一类新型三十杆球形张拉整体结构
阅读说明：本技术 一类新型三十杆球形张拉整体结构 (Thirty-rod spherical tension integral structure ) 是由 许贤 黄少雄 王雅峰 罗尧治 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一类新型的表面由三角形和五边形交替拼接的三十杆球形张拉整体结构,目前尚无球体表面由三角形和五边形交替拼接形成的三十杆球形张拉整体结构。本发明中的三十杆球形张拉整体结构由内部压杆以及外部拉索构成,基本单元为相交于一个节点的一根压杆以及五根拉索,所有节点均为铰接节点,所有拉索均存在预拉力,所有压杆均存在预压力,拉索的预拉力和压杆的预压力相互平衡。根据压杆布置形式的不同,这类新型的三十杆球形张拉整体共有Ⅰ-Ⅳ四种基本结构形式,并且所有结构形式的稳定性均为“超级稳定”。(The invention discloses a novel thirty-rod spherical tensioning integral structure with the surface formed by alternately splicing triangles and pentagons, and at present, no thirty-rod spherical tensioning integral structure with the surface formed by alternately splicing triangles and pentagons exists. The thirty-rod spherical tensioning integral structure comprises an inner pressure rod and an outer inhaul cable, wherein basic units comprise one pressure rod and five inhaul cables which are intersected at a node, all the nodes are hinged nodes, all the inhaul cables have pretension, all the pressure rods have preload, and the pretension of the inhaul cables and the preload of the pressure rods are balanced. The novel thirty-rod spherical tensioning whole has four basic structural forms I-IV according to different compression rod arrangement forms, and the stability of all the structural forms is super-stable.)
技术领域
本发明涉及张拉整体结构设计
技术领域
，尤其涉及一类新型三十杆球形张拉整体结构。背景技术
张拉整体结构是一种由受压的压杆和受拉的拉索组成的预应力自平衡体系，该类结构的刚度由预应力提供，其节点位置与构件的连接关系必须满足预应力自平衡条件。张拉整体结构体系具有轻质、受力合理、形态可控、形式新颖等特点，是当前也是今后空间结构的发展方向之一，是结构工程领域中新结构、新材料和新工艺等高新技术的集中体现。
在球形张拉整体的研究领域，往往希望寻求一种结构对称且内力均匀自平衡的体系。当前已见3根压杆、4根压杆、6根压杆、14根压杆以及30根压杆的张拉整体结构，其中传统三十根压杆张拉整体结构是一种外表面呈现五边形与非平面六边形相连形成的球体。目前为止，尚未出现过外表面为五边形、等边三角形以及等腰三角形采用拉索相连的三十根压杆球形张拉整体结构。
发明内容
本发明的目的是提供一类新型的表面由三角形和五边形交替拼接的三十杆球形张拉整体结构，不同于传统的三十杆九十索的球形张拉整体结构，该类体系采用了新的压杆和拉索布置及连接方式。通过预先设定构件的拉压属性，并在构件中引入预应力，结构形成一个自平衡的球形张拉整体体系，同时满足“超级稳定”的特性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一类新型三十杆球形张拉整体结构，采用30根压杆和150根拉索相交于60个节点，连接形成一个类球体；基本单元为相交于1个节点的1根压杆以及5根拉索，所有节点均为铰接节点，所有拉索均存在预拉力，所有压杆均存在预压力，拉索的预拉力和压杆的预压力相互平衡；类球体表面由拉索连接形成的三角形和五边形交替拼接形成预应力索网。
