CN102605861B - 可展索杆穹顶结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可展索杆穹顶结构，包括内部索杆体系以及外部的单自由度环形连杆机构，所述的单自由度环形连杆机构是该单自由度环形连杆机构包括至少4个剪式单元、被动索以及主动索。本发明利用单自由度环形连杆机构驱动穹顶结构的展开折叠，减小了驱动装置的数量；在外部环形连杆机构中设置主动索和被动索，使其在完全展开状态时存在预应力，提高了结构的刚度，减小了材料用量，并且在完全展开状态只需要固定主动索，不需要额外的锁定装置；穹顶结构的覆盖范围主要由内部索杆体系提供，所以结构的外荷载也主要由内部索杆体系承担，内部索杆体系由高强度拉索和压杆组成，其自重轻，而且其刚度主要由预应力提供，受力性能十分优越。
Description
技术领域
本发明涉及一种穹顶结构,尤其是一种可展索杆穹顶结构。
背景技术
可展结构是近半个多世纪来发展起来的一种新型结构，在宇航、建筑结构和军事工程等领域起着重要作用。可展结构的主要特征是具有两种稳定的构形：完全折叠状态和完全展开工作状态。在折叠状态时，结构收拢在某一特定形状，在外界驱动力的作用下，结构逐步展开，达到完全展开的工作状态，然后锁定为稳定状态。
索杆结构体系由高强度索和压杆组成，其质量较小，收纳率较大，且索杆连接的节点相对简单。体系的基本特点是其一部分刚度由预应力提供，可以节省大量的材料；另外由于其应力态恒定，它也是一种结构效率很高的体系。而现阶段大量研究并有所应用的可展索杆结构是索杆式伸展臂结构，它的主要受力构件为桁架单元，加上连接于节点上的被动索和沿着桁架单元上选定路线穿过众多滑轮的主动索。另外，也有学者提出了多种可展索杆结构，但其运用结构的跨度较小，而且其刚度较弱。
发明内容
为了克服现有可展穹顶结构技术的缺陷,本发明提供了一种可展索杆穹顶结构。
为了达到上述目的,本发明采用了如下技术方案:
一种可展索杆穹顶结构，包括索杆体系，该索杆体系包括中心竖向压杆、脊索、环索、径向索，还包括单自由度环形连杆机构，该单自由度环形连杆机构包括至少4个剪式单元、被动索以及主动索，该剪式单元，由两根长度相等的杆件通过一个柱铰相连，且柱铰位于杆件的中部，形成中间销接节点，每根杆件仅能绕垂直与两根杆件所在平面的轴线作相对转动，剪式单元通过其杆件上节点和杆件下节点首尾相连，形成一个环形的连杆机构，被动索穿过所有剪式单元的中间柱铰节点，并形成一个环形，主动索连接剪式单元的上节点和下节点；最外圈径向索与环形连杆机构中剪式单元的中间销接节点铰接，脊索的一端与中心竖向压杆的上端相连，脊索的另一端与环形连杆机构中剪式单元的中间销接节点铰接。
所述可展索杆穹顶结构，还包括撑杆，所述脊索为向下弧形辐射状，由多段拉索相连构成，撑杆的上端与脊索的转折点铰接，撑杆的下端与径向索的一端和环索铰接。
所述可展索杆穹顶结构，脊索的数量不少于4且不大于800。
所述可展索杆穹顶结构，所述的脊索、环索、径向索为预应力拉索为预应力拉索。
所述可展索杆穹顶结构，所述的中心竖向压杆和撑杆为金属杆棒或者金属管。
所述可展索杆穹顶结构，其特征在于：所述单自由度环形连杆机构中剪式单元的杆件为金属管。
本发明的有益效果是，由于本发明利用单自由度环形连杆机构驱动穹顶结构的展开折叠，减小了驱动装置的数量；在外部环形连杆机构中设置主动索和被动索，使其在完全展开状态时存在预应力，提高了结构的刚度，减小了材料用量，并且在完全展开状态只需要固定主动索，不需要额外的锁定装置；穹顶结构的覆盖范围主要由内部索杆体系提供，所以结构的外荷载也主要由内部索杆体系承担，内部索杆体系由高强度拉索和压杆组成，其自重轻，而且其刚度主要由预应力提供，受力性能十分优越；另外，本结构的构件数量远小于一般的网格结构，因此给人一种简洁明快的效果，克服了常用折叠结构感观上杆件繁多凌乱的缺点；而且其设计和施工简单，特别适合于具有大跨度要求的穹顶结构。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明进一步详细说明：
