專利名稱：具有高階曲線外形的可動(dòng)桁架的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種桁架結(jié)構(gòu)，尤其是一種具有高階曲線外形的桁架結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
大跨屋蓋結(jié)構(gòu)一般均采用曲面結(jié)構(gòu)，而曲面結(jié)構(gòu)是與建筑表現(xiàn)密切相關(guān)的“形狀抵抗型”空間結(jié)構(gòu)。曲面結(jié)構(gòu)形態(tài)的選擇，不僅影響建筑物的安全性和經(jīng)濟(jì)性，也直接影響建筑物的使用性、審美性等對(duì)建筑物的所有要求。目前能夠選擇的曲面結(jié)構(gòu)形態(tài)局限于比較單純的幾何形狀(圓筒形、扁平球體形、雙曲拋物面形等等)，滿足不了日益發(fā)展的建筑表現(xiàn)要求。曲面結(jié)構(gòu)形態(tài)的假定是人為的，它的合理性與多樣性和設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)、所掌握的知識(shí)水平密切相關(guān)，而且選擇的范圍也非常狹窄。曲面結(jié)構(gòu)形狀的力學(xué)性質(zhì)與加載狀態(tài)、結(jié)構(gòu)邊界特性、支座條件等設(shè)計(jì)變量有著密切關(guān)系，以單純的幾何形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的結(jié)構(gòu)合理性是相當(dāng)困難的。所以一般來(lái)說(shuō)經(jīng)驗(yàn)再豐富、理論水平再高也不能完全客觀地保證結(jié)構(gòu)形態(tài)的合理性，而且對(duì)比較復(fù)雜的建筑項(xiàng)目來(lái)講尋找一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)形態(tài)是相當(dāng)困難的。如果屋蓋結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中能夠根據(jù)外部條件不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)形態(tài)，不僅可以保證結(jié)構(gòu)形態(tài)的合理性，而且可以提供多種建筑外觀，以達(dá)到建筑的自適應(yīng)和智能化。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足曲面結(jié)構(gòu)的受力合理性以及多功能體育場(chǎng)館舉辦不同活動(dòng)時(shí)的燈光、空間、節(jié)能等的要求，十分有必要提出可以在多個(gè)幾何狀態(tài)之間變化的結(jié)構(gòu)體系，并且其幾何外形可以從柱面網(wǎng)殼變化為高階曲面形狀。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案一種具有高階曲線外形的桁架結(jié)構(gòu)，包括連桿機(jī)構(gòu)和拉索，所述的連桿機(jī)構(gòu)由η 個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)η-l節(jié)點(diǎn)相互連接而成，η不小于3且不大于720，所述的四連桿機(jī)構(gòu)由第一連桿、第二連桿、第三連桿及第四連桿相互轉(zhuǎn)動(dòng)連接組成，所述的四連桿機(jī)構(gòu)的第三連桿及第四連桿和相鄰四連桿機(jī)構(gòu)的第一連桿和第二連桿共用一個(gè)節(jié)點(diǎn)，η個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)中第一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第一連桿和第二連桿的節(jié)點(diǎn)與第一支座鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，最后一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第三連桿和第四連桿的節(jié)點(diǎn)也與第二支座鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述的η-l個(gè)節(jié)點(diǎn)包括第一鉸接點(diǎn)、第二鉸接點(diǎn)以及η-3個(gè)銷(xiāo)接節(jié)點(diǎn)，第一鉸接點(diǎn)和第二鉸接點(diǎn)間隔的布置在η-3個(gè)銷(xiāo)接節(jié)點(diǎn)之間，與每個(gè)銷(xiāo)接節(jié)點(diǎn)連接的兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第一四連桿機(jī)構(gòu)的第三連桿和另一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第一連桿形成一根桿件，與每個(gè)銷(xiāo)接節(jié)點(diǎn)連接的兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第一四連桿機(jī)構(gòu)的第四連桿和另一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第二連桿形成一根桿件；所述的連桿機(jī)構(gòu)被第一鉸接點(diǎn)、第二鉸接點(diǎn)、第一支座鉸接點(diǎn)以及第二支座鉸接點(diǎn)分為三個(gè)子連桿機(jī)構(gòu)，在每個(gè)子連桿機(jī)構(gòu)中首尾均為鉸接節(jié)點(diǎn)，在每個(gè)子連桿結(jié)構(gòu)上設(shè)置第一拉索和第二拉索，