三角锥金字塔型空间晶体网格结构

摘要

本发明公开了一种三角锥金字塔型空间晶体网格结构，包括基本阵列单元，基本阵列单元由四根等长的杆件构成，四根等长的杆件包括竖直杆和三根斜横杆，斜横杆包括第一斜横杆、第二斜横杆和第三斜横杆，第一斜横杆、第二斜横杆、第三斜横杆的里端节点均与竖直杆底端节点连接，整个基本阵列单元呈金刚石晶体碳原子结构状，所述基本阵列单元从上至下层状设置，所有的第一斜横杆平行，所有的第二斜横杆平行，所有的第三斜横杆平行，每个斜横杆的外端节点下侧均连接其下层中一个基本阵列单元的竖直杆的顶端节点，同层中外端指向同一位置的所有斜横杆的外端节点相连接，整个三角锥金字塔型空间晶体网格结构呈正三棱锥状。本发明是一种节点少、刚度大、受力合理的三角锥金字塔型空间晶体网格结构。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型空间网格结构，新型空间晶体网格结构，它是借鉴金刚石晶体合理的结构组成规律，而创造的一种新型的空间结构形式，它主要应用于建筑工程领域，具体可用于各种需要大跨度、大空间的钢结构建筑中。

背景技术

大跨空间结构在厂房、体育场馆、会展中心、剧院、车站和机场等各类公共建筑中得到了广泛的应用，尤其在国际性的博览会、奥运会、亚运会等活动中，各国都以新型的空间结构来展示本国的建筑科学技术水平，大跨度空间结构已成为一个国家建筑科学技术发展水平的重要标志之一。

迄今为止，国内外的学者在空间结构领域不断创新，提出各种新型的空间结构形式，根据组成的单元进行分类，这些结构共有39种类型，其中最新的两种是我国“水立方”游泳中心使用的多面体空间刚架结构和张弦气肋梁结构。

发明内容

本发明的目的是提供一种节点少、刚度大、受力合理的三角锥金字塔型空间晶体网格结构。

    为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：三角锥金字塔型空间晶体网格结构，包括基本阵列单元，基本阵列单元由四根等长的杆件构成，四根等长的杆件包括竖直杆和三根斜横杆，斜横杆包括第一斜横杆、第二斜横杆和第三斜横杆，第一斜横杆、第二斜横杆、第三斜横杆的里端节点均与竖直杆底端节点连接，整个基本阵列单元呈金刚石晶体碳原子结构状，所述基本阵列单元从上至下层状设置，所有的第一斜横杆平行，所有的第二斜横杆平行，所有的第三斜横杆平行，每个斜横杆的外端节点下侧均连接其下层中一个基本阵列单元的竖直杆的顶端节点，同层中外端指向同一位置的所有斜横杆的外端节点相连接，整个三角锥金字塔型空间晶体网格结构呈正三棱锥状。

    所有位于三角锥金字塔型空间晶体网格结构侧棱边的基本阵列单元的竖直杆顶端节点与第一斜横杆外端节点之间、竖直杆顶端节点与第二斜横杆外端节点之间以及竖直杆顶端节点与第三斜横杆外端节点之间均连接有脊杆。

    所有位于三角锥金字塔型空间晶体网格结构底边的第一斜横杆外端节点与第二斜横杆外端节点之间、第三斜横杆外端节点与第二斜横杆外端节点之间以及第一斜横杆外端节点与第三斜横杆外端节点之间均连接有底边杆。

所述全部节点之间的连接均为铰接。

所述全部节点之间的连接均通过螺栓球铰接。

本发明所述的三角锥金字塔型空间晶体网格结构，具有如下有益效果：

1.在一个基本阵列单元中，与同一节点——竖直杆的底端节点相连接的杆件数目只有4根，杆件数目少。如在48m跨度的三角锥金字塔型空间晶体网格结构中，节点数为1279，单元数只需2234个，单元数与节点数的比值约为1.75。若建立同样几何外形和尺度的正放四角锥网壳结构（目前工程中最常用的结构形式），节点数同为1279个，单元数则需要4872个，单元数与节点数的比值约为3.81，大大高于本发明所述的三角锥金字塔型空间晶体网格结构。