图1是本发明可展索杆穹顶结构示意图；
图2是单自由度环形连杆机构示意图；
图3是剪式单元示意图；
图4是内部索杆体系示意图；
图5是单自由度环形连杆机构运动过程示意图。
图中：1，杆件上节点；2，杆件下节点；3，中间销接节点；4，被动索；5，主动索；6中心竖向压杆；7，脊索；8，环索；9，撑杆；10，径向索。
具体实施方式
一种可展索杆穹顶结构，如图1所示，包括：内部索杆体系以及外部的单自由度环形连杆机构，如图2所示，所述的单自由度环形连杆机构是由n个剪式单元（4≤n≤800）和拉索组成，n个剪式单元通过其杆件上节点1和杆件下节点2首尾相连，形成一个环形的连杆机构，被动索4穿过所有剪式单元的中间销接节点3，并形成一个环形，主动索5连接剪式单元的杆件上节点1和杆件下节点2。所述的剪式单元，如图3所示，由两根长度相等的杆件通过一个柱铰相连，且柱铰位于杆件的中部，每根杆件仅能绕垂直与两根杆件所在平面的轴线作相对转动，而其它自由度完全受到了限制。
所述的内部索杆体系，如图4所示，由中心竖向压杆6、脊索7、环索8、撑杆9、径向索10组成，中心竖向压杆6的上端与n条脊索7的一端相连，脊索7的另一端与环形连杆机构中剪式单元的中间销接节点3铰接，脊索7是向下弧形辐射状，由多段拉索相连构成，撑杆9的上端与脊索7的转折点铰接，撑杆9的下端与径向索10的一端和环索8铰接，径向索的一端与中心竖向压杆6的下端铰接，径向索的另一端与脊索7的转折点铰接，最外圈径向索与环形连杆机构中剪式单元的中间销接节点3铰接，环索8沿环向闭合布置。
所述的中心竖向压杆6标高最高，撑杆9顶部标高环向相同，径向由内向外递减，所述的脊索7、环索8、径向索10为预应力拉索，所述的中心竖向压杆6和撑杆9可以是金属杆棒或者金属管，所述的环形连杆机构中剪式单元的杆件为金属管。
外部单自由度环形连杆机构展开机理为：在折叠状态时，主动索5和被动索4都是松弛的。而主动索5的长度是可以变化的，随着主动索5长度的缩短，体系在逐步展开；在展开过程中，主动索5是拉紧的，而被动索4还是松弛的。当展开到指定位置时，被动索4被张紧，机构变为结构。继续张拉被动索4，结构在完全展开状态时有预应力，因而提高了整个结构的刚度，图5所示为运动过程中的环形连杆机构。
可展索杆穹顶结构的展开机理为：由外部单自由度环形连杆机构的展开，带动铰接于剪式单元中间销接节点3上的脊索7和径向索10节点的向外径向运动，随着环形连杆机构的不断展开，内部索杆体系的覆盖范围不断扩大，直至环形连杆机构运动至指定位置，内部索杆体系中产生预应力，由机构刚化为结构，从而完成整个结构的展开。
Claims (5)
1.一种可展索杆穹顶结构，包括索杆体系，该索杆体系包括中心竖向压杆、脊索、环索、径向索，其特征在于：还包括单自由度环形连杆机构，该单自由度环形连杆机构包括至少4个剪式单元、被动索以及主动索，该剪式单元，由两根长度相等的杆件通过一个柱铰相连，且柱铰位于杆件的中部，形成中间销接节点，每根杆件仅能绕垂直与两根杆件所在平面的轴线作相对转动，剪式单元通过其杆件上节点和杆件下节点首尾相连，形成一个环形的连杆机构，被动索穿过所有剪式单元的中间柱铰节点，并形成一个环形，主动索连接剪式单元的上节点和下节点；最外圈径向索与环形连杆机构中剪式单元的中间销接节点铰接，脊索的一端与中心竖向压杆的上端相连，脊索的另一端与环形连杆机构中剪式单元的中间销接节点铰接；还包括撑杆，所述脊索为向下弧形辐射状，由多段拉索相连构成，撑杆的上端与脊索的转折点铰接，撑杆的下端与径向索的一端和环索铰接。
2.如权利要求1所述可展索杆穹顶结构，其特征在于：脊索的数量不少于4且不大于800。
3.如权利要求2所述可展索杆穹顶结构，其特征在于：所述的脊索、环索、径向索为预应力拉索。
4.如权利要求3所述可展索杆穹顶结构，其特征在于：所述的中心竖向压杆和撑杆为金属杆棒或者金属管。
5.如权利要求4所述可展索杆穹顶结构，其特征在于：所述单自由度环形连杆机构中剪式单元的杆件为金属管。
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