进一步地，所有压杆之间、拉索与压杆之间以及拉索与拉索之间均不在构件上相交，仅在节点位置铰接。
进一步地，所述基本单元的构件长度、以及构件之间的夹角确定后，三十杆球形张拉整体结构就能够唯一确定。
进一步地，所述类球体表面的所述三角形包括等边三角形和等腰三角形两种基本形式，所述五边形为正五边形。
进一步地，所述正五边形每一条边与等腰三角形的一条腰共用一根拉索，所述等腰三角形的另一条腰与另一个等腰三角形的腰共用一根拉索；所述等腰三角形的底均与等边三角形共用同一根拉索，而等边三角形的三条边分别与三个等腰三角形的底共用一根拉索。
以下给出这类新型三十杆球形张拉整体的Ⅰ-Ⅳ四种基本结构形式，其外部拉索组成的预应力索网布置均相同，不同点在于内部压杆的布置、压杆长度及压杆、拉索的预应力组成。
(1)对于三十杆球形张拉整体结构—Ⅰ型，结构需要人为按照一定比例施加预应力方可成型，即给压杆施加预压力，拉索施加预拉力，其中拉索一共有三种预应力数值，压杆只有一种预应力数值，在该种结构中，压杆S1与拉索C1-C5的预应力数值比为S1：C1：C2：C3：C4：C5＝-1：0.652：0.652：0.392：0.392：0.450；拉索与压杆的边长比L五边形拉索：L等边三角形拉索：L等腰三角形腰长拉索：L等腰三角形底边长拉索：L压杆＝1.00：1.20：1.00：1.20：2.80，其中等腰三角形的底角为53°，顶角为74°；基本单元中压杆AB与5根拉索AC、AD、AE、AF、AG的夹角按照逆时针方向关系分别如下：∠CAB＝122°，∠DAB＝69°，∠EAB＝28°，∠FAB＝45°，∠GAB＝89°。
(2)对于三十杆球形张拉整体结构—Ⅱ型，结构需要人为按照一定比例施加预应力方可成型，即给压杆施加预压力，拉索施加预拉力，其中拉索一共有三种预应力数值，压杆只有一种预应力数值，在该种结构中，压杆S1与拉索C1-C5的预应力数值比为S1：C1：C2：C3：C4：C5＝-1：0.928：0.928：0.624：0.624：0.878；拉索与压杆的边长比L五边形拉索：L等边三角形拉索：L等腰三角形腰长拉索：L等腰三角形底边长拉索：L压杆＝1.00：1.20：1.00：1.20：4.24，其中等腰三角形的底角为53°，顶角为74°；基本单元中压杆AB与5根拉索AC、AD、AE、AF、AG的夹角按照逆时针方向关系分别如下：∠CAB＝90°，∠DAB＝63°，∠EAB＝53°，∠FAB＝68°，∠GAB＝90°。
(3)对于三十杆球形张拉整体结构—Ⅲ型，结构需要人为按照一定比例施加预应力方可成型，即给压杆施加预压力，拉索施加预拉力，其中拉索一共有三种预应力数值，压杆只有一种预应力数值，在该种结构中，压杆S1与拉索C1-C5的预应力数值比为S1：C1：C2：C3：C4：C5＝-1：1.056：1.056：0.664：0.664：0.276；拉索与压杆的边长比L五边形拉索：L等边三角形拉索：L等腰三角形腰长拉索：L等腰三角形底边长拉索：L压杆＝1.00：1.20：1.00：1.20：3.99，其中等腰三角形的底角为53°，顶角为74°；基本单元中压杆AB与5根拉索AC、AD、AE、AF、AG的夹角按照逆时针方向关系分别如下：∠CAB＝100°，∠DAB＝96°，∠EAB＝72°，∠FAB＝50°，∠GAB＝58°。
(4)对于三十杆球形张拉整体结构—Ⅳ型，结构需要人为按照一定比例施加预应力方可成型，即给压杆施加预压力，拉索施加预拉力，其中拉索一共有三种预应力数值，压杆只有一种预应力数值，在该种结构中，压杆S1与拉索C1-C5的预应力数值比为S1：C1：C2：C3：C4：C5＝-1：1.236：1.236：0.546：0.546：0.700；拉索与压杆的边长比L五边形拉索：L等边三角形拉索：L等腰三角形腰长拉索：L等腰三角形底边长拉索：L压杆＝1.00：1.20：1.00：1.20：4.49其中等腰三角形的底角为53°，顶角为74°；基本单元中压杆AB与5根拉索AC、AD、AE、AF、AG的夹角按照逆时针方向关系分别如下：∠CAB＝74°，∠DAB＝86°，∠EAB＝85°，∠FAB＝76°，∠GAB＝69°。