所述第一拉索從該子連接結(jié)構(gòu)首個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，穿過(guò)第一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第一連桿和第四連桿的連接節(jié)點(diǎn)，然后穿過(guò)第一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第二連桿和第三連桿的連接節(jié)點(diǎn)，再穿過(guò)第二個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第一連桿和第四連桿的連接節(jié)點(diǎn)，隨后再穿過(guò)第二個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第二連桿和第三連桿的連接節(jié)點(diǎn)，如此反復(fù)，直至連接到尾部的節(jié)點(diǎn)，所述的第二拉索連接子連桿機(jī)構(gòu)首尾的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)；在第一鉸接節(jié)點(diǎn)或第二鉸接點(diǎn)連接的相鄰兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第二連桿和第三連桿的連接節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置一根伸縮桿，其特征在于所述的第一連桿和第四連桿的長(zhǎng)度相同，所述的第二連桿和第三連桿的長(zhǎng)度相同，且第一連桿和第四連桿的長(zhǎng)度大于第二連桿和第三連桿的長(zhǎng)度。本發(fā)明通過(guò)六根拉索和一根伸縮桿長(zhǎng)度的變化來(lái)改變桁架結(jié)構(gòu)的幾何外形。本發(fā)明具有高階曲線外形的可動(dòng)桁架結(jié)構(gòu)，該桁架可以用作需要多個(gè)穩(wěn)定幾何構(gòu)形屋蓋體系的支撐結(jié)構(gòu)，其不僅能滿足建筑對(duì)屋蓋形狀變化的各項(xiàng)功能要求，還具有設(shè)計(jì)和施工方便等優(yōu)點(diǎn)，能較好地滿足各種跨度建筑對(duì)屋蓋開(kāi)合功能的要求。本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明由壓桿組成具有四個(gè)自由度的連桿機(jī)構(gòu)，并利用六根拉索和一根伸縮桿驅(qū)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，形成可動(dòng)桁架結(jié)構(gòu)；該發(fā)明可以從一個(gè)幾何構(gòu)形任意變化到另外多個(gè)幾何構(gòu)形，并且在這些幾何構(gòu)形處可以承受外荷載；因?yàn)檫B桿機(jī)構(gòu)中第一連桿和第二連桿長(zhǎng)度不同，所以可動(dòng)桁架中每個(gè)子連桿機(jī)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)在變形時(shí)成一圓弧，相應(yīng)的幾何外形為也為圓弧，而這些圓弧的曲率在桁架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也是變化的，所以可動(dòng)桁架可以形成具有高階曲線的幾何外形；由于本發(fā)明由高強(qiáng)度索和壓桿組成，其質(zhì)量較小，結(jié)構(gòu)的部分剛度由預(yù)應(yīng)力提供，所以可以節(jié)省大量的材料，減少自重；而且其構(gòu)造合理、設(shè)計(jì)和施工簡(jiǎn)單，適合于各種跨度的建筑。


下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明圖I是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是可動(dòng)桁架變化后的幾何構(gòu)形(拉索和伸縮桿沒(méi)有顯示)。圖3是可動(dòng)桁架設(shè)計(jì)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面參照說(shuō)明書(shū)附圖，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作出更為詳細(xì)的說(shuō)明如圖I所示，一種具有高階曲線外形的可動(dòng)桁架，由連桿機(jī)構(gòu)和拉索構(gòu)成，連桿機(jī)構(gòu)由多個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)5組成，四連桿機(jī)構(gòu)5由第一連桿I、第二連桿2、第三連桿3及第四連桿4組成，且第一連桿I的一端與第二連桿2的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，第二連桿2的另一端與第三連桿3的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接,第三連桿3的另一端與第四連桿4的一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接,第四連桿4的一端與第一連桿I的另一端轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述的四連桿機(jī)構(gòu)5的第一連桿I和第四連桿4的長(zhǎng)度相等，而其第二連桿2和第三連桿3的長(zhǎng)度也相等，且第一連桿I和第四連桿4的長(zhǎng)度大于第二連桿2和第三連桿3的長(zhǎng)度，所述的連桿機(jī)構(gòu)由η個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)5通過(guò)η-l節(jié)點(diǎn)相互連接而成，η不小于3且不大于720，且四連桿機(jī)構(gòu)的第三連桿3及第四連桿4和相鄰四連桿機(jī)構(gòu)的第一連桿I和第二連桿2共用一個(gè)節(jié)點(diǎn)，η個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)中第一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第一連桿I和第二連桿2的節(jié)點(diǎn)與支座轉(zhuǎn)動(dòng)連接，最后一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第三連桿3 