一种基于六边形几何的可折叠索杆结构单元

摘要

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。

说明书

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：

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， 而本发明所述的索杆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，传统的二维预应力索杆结构体系中压杆构件 并不相连，结构刚度较低，抵抗变形能力差，且在非工作状态下难以调整为折叠状态， 而本发明中两根二类压杆通过枢轴节点相互连接并形成剪式铰，既可保证结构在工作 状态下具有较好的结构刚度和受力性能，又可保证结构在非工作状态下能连续、大范 围地展开或折叠为紧凑的捆状，在运动过程中还具有良好的可靠性。

本发明的结构单元完全不同于已有的六边形几何的预应力索杆(三根独立的压杆 位于内部，外圈连续的六根拉索)，所提出的结构单元不但常规状态下可稳定承受荷 载，在某(些)索预先松弛的状态下，还具有很好的折叠性能。

附图说明

图1为二维六边形几何的六个顶点及中心点示意图。

图2为本发明的基于六边形的几何的可折叠索杆结构单元的构形示意图。

图3a和图3b分别为本发明的基于六边形的几何的可折叠索杆结构单元的两种折 叠状态。

图2和图3中，细实线均表示拉索构件，粗实线均表示压杆构件。所有图中A、 B、C、D、E、F分别表示位于六边形六个顶点处的6个铰接节点，节点G表示位于 六边形中心点处的枢轴节点，压杆101、102、103、104均属于一类压杆，压杆105 和106属于二类压杆。拉索201和202属于一类拉索，拉索203属于二类拉索。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。

1.构件连接关系与分类。

如图1和图2所示，本发明的可折叠索杆结构单元共包括6个铰接节点、1个枢 轴节点、3根拉索以及6根压杆构件。6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。图2中粗线表示压杆，共6根压杆，四根一类压杆对称布置于六边形的两个相 对顶点两侧，同时与六边形两侧的四条边重合，两根二类压杆的两端分别与六边形另 两组相对顶点处节点相连，并位于六边形的内部。四根一类压杆分别为连接节点A和 B的一类压杆101，连接节点B和C的一类压杆102，连接节点D和E的一类压杆 103，连接节点E和F的一类压杆104；两根二类压杆分别为连接节点A和D的二类 压杆105，连接节点C和F的二类压杆106，且所述的两根二类压杆105和106通过 枢轴节点G形成剪式铰单元；A、B、C、D、E和F处的每个节点所连接的两根压杆 构件之间在该节点处铰接。图2中细线表示拉索，共3根拉索，均位于六边形的内部， 包括连接节点A和C的一类拉索201，连接节点D和F的一类拉索202，以及连接节 点B和E的二类拉索203。

2.构件的几何长度。

如图1和图2所示，用l表示六边形的边长，四根一类压杆均具有相同的几何长 度l，两根二类压杆均具有相同的几何长度2l，两根一类拉索均具有相同的几何长度， 均为二类拉索的几何长度为2l。

3.构件的预拉(压)应力。

为保证结构在无外荷载作用时处于自平衡状态，各类构件的预拉(压)力的大小 需满足以下关系：

F_b＝F_c

其中，F_b、F_c分别为压杆构件、拉索构件的内力大小。

4.构件的下料长度。

构件的下料长度是指构件加工完成时的长度，此时构件处于无应力状态。各类构 件的下料长度为：

$l_{b1}^0=(1+\frac{F_b}{E_b{A}_b})\times l$

$l_{b2}^0=(1+\frac{F_b}{E_b{A}_b})\times 2l$

$l_{c1}^0=(1-\frac{F_b}{E_c{A}_c})\times \sqrt{3}l$

$l_{c2}^0=(1-\frac{F_b}{E_c{A}_c})\times 2l$

其中，分别为一类压杆、二类压杆、一类拉索、二类拉索的下 料长度。E_b、A_b分别为压杆构件的弹性模量和截面面积，E_c、A_c分别为拉索构件的 弹性模量和截面面积。

5.结构的组装。

将按下料长度加工好的压杆和拉索构件，通过六个铰接节点和中心点处的一个枢 轴节点，按照前述连接关系组装在一起，最终得到的结构即为基于六边形几何的可折 叠索杆结构单元，且工作状态下，所有拉索构件受拉，所有压杆构件受压，整个结构 处于稳定的自平衡状态。

6.结构的可折叠性。

由于两根二类压杆通过枢轴节点连接形成剪式铰，便于结构的折叠和展开。在非 工作态下，可改变本发明中拉索的长度来实现该索杆结构的可折叠性能。当一类拉索 201和一类拉索202维持松弛状态、且二类拉索203的长度由2l逐渐伸长至4l时， 所述的索杆结构单元折叠为紧凑的水平一字状，其中压杆101和压杆102、压杆103 和压杆104、压杆105和压杆106均相互紧密贴合，如图3a所示。另外，当二类拉索 203维持松弛状态、且一类拉索201和拉索202的长度由逐渐伸长至2l时，所述 的索杆结构单元能够折叠成紧凑的竖向一字状，其中压杆101和压杆105、压杆102 和压杆106、压杆103和压杆105、压杆104和压杆106均相互紧密贴合，如图3b所 示。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对 本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。