阅读说明：本技术 一种螺旋形张拉整体结构 (Spiral stretch-draw overall structure ) 是由 许贤 高顺 罗尧治 于 2019-08-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种螺旋形张拉整体结构,该结构包括m个首尾相连的单体,每个单体具有三个底面层,两个单体连接处共用一个底面层,结构的中轴线通过每一底面层的中心,每个底面层均垂直于结构的中轴线；所述螺旋形张拉整体结构由节点、弧形杆、直杆、层索和斜拉索组成。每个底面层有n个节点,在底面上构成一个正n边形。结构的杆件之间首尾相连组成一个受压整体,在结构内部撑起一个柱形空间；结构的层索和斜拉索相互连接,在结构的外层形成一个连续的受拉域。由可重复的单体形成一个外形呈螺旋状的整体结构,结构造型美观、刚度良好、简单高效,是一种实用的张拉整体结构形式。(the invention discloses a spiral tensioning integral structure which comprises m monomers connected end to end, wherein each monomer is provided with three bottom surface layers, the joint of the two monomers shares one bottom surface layer, the central axis of the structure passes through the center of each bottom surface layer, and each bottom surface layer is vertical to the central axis of the structure; the spiral tensioning integral structure is composed of nodes, arc-shaped rods, straight rods, layer cables and stay cables. Each bottom surface layer is provided with n nodes, and a regular n-polygon is formed on the bottom surface. The structural rod pieces are connected end to form a pressed whole, and a cylindrical space is supported in the structure; the layer cables and the stay cables of the structure are connected with each other, and a continuous tension area is formed on the outer layer of the structure. The repeatable single body forms an integral structure with a spiral appearance, the structure is attractive in appearance, good in rigidity, simple and efficient, and the integral structure is a practical stretching integral structure.)

一种螺旋形张拉整体结构

技术领域

本发明涉及一种张拉整体结构，尤其涉及一种拥有弧形杆且杆件之间相互连接的张拉整体结构，属于预应力索杆结构技术领域。

背景技术

张拉整体结构是一些离散的受压结构包含于一组连续的受拉构件中形成的稳定自平衡结构。张拉整体结构具有通透性好、材料利用率高、造型优美等优点，受到了学术及工程界的广泛关注。

在过去几十年中，研究人员在张拉整体结构的设计、找形和优化等方面都取得了极大的进步。但在实际建筑工程领域，却极少看见张拉整体应用的身影。其主要的一个原因是，以往的张拉整体结构往往存在结构整体刚度较低的问题。而过往的研究表明，采用连续杆件作为一个受压构件的方式可提高结构的刚度和效率。目前尚无采用弧形杆件的螺旋形张拉整体结构。该结构体系可应用于步行桥、建筑连廊、建筑装置、雕塑等领域。

发明内容

本发明的目的是弥补张拉整体结构实际可用形式有限的不足，提供一种拥有弧形杆件且杆件之间相互连接的螺旋形张拉整体结构。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种螺旋形张拉整体结构，该结构包括m个首尾相连的单体，每个单体具有三个底面层，两个单体连接处共用一个底面层，结构的中轴线通过每一底面层的中心，且与底面层垂直，所有底面层沿中轴线等距排布；

所述螺旋形张拉整体结构由节点、弧形杆、直杆、层索和斜拉索组成；

每个底面层有n个节点，并构成一个正n边形，n为大于等于3的整数；沿着结构中轴线方向，后一个正n边形均较前一个正n边形顺时针转动π/n；

所述直杆沿结构中轴线按顺时针方向连接相邻两层之间的节点，单根直杆两端节点与各自所在正n边形中心点的连线在垂直于结构中轴线的投影面上的转角为3π/n；

所述弧形杆沿结构中轴线按逆时针方向，依次连接位于三个相邻底面层的三个节点，三个节点与各自所在正n边形中心点的连线在垂直于结构中轴线的投影面上的转角为π/n；所有弧形杆螺旋延伸并连接路径上所有节点；

从第一个底面层开始，每隔一层都用一根层索将位于同一层的n个节点串连成一个正n边形，每个单体拥有两根层索，两个相连的单体之间共用一根层索；所述斜拉索按顺时针方向，连接相邻两层相邻的两个节点；

所述螺旋形张拉整体结构由以下参数唯一确定：结构中轴线的曲线方程γ、单体数m、每个底面层的节点数n以及正n边形的外接圆半径R。

进一步地，该结构的节点总数量由结构单体数m和每个底面层的节点数n所确定，若结构为环状时共有2mn个节点，非环状时，共有(2m+1)n个节点。

进一步地，该结构共有3mn根杆件，其中弧形杆mn根，直杆2mn根；直杆首尾相连，采用铰接相连；在同一条螺旋线上的弧形杆，首尾相连，采用固结相连；弧形杆在直杆外侧，弧形杆与直杆相互交织，以螺旋形网状结构形式充满整个螺旋形张拉整体结构，构成一个受压整体；这种特殊的杆件连接形式，在结构中心支撑出一个柱形空间。

