[发明专利]一种基于六边形几何的可折叠索杆结构单元

说明书

本发明公开了一种基于六边形几何的可折叠索杆结构单元，共由6个铰接节点和1个枢轴节点，3根拉索以及6根压杆构件组成。6个铰接节点分别位于二维六边形几何的6个顶点上，枢轴节点位于六边形几何的中心点上，四根一类压杆分别对称布置于六边形两侧，并与六边形的四条边重合；另外2根二类压杆位于六边形内部，通过枢轴节点形成剪式铰，3根拉索均位于六边形内部，两两连接6个铰接节点。当所有拉索预张拉时，压杆内均存在预压力，且该结构单元为自平衡索杆体系；当放松一类拉索或三类拉索时，该结构单元可折叠为紧凑的捆状，在折叠/可展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，特别是涉及一种可折叠的索杆结构单元。

背景技术

预应力索杆结构体系是一种新型的由压杆和拉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自平衡预应力提供，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，这是索杆结构体系区别于传统结构的本质特点。正是由于这一本质特点，使得预应力索杆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。预应力索杆结构可以通过改变构件的内力来调节或控制结构的形态，这使得预应力索杆结构特别适合于作为自适应结构和折叠/可展开结构，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。预应力索杆结构具有质量轻、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。

虽然目前已经出现了一些基于正六边形几何的预应力索杆结构，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，开发设计基于六边形几何的可折叠索杆结构单元具有重要的意义。

发明内容

技术问题：本发明提供一种可拓展、衍生，能高效应用于可折叠结构体系中的基于六边形几何的索杆结构单元。

技术方案：本发明的基于六边形几何的可折叠索杆结构单元，包括6个铰接节点、1个枢轴节点、3根拉索以及6根压杆构件，所述六个铰接节点A、B、C、D、E和F分别位于一个二维六边形几何按逆时针排序的6个顶点处，枢轴节点位于六边形几何的中心点G上；所述压杆构件包括四根布置于六边形两侧四条边的一类压杆和两根位于六边形内部的二类压杆，所述四根一类压杆分别为连接节点A和B的一类压杆，连接节点B和C的一类压杆，连接节点D和E的一类压杆，连接节点E和F的一类压杆；所述两根二类压杆分别为连接节点A和D的二类压杆，连接节点C和F的二类压杆，且所述的两根二类压杆和通过枢轴节点G形成剪式铰单元；每个铰接节点所连接的两根压杆构件之间在该节点处铰接；所述3根拉索为连接节点A和C的一类拉索，连接节点D和F的一类拉索，连接节点B和E的二类拉索。

进一步的，本发明基于六边形几何的可折叠索杆结构单元中，四根一类压杆长度相同，均为l；所述的两根二类压杆长度相同，均为2l；所述的两根一类拉索长度相同，均为所述二类拉索的长度为2l。

进一步的，本发明基于六边形几何的可折叠索杆结构单元中，在工作态下，所述的索杆结构单元维持稳定的自平衡状态，六根压杆构件的预压力相同，均为F_b，所述三根拉索的预拉力相同，均为F_c，且满足F_b＝F_c。

进一步的，本发明基于六边形几何的可折叠索杆结构单元中，在非工作态下，改变拉索长度实现结构的可折叠性能：当两根一类拉索维持松弛状态，二类拉索(203)的长度由2l逐渐伸长至4l，六根压杆构件相互紧密贴合，使所述的索杆结构单元折叠为紧凑的水平一字状；当二类拉索(203)维持松弛状态，两根一类拉索的长度由逐渐伸长至2l时，六根压杆构件相互紧密贴合，使所述的索杆结构单元折叠为紧凑的竖向一字状。

有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：