[发明专利]一种基于截角四面体几何的张拉整体结构单元

说明书

本发明公开了一种基于截角四面体几何的张拉整体结构单元，由12个铰接节点，12根内部压杆和18根外围拉索组合而成。12个铰接节点分别位于截角四面体几何的12个顶点上，12根压杆两端分别连接截角四面体三角形表面的一节点与和三角形表面平行的六边形表面内距该点距离最远的一个节点，18根拉索两端分别连接截角四面体的各个顶点，组成截角四面体的外围轮廓。所有节点均为铰接节点，每个节点处均连接两根压杆和三根拉索。所有拉索存在预拉力，所有压杆存在预压力，且该结构单元为稳定的自平衡索杆体系，具有很好的结构刚度，在组建大型、复杂预应力索杆结构体系中具有很好的应用前景。

技术领域

本发明是一种应用于建筑结构设计和现代空间结构设计的方法，特别是涉及一种基于截角四面体几何的张拉整体结构单元。

背景技术

张拉整体结构是一种由受压的杆和受拉的索组成的预应力自平衡体系，结构刚度由受拉单元和受压单元之间的平衡预应力提供，在施加预应力之前，结构几乎没有刚度，但是由于自应力的存在，在特定的几何状态下，结构获得刚度成为可承受荷载的结构，这是它区别于传统结构的本质特点。正是由于这一本质特点，使得张拉整体结构的内力和形态高度相关，表现出很强的几何非线性和形态可调性。张拉整体结构可以通过改变构件的内力来调节或控制结构的形态，这使得张拉整体结构特别适合于作为自适应结构和可展结构，前者通过主动改变构件的内力使结构形态满足一定的功能要求，后者通过施加或完全释放预应力使其成为具有一定形态和刚度的结构或退化为无刚度的紧凑状态。张拉整体结构具有质量轻、跨度大、造型美观、充分利用材料等优点，在工程中应用前景广泛。但与传统结构设计方法不同，大型、复杂的张拉整体结构的设计较为复杂，一般需依据现有的张拉整体结构单元，拓展、衍生，并根据一定的规律从而组建出大型的结构体系。

虽然目前已经出现了一些基于截角四面体几何的张拉整体结构单元，但是由于结构的几何构型和初始预应力的不同，不同结构的刚度也各不相同，在实际工程中的应用也存在很大的区别。所以，开发设计基于截角四面体几何的张拉整体结构具有重要的意义。

发明内容

技术问题：本发明提供一种可拓展、衍生，具有良好结构刚度，并能高效应用于预应力索杆结构体系中的基于截角四面体几何的张拉整体结构单元。

技术方案：本发明的基于截角四面体几何的张拉整体结构单元，包括12个铰接节点，12根压杆构件和18根拉索，所述的十二个铰接节点n1、n2、n3、n4、n5、n6、n7、n8、n9、n10、n11和n12分别位于一个截角四面体几何的12个顶点处，所述截角四面体几何中，各截角三角形平面与其对应的六边形底面平行，其中铰接节点n1、n2、n3位于同一个截角三角形平面上，并与节点n4、n5、n11、n12、n9、n7构成的六边形底面平行，铰接节点n4、n5、n6位于同一个截角三角形平面上，并与节点n1、n2、n8、n9、n12、n10构成的六边形底面平行，铰接节点n7、n8、n9位于同一个截角三角形平面上，并与节点n1、n3、n6、n5、n11、n10构成的六边形底面平行，铰接节点n10、n11和n12位于同一个截角三角形平面上，并与节点n2、n3、n6、n4、n7、n8构成的六边形底面平行，每个铰接节点处均连接两根压杆构件和三根拉索。

12根压杆构件位于截角四面体几何的内部，每根压杆构件的一端与一个截角三角形平面的节点连接，另一端与该截角三角形平面所平行的六边形底面上的一个节点连接，其中后一节点需是六边形底面上六个节点中距离前一节点最远的一个，具体包括连接节点n1和节点n4的压杆，连接节点n1和节点n7的压杆，连接节点n2和节点n5的压杆，连接节点n2和节点n11的压杆，连接节点n3和节点n9的压杆，连接节点n3和节点n12的压杆，连接节点n4和节点n10的压杆，连接节点n5和节点n8的压杆，连接节点n6和节点n9的压杆，连接节点n6和节点n12的压杆，连接节点n7和节点n10的压杆，连接节点n8和节点n11的压杆。