2.从静力分析结果可以看出，结构截面配置较均匀，整体刚度较大，受力合理，结构经济技术指标好。

3.节点采用铰接连接，节点的制作和施工简单。

4.三角锥金字塔型空间晶体网格结构的基本阵列单元中，除脊杆和底边杆外，竖直杆、第一斜横杆、第二斜横杆和第三斜横杆长度均相同，杆件长度整齐划一，便于生产和运输。

5.建筑效果通透美观。

本发明所述的三角锥金字塔型空间晶体网格结构，是一种新型空间网格结构，或称为空间晶体网格结构，其理论依据如下：金刚石是摩氏硬度中唯一达到10级的矿物，是自然界中最硬的物质。在金刚石晶体内部，每一个碳原子都与周围4个碳原子紧密结合，交错整齐地排列，组成一种致密的三维结构，从而形成牢固的结晶体，如图1所示。正是这种致密的结构，使得金刚石具有最大的硬度。金刚石具有最大的硬度表明金刚石晶体所包含的这种三维致密结构是天然存在的一种十分合理有效的结构形式。本发明是借鉴金刚石晶体结构的空间组成规律，分别采用节点和杆件代替金刚石晶体结构中的碳原子和原子键，并进行合适的空间扩展，构造出一种性能优秀的新型空间结构形式。

附图说明

图1是基本阵列单元的结构示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是本发明以48m跨度为例时的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

由图1和图2所示的三角锥金字塔型空间晶体网格结构，包括基本阵列单元7，基本阵列单元7由四根等长的杆件构成，四根等长的杆件包括竖直杆2和三根斜横杆，斜横杆包括第一斜横杆3、第二斜横杆5和第三斜横杆8，每根杆件的端点即构成该杆件的节点，第一斜横杆3、第二斜横杆5、第三斜横杆8的里端节点均与竖直杆底端节点9连接，整个基本阵列单元7呈金刚石晶体碳原子结构状，每个基本阵列单元7中的竖直杆顶端节点1、第一斜横杆外端节点4、第二斜横杆外端节点10和第三斜横杆外端节点6分别位于一正三棱锥的四个顶点，并且竖直杆2、第一斜横杆3、第二斜横杆5和第三斜横杆8中任意两杆件间的夹角为109°28′。节点之间的连接均通过螺栓球100铰接。

所述三角锥金字塔型空间晶体网格结构由基本阵列单元7从上至下层状设置而成，所有的第一斜横杆3平行，所有的第二斜横杆5平行，所有的第三斜横杆8平行，每个斜横杆的外端节点下侧均连接其下层中一个基本阵列单元7的竖直杆顶端节点1，同层中外端指向同一位置的所有斜横杆的外端节点相连接，整个三角锥金字塔型空间晶体网格结构呈正三棱锥状，也即呈金字塔型。

所有位于三角锥金字塔型空间晶体网格结构侧棱边上的基本阵列单元7的竖直杆顶端节点1与第一斜横杆外端节点4之间、竖直杆顶端节点1与第二斜横杆5外端节点之间以及竖直杆顶端节点1与第三斜横杆外端节点6之间均连接有脊杆101，所有连接在竖直杆顶端节点1与第一斜横杆外端节点4之间的脊杆101共线并构成整个三角锥金字塔型空间晶体网格结构的第一条侧棱边，所有连接在竖直杆顶端节点1与第二斜横杆5外端节点之间的脊杆101共线并构成整个三角锥金字塔型空间晶体网格结构的第二条侧棱边，所有连接在竖直杆顶端节点1与第三斜横杆外端节点6之间的脊杆101共线并构成整个三角锥金字塔型空间晶体网格结构的第三条侧棱边。

