方体连接构件，受压杆和预应力绳索。上述正方体形状构件采取正方体刚架的形式，八个顶点处设有定位孔与预应力钢索连接。相邻两个构件连接时，通过构件内预应力钢索确定连接面的形心，使用受压杆连接两个连接面的形心。最后通过与压杆平行的四根构件间预应力绳索施加预应力。通过上述过程重复延伸，可以形成平面或空间上的网格结构。本实用新型除了正方形结点部分，受压杆、预应力绳索都属于铰接体系，压杆单纯受压便于计算，预应力施加方便，容易形成大跨度，且稳定性较强。结构采用结点和受压杆、预应力绳索拼装的形式，便于控制尺寸。

Description

一种预应力空间网格结构

技术领域

本发明涉及一种张拉结构，特别是一种预应力空间网格结构。

背景技术

张拉结构是一组不连续的受压构件与一套连续的受拉单元组成的自支承、自应力的空间网格体系，由Snelson和Fullar在上世纪60年代提出。张拉整体结构固有的符合自然规律的特点，最大限度地利用了材料和截面的特性，具有外形美观且非连续，质量轻盈且材料效率高的优点。在结构上，张拉在运动学上的不确定性导致了它是一个动态平衡体系，具有整体结构自身内力平衡，刚度随预应力变化，自由度较大等特征。

现有的张拉结构主要是杆索结构。对传统张拉结构的研究主要关注结构的单元布局、力学特性与预应力的分析，包括几何学、拓扑和图形分析、力学分析及试验研究，代表性的例子包括Snelson的T棱柱模型、四面体模型和宝石模型。

由于张拉结构属于动不定结构，受力分析与计算较复杂，早期的张拉结构工程运用一直较少。上世纪80年代开始，科学家开始探索包含张拉原理的大跨度空间结构，比较成功的利用张拉原理形成的大跨度结构有索穹顶和张弦梁。美国工程师Geiger提出了支承于周边受压环梁上的一种索杆预应力张拉整体穹顶体系，即索穹顶，成为单纯包含杆索的张拉结构在大跨结构中最成功的运用。但是它依赖外部预应力，无法实现自平衡，并且结构复杂。日本大学的齐藤(Saitoh)教授提出了用撑杆连接抗弯构件而形成的自平衡体系，即张弦梁体系。这种体系利用了梁的抗弯性能施加预应力，本质上不是一种传统的张拉结构，而是作为类似梁的构件来使用，因此在两端也需要支撑。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种构件简单，控制方便，结构稳定且可以自身平衡，预应力控制简单的预应力空间网格结构。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种预应力空间网格结构，包括至少两个正方体连接构件、受压杆和预应力绳索，其特征在于所述的正方体连接构件的顶点处设有定位孔，所述的正方体连接构件的任意一面为连接面，所述连接面的两个对角线上设有构件内预应力绳索，所述的两条对角线相较于O点，另一个正方体连接构件连接面的两条对角线相交于O’点，所述的O点与O’点之间设有与两个连接面相互垂直的受压杆，所述的受压杆两端与构件内预应力绳索铰接，所述的正方体连接构件连接面的四个顶点与另一个正方体连接构件连接面的相应的四个顶点之间设有构件间预应力绳索，所述的构件间预应力绳索用于施加预应力，所述的构件间预应力绳索与两个连接面相互垂直，所述的构件内预应力绳索与构件间预应力绳索通过定位孔固定。

所述的正方体连接构件的边长为2a，所述的受压杆的长度为10a-16a之间，所述的受压杆的长度与直径的比小于1/15。

所述的构件内预应力绳索的长度为所述的构件间预应力绳索的长度与受压杆相等。

所述的构件间预应力绳索截面面积为A₁，则构件间预应力绳索刚度为EA₁，受压杆截面面积为A，则受压杆刚度为EA，所述的构件间预应力绳索总长度为10a，收紧的距离为b，则构件间预应力绳索预应力为：受压杆轴力为构件间预应力绳索轴力的四倍即受压杆变形为O点和O’点的轴向位移为构件内预应力绳索变形为 $\sqrt{{2a}^2+\frac{1}{4}{(b-\frac{2b{A}_1}{5\mathrm{aA}})}^2}-\sqrt{2a},$ 此时构件内预应力绳索内力为 $\left(\sqrt{\frac{{2a}^2+\frac{1}{4}{(b-\frac{2b{A}_1}{5\mathrm{aA}})}^2}{{2a}^2}-1}\right){\mathrm{EA}}_1.$

采用上述技术方案后，本发明具有以下有益效果：本发明结构简洁、受力合理和质量较轻，满足大跨度建筑的要求，扩大了张拉结构在大跨度空间结构领域的运用；预应力控制方便，可以完全通过调节两个构件间的四根预应力绳索来完成，结构稳定且不易失稳。结构的跨度延伸可以通过增加构件和压杆，绳索的数目来完成。构件制作方便，压杆受力简单，预应力绳索技术成熟。可以作为大跨度空间结构来使用。