和第四連桿4的節(jié)點(diǎn)也與支座轉(zhuǎn)動(dòng)連接，且在這η-l個(gè)節(jié)點(diǎn)中，有η-3個(gè)節(jié)點(diǎn)連接的四連桿機(jī)構(gòu)的第三連桿3和相鄰四連桿機(jī)構(gòu)4的第一連桿形成一根桿件，且四連桿機(jī)構(gòu)的第四連桿4與相鄰四連桿機(jī)構(gòu)的第二連桿2形成一根桿件，從而使這η-3個(gè)節(jié)點(diǎn)變?yōu)閮蓷U桿件的銷(xiāo)接節(jié)點(diǎn)，而另外兩個(gè)節(jié)點(diǎn)仍然為四根桿件相互鉸接節(jié)點(diǎn)，分別稱之為第一鉸接點(diǎn)6和第二鉸接點(diǎn)7，這樣形成的連桿機(jī)構(gòu)共有四個(gè)自由度，為了使機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)，本發(fā)明用六根拉索和一根伸縮桿作為驅(qū)動(dòng)裝置。所述的連桿機(jī)構(gòu)被第一鉸接點(diǎn)6、第二鉸接點(diǎn)7及兩個(gè)支座鉸接點(diǎn)分為三個(gè)子連桿機(jī)構(gòu)，在每個(gè)子連桿機(jī)構(gòu)中首尾均為鉸接節(jié)點(diǎn)，且用一根拉索8將首尾鉸接點(diǎn)相鄰，所述的拉索，從首部鉸接節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，穿過(guò)第一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第一連桿I和第四連桿4的連接節(jié)點(diǎn)，然后穿過(guò)第一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第二連桿2和第三連桿3的連接節(jié)點(diǎn)，再穿過(guò)第二個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第一連桿I和第四連桿4的連接節(jié)點(diǎn)，隨后再穿過(guò)第二個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第二連桿2 和第三連桿3的連接節(jié)點(diǎn)，如此反復(fù)，直至連接到尾部的鉸接節(jié)點(diǎn)，另一根拉索9連接子連桿機(jī)構(gòu)首尾的兩個(gè)鉸節(jié)點(diǎn)，在第一鉸接節(jié)點(diǎn)6連接的相鄰兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第二連桿2和第三連桿3的連接節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置一根伸縮桿10，從而通過(guò)六根拉索和一根伸縮桿長(zhǎng)度的變化來(lái)改變桁架結(jié)構(gòu)的幾何外形，圖2 —個(gè)變化后的具有高階曲線外形的桁架。圖I所示的支座鉸節(jié)點(diǎn)和第一鉸接點(diǎn)6、第二鉸接點(diǎn)7中間連接的子連桿機(jī)構(gòu)均由 4個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)組成，這些子連桿機(jī)構(gòu)中四連桿機(jī)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)的連線為一圓弧，而且這些圓弧的曲率在桁架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是變化的，所以可動(dòng)桁架可以形成具有高階曲線的幾何外形。將可動(dòng)桁架的幾何設(shè)計(jì)分為兩個(gè)方面一個(gè)是正向設(shè)計(jì)；另一個(gè)是逆向設(shè)計(jì)。其中正向設(shè)計(jì)是指已知輸入?yún)?shù)，求桁架的幾何構(gòu)形；逆向設(shè)計(jì)指已知其幾何構(gòu)形，求輸入?yún)?shù)。如圖3所示，可以將可動(dòng)桁架看成是一個(gè)七連桿機(jī)構(gòu)，它有4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)鉸和3個(gè)滑動(dòng)鉸，也即為RPRPRPR機(jī)構(gòu)?？梢钥闯?，AB的長(zhǎng)度，S是固定的，體系擁有4個(gè)自由度，則其輸入?yún)?shù)可以確定為AD、DE和BE的長(zhǎng)度為Sl、S2和S3以及桿件AB和AD的夾角β。貝U其正向設(shè)計(jì)可以確定為已知81、82、83和β，求桁架的矢高、跨度等。由幾何知識(shí)可知，如果D點(diǎn)、 E點(diǎn)的坐標(biāo)可知，體系的桁架的矢高、跨度等可以很方便地求得。D點(diǎn)、E點(diǎn)的坐標(biāo)可以通過(guò)下式求得

權(quán)利要求