本发明的有益效果：为球形张拉整体设计领域提供了一类全新的结构形式，并且有着更高的性能，主要体现在以下几个方面。
首先，由于索的增加，结构具有更高的超静定次数，结构的故障冗余度得到了提升，减小了单个或者若干个索的故障或退出工作对结构的影响。根据力学的基本常识，在空间中要形成稳定的结构体系，每个节点一般情况下需要连接至少四根以上的构件。传统三十杆张拉整体结构每个节点仅连接一根压杆和三根拉索，这意味着只要有一根拉索退出工作，结构就会由于节点的不平衡而失效，但本发明中的三十杆球形张拉整体结构由于每个节点连接一根压杆和五根拉索，这意味着即便一个节点有两根拉索退出工作，结构仍旧可以通过内力调整形成新的预应力模式，并且继续工作。
其次，由于本发明中的结构较传统三十杆九十索张拉整体增加了60根索，所以结构在绝大多数情况下都具有较好的刚度。张拉整体在自重作用下不可避免地会出现一定程度的塌陷，这会影响结构的运动性能。以三十杆球形张拉整体—Ⅱ型并假定拉索刚度为2000N/m条件下为例，通过以下指标对比发现，本发明中的结构具有更好的刚度，在考虑自重情况下更接近球形。
其中，xi，yi，zi分别表示每个节点的x，y，z坐标；xc，yc，zc分别表示结构近似体心的x，y，z坐标；R表示结构的近似半径；α表示理论上与考虑自重作用下结构所有节点的坐标偏差和。
表1
最后，本发明中的新型三十杆球形张拉整体结构在表面覆膜能力上具有更好的性能。传统的三十杆九十索张拉整体结构表面的等边三角形单元只有三个顶点可作为薄膜的支点，等腰三角形单元也只有两条边和三个顶点作为支点，因此对覆膜的支撑条件较差，覆膜容易出现应力集中及破损的情况。但本发明中的三十杆球形张拉整体结构表面的每个三角形单元均能够以三条边作为支点对覆膜进行有效支撑，因此降低了覆膜应力集中及破损的可能性，极大地提升了结构的覆膜能力。
附图说明
以下图中粗线表示压杆，细线表示拉索。
图1三十杆球形张拉整体结构-Ⅰ型立体视角图；
图2三十杆球形张拉整体结构-Ⅰ型按相互重合两个五边形拉索投影示意图；
图3三十杆球形张拉整体结构-Ⅱ型立体视角图；
图4三十杆球形张拉整体结构-Ⅱ型按相互重合两个五边形拉索投影示意图；
图5三十杆球形张拉整体结构-Ⅲ型立体视角图；
图6三十杆球形张拉整体结构-Ⅲ型按相互重合两个五边形拉索投影示意图；
图7三十杆球形张拉整体结构-Ⅳ型立体视角图；
图8三十杆球形张拉整体结构-Ⅳ型按相互重合两个五边形拉索投影示意图；
图9三十杆球形张拉整体结构表面正五边形、等边三角形以及等腰三角形拉索的关系正面示意图，其中①为等腰三角形，②为等边三角形，③为正五边形；
图10三十杆球形张拉整体结构表面正五边形、等边三角形以及等腰三角形拉索的关系侧面示意图；
图11三十杆球形张拉整体结构的基本单元示意图，其中AB为压杆，AC、AD、AE、AF、AG为拉索；
图12三十杆球形张拉整体结构-Ⅰ型基本单元在整体结构中的示意图；
图13三十杆球形张拉整体结构-Ⅱ型基本单元在整体结构中的示意图；
图14三十杆球形张拉整体结构-Ⅲ型基本单元在整体结构中的示意图；
图15三十杆球形张拉整体结构-Ⅳ型基本单元在整体结构中的示意图；
图16三十杆球形张拉整体结构-Ⅰ型沿等边三角形拉索投影的压杆布置关系图；
图17三十杆球形张拉整体结构-Ⅰ型沿正五边形拉索投影的压杆布置关系图；
图18三十杆球形张拉整体结构-Ⅱ型沿等边三角形拉索投影的压杆布置关系图；
图19三十杆球形张拉整体结构-Ⅱ型沿正五边形拉索投影的压杆布置关系图；
图20三十杆球形张拉整体结构-Ⅲ型沿等边三角形拉索投影的压杆布置关系图；
图21三十杆球形张拉整体结构-Ⅲ型沿正五边形拉索投影的压杆布置关系图；
图22三十杆球形张拉整体结构-Ⅳ型沿等边三角形拉索投影的压杆布置关系图；
图23三十杆球形张拉整体结构-Ⅳ型沿正五边形拉索投影的压杆布置关系图；
图24本发明中三十杆球形张拉整体与传统三十杆九十索球形张拉整体等边三角形单元的支撑情况。左图为传统三十杆九十索球形张拉整体，右图为本发明中的三十杆球形张拉整体；阴影部分为覆膜面积，三角形顶点为节点支点，粗实线为拉索支撑边；
图25本发明中三十杆球形张拉整体与传统三十杆九十索球形张拉整体等腰三角形单元的支撑情况。左图为传统三十杆九十索球形张拉整体，右图为本发明中的三十杆球形张拉整体；阴影部分为覆膜面积，三角形顶点为节点支点，粗实线为拉索支撑边。
具体实施方式
为了更好的理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