所有位于三角锥金字塔型空间晶体网格结构底边的第一斜横杆外端节点4与第二斜横杆5外端节点之间、第三斜横杆外端节点6与第二斜横杆5外端节点之间以及第一斜横杆外端节点4与第三斜横杆外端节点6之间均连接有底边杆102，所有第一斜横杆外端节点4与第二斜横杆5外端节点之间的底边杆102共线并构成整个三角锥金字塔型空间晶体网格结构的第一条底边，所有第二斜横杆5外端节点与第三斜横杆外端节点6之间的底边杆102共线并构成整个三角锥金字塔型空间晶体网格结构的第二条底边，所有第一斜横杆外端节点4与第三斜横杆外端节点6之间的底边杆102共线并构成整个三角锥金字塔型空间晶体网格结构的第三条底边。所述全部节点之间的连接均为铰接，并且全部节点之间的连接均通过螺栓球100铰接。

实施例2：

由图3所示的本实施例的三角锥金字塔型空间晶体网格结构，是在实施例1的基础上，并以结构为一48m跨度的三角锥金字塔型屋盖，现采用本发明所提出的三角锥金字塔型空间晶体网格结构,首先对结构进行设计，采用空间网格结构设计软件MSTCAD进行建模，其过程如下：在球坐标系下以空间一点为中心，仿照金刚石晶体中碳原子的扩展方式生成相邻的空间四个节点，中心节点与四个节点之间产生单元，构成一个基本阵列单元7，这也是金刚石的一个基本晶体单元，之后再以生成的新节点为中心，以同样的方法生成相邻的节点和单元，依次向外展开，相当于金刚石晶体单元不断扩展，选取适当的厚度，将内部的节点和单元删除，最终可得到如图2所示的一种外形为三角锥金字塔型空间晶体网格结构的三角锥金字塔型空间晶体网格结构。网格尺寸为3m×3m，网架高度为1.8371m，杆件共计2234根，其中脊线处杆件有48根，长度为3m，其余杆件长度均为1.8371m。与地接触的上下弦共84个节点采用三向铰支座。根据结构所处的环境，仅考虑均布静荷载0.8 kN/ m²，均布活荷载0.5kN/ m²及计算机自动形成的结构自重。起控制作用的工况组合为：1.2静+1.4活。构件材料选用Q345钢材，弹性模量2.06×10¹¹Pa，密度7.85×10³kg/m³,设计控制应力为310Mpa。

采用满应力设计法进行截面设计和计算。为了便于了解这种新型网架结构的性能，与目前工程中最常用的正放四角锥和本发明的三角锥金字塔型空间晶体网格结构进行了对比，其余两种结构所采用的材料、荷载情况、网格大小、支座约束等条件基本相同，结果如表1所示：

 

表1

由表1可见，本发明的三角锥金字塔型空间晶体网格结构，仅是正方四角锥网架杆件数的45.85%，是三角锥网架杆件数的41.29%。杆件用钢量按照展开面积计算只有19.56 kg/m²，明显小于正放四角锥网架和三角锥网架，考虑到加工、运输和安装等费用，这种新型网架结构的总费用将比正放四角锥网架和三角锥网架有较大降低。三角锥网架为平面网架结构。

根据设计的结果由钢结构公司加工生产杆件及节点。现场施工时可以采用高空散装法，搭设满堂脚手架，将各个杆件依次安装到位。也可以在地面将每一片拼装成功，用吊车和千斤顶等提升设备将各分片提升到位，再将各分片组装在一起。待主体结构建设完成后，在表面铺设檩条及玻璃、膜等屋面材料，完成整个结构的建造。当然，本发明不拘泥于上述形式，所述全部节点之间的连接也可均为刚性连接，同样能实现发明目的。