附图说明

图1为本发明的正方体连接构件的结构示意图。

图2为本发明的相邻两个正方体连接构件的连接示意图。

图3为本发明一种预应力空间网格结构的示意图。

图4为本发明预应力绳索的结构示意图。

图5为本发明连接接头的结构示意图。

具体实施方式

下面根据具体实施例和说明书附图对本发明作进一步的解释。

如图1所示，一种预应力空间网格结构，包括至少两个正方体连接构件、受压杆和预应力绳索，其特征在于所述的正方体连接构件的顶点处设有定位孔，所述的正方体连接构件的任意一面为连接面，所述连接面的两个对角线上设有构件内预应力绳索，所述的正方体连接构件的边长为2a，正方体八个顶点的坐标为A(a,-a,a),B(a,a,a),C(-a,a,a),D(-a,-a,a),E(a,-a,-a),F(a,a,-a),G(-a,a,-a)和H(-a,-a,-a)，所述的两条对角线相较于O点，当面ABFE与杆相连时，先用预应力绳索连接AF，BE，AF与BE相交与O点并组成一个体系。O点用于与受压杆相连。另一个正方体连接构件连接面的两条对角线相交于O’点，所述的O点与O’点之间设有与两个连接面相互垂直的受压杆，所述的受压杆两端与构件内预应力绳索铰接，所述的正方体连接构件连接面的四个顶点与另一个正方体连接构件连接面的相应的四个顶点之间设有构件间预应力绳索，所述的构件间预应力绳索用于施加预应力，所述的构件间预应力绳索与两个连接面相互垂直，所述的构件内预应力绳索与构件间预应力绳索通过定位孔固定。

如图2所示，所述的相连两个正方体形状构件ABCDEFGH和A’B’C’D’E’F’G’H’连接时，第一步选取相对的两个面ABEF和C’D’H’G’作为连接面。第二步连接套内预应力绳索AF，B’E’和DG，C’H’，确定与压杆相连的O点与O’点。第三步在OO’之间安装受压杆，两端铰接，允许受压杆绕O点与O’点转动。第四步同时用预应力绳索连接AD’,BC’,EF’，HG’。最后当收紧此四根预应力绳索时，结构刚度形成，两个构件之间的连接完成。此时由于张力O点与O’点位置则略向正方体构件内部移动。四根构件间预应力绳索长度小于受压杆长度。所述的受压杆的长度为10a-16a之间，所述的受压杆的长度与直径的比小于1/15。

所述的构件内预应力绳索的长度为所述的构件间预应力绳索的长度与受压杆相等。

所述的构件间预应力绳索截面面积为A₁，则构件间预应力绳索刚度为EA₁，受压杆截面面积为A，则受压杆刚度为EA，所述的构件间预应力绳索总长度为10a，收紧的距离为b，则构件间预应力绳索预应力为：受压杆轴力为构件间预应力绳索轴力的四倍即受压杆变形为O点和O’点的轴向位移为构件内预应力绳索变形为 $\sqrt{{2a}^2+\frac{1}{4}{(b-\frac{2b{A}_1}{5\mathrm{aA}})}^2}-\sqrt{2a},$ 此时构件内预应力绳索内力为 $\left(\sqrt{\frac{{2a}^2+\frac{1}{4}{(b-\frac{2b{A}_1}{5\mathrm{aA}})}^2}{{2a}^2}-1}\right){\mathrm{EA}}_1.$

如图3所示，在相互垂直的两个方向上以构件和受压杆(预应力绳索)的方式不断延伸，形成平面大跨的空间结构。

预应力空间网格结构中任意两个构件均以上述方式连接，最后形成整体结构，在平面结构中，所有构件间预应力绳索上的预应力相等，即等比例施加。

如图4所示，预应力绳索两端连接弯钩，用于连接定位孔。

如图5所示，连接接头包括端头构件1、夹持构件2，夹持构件2内夹持有钢索3。

Claims (3)

1.一种预应力空间网格结构，包括至少两个正方体连接构件、受压杆和预应力绳索，其特征在于所述的正方体连接构件的顶点处设有定位孔，所述的正方体连接构件的任意一面为连接面，所述连接面的两个对角线上设有构件内预应力绳索，所述的两条对角线相交于O点，另一个正方体连接构件连接面的两条对角线相交于O’点，所述的O点与O’点之间设有与两个连接面相互垂直的受压杆，所述的受压杆两端与构件内预应力绳索铰接，所述的正方体连接构件连接面的四个顶点与另一个正方体连接构件连接面的相应的四个顶点之间设有构件间预应力绳索，所述的构件间预应力绳索用于施加预应力，所述的构件间预应力绳索与两个连接面相互垂直，所述的构件内预应力绳索与构件间预应力绳索通过定位孔固定。

2.根据权利要求1所述的一种预应力空间网格结构，其特征在于所述的正方体连接构件的边长为2a，所述的受压杆的长度为10a-16a之间，所述的受压杆的长度与直径的比小于1/15。

3.根据权利要求1所述的一种预应力空间网格结构，其特征在于所述的构件内预应力绳索的长度为所述的构件间预应力绳索的长度与受压杆相等。