1.一種具有高階曲線外形的桁架結(jié)構(gòu)，包括連桿機(jī)構(gòu)和拉索，所述的連桿機(jī)構(gòu)由η個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)η-l節(jié)點(diǎn)相互連接而成，η不小于3且不大于720，所述的四連桿機(jī)構(gòu)由第一連桿、第二連桿、第三連桿及第四連桿相互轉(zhuǎn)動(dòng)連接組成，所述的四連桿機(jī)構(gòu)的第三連桿及第四連桿和相鄰四連桿機(jī)構(gòu)的第一連桿和第二連桿共用一個(gè)節(jié)點(diǎn)，η個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)中第一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第一連桿和第二連桿的節(jié)點(diǎn)與第一支座鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，最后一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第三連桿和第四連桿的節(jié)點(diǎn)也與第二支座鉸接點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)連接，所述的η-l個(gè)節(jié)點(diǎn)包括第一鉸接點(diǎn)、第二鉸接點(diǎn)以及η-3個(gè)銷(xiāo)接節(jié)點(diǎn)，第一鉸接點(diǎn)和第二鉸接點(diǎn)間隔的布置在 η-3個(gè)銷(xiāo)接節(jié)點(diǎn)之間，與每個(gè)銷(xiāo)接節(jié)點(diǎn)連接的兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第一四連桿機(jī)構(gòu)的第三連桿和另一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第一連桿形成一根桿件，與每個(gè)銷(xiāo)接節(jié)點(diǎn)連接的兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第一四連桿機(jī)構(gòu)的第四連桿和另一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第二連桿形成一根桿件；所述的連桿機(jī)構(gòu)被第一鉸接點(diǎn)、第二鉸接點(diǎn)、第一支座鉸接點(diǎn)以及第二支座鉸接點(diǎn)分為三個(gè)子連桿機(jī)構(gòu)，在每個(gè)子連桿機(jī)構(gòu)中首尾均為鉸接節(jié)點(diǎn)，在每個(gè)子連桿結(jié)構(gòu)上設(shè)置第一拉索和第二拉索，所述第一拉索從該子連接結(jié)構(gòu)首個(gè)節(jié)點(diǎn)開(kāi)始，穿過(guò)第一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第一連桿和第四連桿的連接節(jié)點(diǎn)，然后穿過(guò)第一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第二連桿和第三連桿的連接節(jié)點(diǎn)，再穿過(guò)第二個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第一連桿和第四連桿的連接節(jié)點(diǎn)，隨后再穿過(guò)第二個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第二連桿和第三連桿的連接節(jié)點(diǎn)，如此反復(fù)，直至連接到尾部的節(jié)點(diǎn)，所述的第二拉索連接子連桿機(jī)構(gòu)首尾的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)；在第一鉸接節(jié)點(diǎn)或第二鉸接點(diǎn)連接的相鄰兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)的第二連桿和第三連桿的連接節(jié)點(diǎn)之間設(shè)置一根伸縮桿，其特征在于所述的第一連桿和第四連桿的長(zhǎng)度相同，所述的第二連桿和第三連桿的長(zhǎng)度相同，且第一連桿和第四連桿的長(zhǎng)度大于第二連桿和第三連桿的長(zhǎng)度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種具有高階曲線外形的桁架結(jié)構(gòu)，包括連桿機(jī)構(gòu)和拉索，連桿機(jī)構(gòu)由n個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)n-1節(jié)點(diǎn)相互連接而成，所述的四連桿機(jī)構(gòu)由第一連桿、第二連桿、第三連桿及第四連桿相互轉(zhuǎn)動(dòng)連接組成，所述的第一連桿和第四連桿的長(zhǎng)度相同，所述的第二連桿和第三連桿的長(zhǎng)度相同，且第一連桿和第四連桿的長(zhǎng)度大于第二連桿和第三連桿的長(zhǎng)度。因?yàn)檫B桿機(jī)構(gòu)中第一連桿和第二連桿長(zhǎng)度不同，所以可動(dòng)桁架中每個(gè)子連桿機(jī)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)在變形時(shí)成一圓弧，相應(yīng)的幾何外形為也為圓弧，而這些圓弧的曲率在桁架運(yùn)動(dòng)過(guò)程中也是變化的，所以可動(dòng)桁架可以形成具有高階曲線的幾何外形。
文檔編號(hào)E04B7/16GK102605891SQ20121005963
公開(kāi)日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月8日
發(fā)明者馮健, 蔡建國(guó) 申請(qǐng)人:東南大學(xué)