如图1-图8所示，形成一个三十杆球形张拉整体结构，需要采用30根压杆和150根拉索，将拉索和压杆铰接固定于60个节点，连接形成一个类球体。类球体表面是等边三角形、等腰三角形与正五边形相互连接形成的预应力索网。
如图11-图15所示，所有的压杆之间、拉索与压杆之间以及拉索与拉索之间均不在构件上相交，仅在节点位置铰接相连。基本单元为交于一个节点的一根压杆AB以及5根拉索AC、AD、AE、AF、AG。当基本单元的构件长度、以及构件之间的夹角确定后，三十杆球形张拉整体结构就能够唯一确定。
预应力的施加及构件的连接。结构需要人为按照一定比例施加预应力方可成型，即给压杆施加预压力，给拉索施加预拉力，其中拉索一共有三种预应力数值，压杆只有一种预应力数值。(1)对于三十杆球形张拉整体结构—Ⅰ型，压杆与拉索的预应力数值比为S1：C1：C2：C3：C4：C5＝-1:0.652:0.652:0.392:0.392:0.450；(2)对于三十杆球形张拉整体结构—Ⅱ型，压杆与拉索的预应力数值比为S1：C1：C2：C3：C4：C5＝-1:0.928:0.928:0.624:0.624:0.878；(3)对于三十杆球形张拉整体结构—Ⅲ型，压杆与拉索的预应力数值比为S1：C1：C2：C3：C4：C5＝-1:1.056:1.056:0.664:0.664:0.276；(4)对于三十杆球形张拉整体结构—Ⅳ型，压杆与拉索的预应力数值比为S1：C1：C2：C3：C4：C5＝-1:1.236:1.236:0.546:0.546:0.700。
类球体表面的三角形一共有两种基本形式，五边形有一种基本形式，内部的压杆长度有一种基本形式。五边形为正五边形，三角形的两种基本形式分别为等边三角形和等腰三角形。
如图9、图10所示，类球体表面的正五边形每一条边与等腰三角形的一条腰共用一根拉索，等腰三角形的另一条腰与另一个等腰三角形的腰共用一根拉索，等腰三角形的底均与等边三角形共用同一根拉索，等边三角形的三条边分别与三个等腰三角形的底共用一根拉索。
(1)对于三十杆球形张拉整体—Ⅰ型，其边长比例为L五边形拉索：L等边三角形拉索：L等腰三角形腰长拉索：L等腰三角形底边长拉索：L压杆＝1.00：1.20：1.00：1.20：2.80；(2)对于三十杆球形张拉整体—Ⅱ型，其边长比例为L五边形拉索：L等边三角形拉索：L等腰三角形腰长拉索：L等腰三角形底边长拉索：L压杆＝1.00：1.20：1.00：1.20：4.24；(3)对于三十杆球形张拉整体—Ⅲ型，其边长比例为L五边形拉索：L等边三角形拉索：L等腰三角形腰长拉索：L等腰三角形底边长拉索：L压杆＝1.00：1.20：1.00：1.20：3.99；(4)对于三十杆球形张拉整体—Ⅳ型，其边长比例为L五边形拉索：L等边三角形拉索：L等腰三角形腰长拉索：L等腰三角形底边长拉索：L压杆＝1.00：1.20：1.00：1.20：4.49，；其中等腰三角形的底角为53°，顶角为74°。
基本单元中压杆AB以及5根拉索AC、AD、AE、AF、AG的夹角按照逆时针方向关系分别如下：(1)对于三十杆球形张拉整体—Ⅰ型为∠CAB＝122°，∠DAB＝69°，∠EAB＝28°，∠FAB＝45°，∠GAB＝89°；(2)对于三十杆球形张拉整体—Ⅱ型为∠CAB＝90°，∠DAB＝63°，∠EAB＝53°，∠FAB＝68°，∠GAB＝90°；(3)对于三十杆球形张拉整体—Ⅲ型为∠CAB＝100°，∠DAB＝96°，∠EAB＝72°，∠FAB＝50°，∠GAB＝58°；(4)对于三十杆球形张拉整体—Ⅳ型为∠CAB＝74°，∠DAB＝86°，∠EAB＝85°，∠FAB＝76°，∠GAB＝69°。
如图17-图23所示，为Ⅰ-Ⅳ四种基本结构中沿正五边形和沿等边三角形拉索投影的压杆布置关系图。
图24为三十杆球形张拉整体与传统三十杆九十索球形张拉整体等边三角形单元的支撑情况。图25为三十杆球形张拉整体与传统三十杆九十索球形张拉整体等腰三角形单元的支撑情况。本发明中的新型三十杆球形张拉整体结构在表面覆膜能力上具有更好的性能。
以上所述仅为本说明书一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制本说明书一个或多个实施例，凡在本说明书一个或多个实施例的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书一个或多个实施例保护的范围之内。
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