进一步地，所述螺旋形张拉整体结构为环状时，共有2mn+m根索，其中层索m根，斜拉索2mn根，非环状时，共有2mn+m+1根索，其中层索m+1根，斜拉索2mn根；层索与斜拉索构成一个连续的受拉域，位于整个结构的最外层，将弧形杆和直杆包裹在结构内部；一个由弧形杆与直杆构成的受压整体和位于结构外层的层索与斜拉索共同组成螺旋形张拉整体结构。

进一步地，所述螺旋形张拉整体结构的形式随结构中轴线的曲线方程γ而改变；沿着结构中轴线，可将整体结构解构为m个单体。

进一步地，当中轴线的曲线方程γ为直线或圆等特殊曲线时，结构可解构成m个可重复单体。

本发明的有益效果：所述螺旋形张拉整体结构中的受压构件不再局限于一般的离散直杆，而是采用弧形杆而且杆件之间相互连接，由弧形杆和直杆共同构成一个完整的受压整体。弧形杆的引入为张拉整体结构的表现形式提供了更多的可能性，而相互连接的杆件为结构提供了相较于一般采用离散杆件的张拉整体结构更好的刚度。本发明为张拉整体结构在实际工程中的实现，提供了一种新的可行性。

附图说明

图1直线型示意图；

图2直线型前视图；

图3直线型左视图；

图4可重复单体在结构中的示意图；

图5节点示意图；

图6弧形杆示意图；

图7直杆示意图；

图8层索示意图；

图9斜拉索示意图；

图10圆环型示意图；

图11任意曲线型示意图。

具体实施方式

如图1-11所示，本发明的螺旋形张拉整体结构具体实施方式如下：

本发明所述的螺旋形张拉整体结构由m个单体首尾相连组成，如图4。结构非环状时，由(2m+1)n个节点、mn根弧形杆、2mn根直杆、m+1根层索和2mn根斜拉索组成，结构共有2m+1个底面层，每个底面层有n个节点，并构成一个正n边形，n为大于等于3的任意整数。结构的中轴线通过每一底面层上正n边形的中心，每个底面层均垂直于结构的中轴线。所述螺旋形张拉整体结构的节点总数量由结构单体数目m和每层底面所选的正多边形边数n所确定。

如图5所示，节点以底面层上的正n边形为一个单位，沿着结构中轴线等距排布。沿着结构中轴线方向，后一个正n边形均较前一个正n边形顺时针转动π/n。每个单体占有三层节点，两个单体连接处共用一层节点。

如图7所示，所述直杆沿结构中轴线按顺时针方向连接相邻两层之间的节点，单根杆件两端节点与各自所在正n边形中心点连线在投影面上的转角为3π/n；如图6所示，所述弧形杆沿结构中轴线按逆时针方向，依次连接位于三个相邻底面层的三个节点，三个节点与各自所在正n边形中心点的连线在垂直于结构中轴线投影面上的转角为π/n，弧形杆螺旋延伸并连接路径上所有节点。直杆首尾相连，节点采用铰接形式。在同一条螺旋线上的弧形杆，首尾相连，节点采用固结形式。弧形杆与直杆相互交织，以螺旋形网状结构形式充满整个结构，构成一个受压整体。这种特殊的杆件连接形式，在结构中心支撑出一个柱形空间。

如图8所示，从第一个底面层开始，每隔一层都用一根层索将位于同一层的n个节点串连成一个正n边形，每个单体拥有两根层索，两个相连的单体之间共用一根层索。如图9所示，斜拉索按顺时针方向，连接相邻两层相邻的两个节点。层索与斜拉索构成一个连续的受拉域，位于整个结构的最外层，将弧形杆和直杆包裹在结构内部。一个由弧形杆与直杆构成的受压整体和位于结构外层的层索与斜拉索共同组成了一个抗弯刚度良好的螺旋形张拉整体结构。

整个螺旋形张拉整体结构由以下参数唯一确定：结构中轴线的曲线方程γ、单体数m、每层底面的节点数n以及正n边形底面的外接圆半径R。所述螺旋形张拉整体结构的形式可随结构中轴线的曲线方程γ而改变，如图1-3所示的直线型、图10所示的圆环型和图11所示的任意曲线型等。当螺旋形张拉整体结构的形式为环状时，其每个结构存在2mn个节点，mn根弧形杆，2mn根直杆，m根层索，2mn根斜拉索。沿着螺旋形张拉整体结构中轴线，可将整体结构解构为m个单体。特别地，当螺旋形张拉整体结构中轴线的曲线方程γ为直线、圆等特殊曲线时，结构可解构成m个可重复单体。

螺旋形张拉整体结构可应用于连廊、景观桥和雕塑等场景。例如当中轴线的曲线方程为直线时，可用作建筑物之间的连廊。该结构极高的材料利用率和结构效率可以最大程度的减少连廊自重和材料消耗，而装配式的构成形式可以极大程度上减小现场施工难度。