一种基于截角四面体几何的张拉整体结构单元的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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nl、n2、n3、n4、n5、n6、n7、n8、n9、 nlO、nil和nl2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nl、n2、n3位于同一个截角三 角形平面上，并与节点n4、n5、nll、nl2、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nl、n2、n8、n9、nl2、nlO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nl、n3、n6、nl2、nil、nlO构 成的六边形底面平行，铰接节点nlO、nil和nl2位于同一个截角三角形平面上，并与节点 n2、n3、n6、n9、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。
[0006] 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 nl和节点n4的压杆，连接节点nl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nil的压杆，连接节点n3和节点n9的压杆，连接节点n3和节点nl2的压杆， 连接节点n4和节点nlO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nl2的压杆，连接节点n7和节点nlO的压杆，连接节点n8和节点 nil的压杆。
[0007] 所述十八根拉索两端分别连接截角四面体几何的各个顶点，组成截角四面体几何 外围轮廓的18条棱边，分成两种类型的拉索，即连接同一截角三角形平面中顶点的12根一 类拉索，连接不同截角三角形平面的顶点的6根二类拉索，具体包括连接节点nl和节点n2 的一类拉索，连接节点nl和节点n3的一类拉索，连接节点n2和节点n3的一类拉索，连接 节点n4和节点n5的一类拉索，连接节点n4和节点n6的一类拉索，连接节点n5和节点nil 的一类拉索，连接节点n7和节点n8的一类拉索，连接节点n7和节点n9的一类拉索，连接 节点n8和节点n9的一类拉索，连接节点nlO和节点nil的一类拉索，连接节点nlO和节点 nl2的一类拉索，连接节点nil和节点nl2的一类拉索，还包括连接节点nl和节点nlO的二 类拉索，连接节点n2和节点n8的二类拉索，连接节点n3和节点n6的二类拉索，连接节点 n4和节点n7的二类拉索，连接节点n5和节点n6的二类拉索，连接节点n9和节点nl2的二 类拉索。
[0008] 进一步的，本发明基于截角四面体几何的张拉整体结构单元中，所述十二根压杆 构件的长度相同，均为召1，其中1为截角四面体几何上截角三角形平面的边长；所述十八 根拉索的长度相同，均为1。
[0009] 进一步的，本发明基于截角四面体几何的张拉整体结构单元，在工作态下，所述的 基于截角四面体几何的张拉整体结构单元维持稳定的自平衡状态，十二根压杆构件的预压 力相同，均为F b;所述的十二根一类拉索的预拉力相同，均为Fy所述的六根二类拉索的预 拉力相同，均为FdFb、Fcl、Fc2满足以下关系：
[0010] 有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0011] 传统二维桁架结构的各构件中，不存在预应力，材料利用效率低，整体重量较大， 而本发明所述的基于截角四面体几何的张拉整体结构单元内所有拉索存在预拉力，所有压 杆存在预压力，拉索的预拉力与压杆的预压力相互平衡，当外荷载作用时，结构通过主动调 整构件的内力从而抵抗外荷载的作用，且拉索始终处于受拉状态，压杆始终处于受压状态， 构形合理、结构更为轻盈，材料利用率更高。另外，现有的基于截角四面体几何的张拉整体 结构体系中，虽然所有拉索同样位于多面体的各条棱边上，但内部仅包含六根互不相连的 压杆构件，所构成的整体结构抵抗外荷载的能力较为不足，整体结构刚度较低，抵抗变形能 力较弱。而本发明的张拉整体结构单元完全不同于已有的基于截角四面体几何的张拉整体 结构，本发明中不但外侧的十八根拉索连续相连，多面体内侧布置有十二根受压构件，比现 有结构体系多了六根的同时，未影响原有结构的外观造型和对称性，内部压杆构件两两交 错、相连，构建了一个更为稳固可靠的截角四面体结构形式，确保结构在工作状态下具有很 好的结构刚度和受力性能，易于构建大型、非规则的预应力索杆结构。
【附图说明】
[0012] 图Ia为截角四面体几何及其十二个顶点的三维示意图，图Ib为截角四面体几何 及其十二个顶点的平面示意图。
[0013] 图2a为本发明的基于截角四面体几何的张拉整体结构构形的平面示意图，图2b 为本发明的基于截角四面体几何的张拉整体结构构形的三维示意图。
[0014] 图1中，细实线均表示拉索，粗实线均表示压杆构件。所有图中nl、n2、n3、n4、n5、 n6、n7、n8、n9、nlO、nlI、nl2表示位于一个截角四面体几何的十二个顶点位置的铰接节点， 压杆 101、102、103、104、105、106、107、108、109、110、111 和 112 均属于同一类压杆构件。拉 索 201、202、204、207、208、211、212、213、214、216、217、218 均属于第一类拉索，拉索 203、 205、206、209、210、215均属于第二类拉索。
【具体实施方式】
[0015] 下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。
[0016] 1.构件连接关系与分类。
[0017] 如图1和图2所示，本发明的基于六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nl、n2、n3、n4、n5、n6、n7、n8、n9、 nl0、nl 1和η12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，包含 四个截角三角形平面和四个六边形平面，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nl、η2、η3位于同一个截角三角形平面上，并与节点n4、n5、nil、η12、η9、η7 构成的六边形底面平行，铰接节点η4、η5、η6位于同一个截角三角形平面上，并与节点η?、 η2、η8、η9、η12、η10构成的六边形底面平行，铰接节点η7、η8、η9位于同一个截角三角形平 面上，并与节点nl、n3、n6、nl2、nll、nl0构成的六边形底面平行，铰接节点nl0、nll和η12 位于同一个截角三角形平面上，并与节点 η2、