三角錐金字塔型空間晶體網格結構的製作方法
2023-05-30 09:53:21
三角錐金字塔型空間晶體網格結構的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種三角錐金字塔型空間晶體網格結構，包括基本陣列單元，基本陣列單元由四根等長的杆件構成，四根等長的杆件包括豎直杆和三根斜橫杆，斜橫杆包括第一斜橫杆、第二斜橫杆和第三斜橫杆，第一斜橫杆、第二斜橫杆、第三斜橫杆的裡端節點均與豎直杆底端節點連接，整個基本陣列單元呈金剛石晶體碳原子結構狀，所述基本陣列單元從上至下層狀設置，所有的第一斜橫杆平行，所有的第二斜橫杆平行，所有的第三斜橫杆平行，每個斜橫杆的外端節點下側均連接其下層中一個基本陣列單元的豎直杆的頂端節點，同層中外端指向同一位置的所有斜橫杆的外端節點相連接，整個三角錐金字塔型空間晶體網格結構呈正三稜錐狀。本發明是一種節點少、剛度大、受力合理的三角錐金字塔型空間晶體網格結構。
【專利說明】三角錐金字塔型空間晶體網格結構
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種新型空間網格結構，新型空間晶體網格結構，它是借鑑金剛石晶體合理的結構組成規律，而創造的一種新型的空間結構形式，它主要應用於建築工程領域，具體可用於各種需要大跨度、大空間的鋼結構建築中。
【背景技術】
[0002]大跨空間結構在廠房、體育場館、會展中心、劇院、車站和機場等各類公共建築中得到了廣泛的應用，尤其在國際性的博覽會、奧運會、亞運會等活動中，各國都以新型的空間結構來展示本國的建築科學技術水平，大跨度空間結構已成為一個國家建築科學技術發展水平的重要標誌之一。
[0003]迄今為止，國內外的學者在空間結構領域不斷創新，提出各種新型的空間結構形式，根據組成的單元進行分類，這些結構共有39種類型，其中最新的兩種是我國「水立方」遊泳中心使用的多面體空間剛架結構和張弦氣肋梁結構。
【發明內容】
[0004]本發明的目的是提供一種節點少、剛度大、受力合理的三角錐金字塔型空間晶體網格結構。
[0005]為實現上述目的，本發明採用如下技術方案:三角錐金字塔型空間晶體網格結構，包括基本陣列單元，基本陣列單元由四根等長的杆件構成，四根等長的杆件包括豎直杆和三根斜橫杆，斜橫杆包括第一斜橫杆、第二斜橫杆和第三斜橫杆，第一斜橫杆、第二斜橫杆、第三斜橫杆的裡端節點均與豎直杆底端節點連接，整個基本陣列單元呈金剛石晶體碳原子結構狀，所述基本陣列單元從上至下層狀設置，所有的第一斜橫杆平行，所有的第二斜橫杆平行，所有的第三斜橫杆平行，每個斜橫杆的外端節點下側均連接其下層中一個基本陣列單元的豎直杆的頂端節點，同層中外端指向同一位置的所有斜橫杆的外端節點相連接，整個三角錐金字塔型空間晶體網格結構呈正三稜錐狀。
[0006]所有位於三角錐金字塔型空間晶體網格結構側稜邊的基本陣列單元的豎直杆頂端節點與第一斜橫杆外端節點之間、豎直杆頂端節點與第二斜橫杆外端節點之間以及豎直杆頂端節點與第三斜橫杆外端節點之間均連接有脊杆。
[0007]所有位於三角錐金字塔型空間晶體網格結構底邊的第一斜橫杆外端節點與第二斜橫杆外端節點之間、第三斜橫杆外端節點與第二斜橫杆外端節點之間以及第一斜橫杆外端節點與第三斜橫杆外端節點之間均連接有底邊杆。
[0008]所述全部節點之間的連接均為鉸接。
[0009]所述全部節點之間的連接均通過螺栓球鉸接。
[0010]本發明所述的三角錐金字塔型空間晶體網格結構，具有如下有益效果:
1.在一個基本陣列單元中，與同一節點一豎直杆的底端節點相連接的杆件數目只有4根，杆件數目少。如在48m跨度的三角錐金字塔型空間晶體網格結構中，節點數為1279，單元數只需2234個，單元數與節點數的比值約為1.75。若建立同樣幾何外形和尺度的正放四角錐網殼結構(目前工程中最常用的結構形式)，節點數同為1279個，單元數則需要4872個，單元數與節點數的比值約為3.81，大大高於本發明所述的三角錐金字塔型空間晶體網格結構。
[0011]2.從靜力分析結果可以看出，結構截面配置較均勻，整體剛度較大，受力合理，結構經濟技術指標好。
[0012]3.節點採用鉸接連接，節點的製作和施工簡單。
[0013]4.三角錐金字塔型空間晶體網格結構的基本陣列單元中，除脊杆和底邊杆外，豎直杆、第一斜橫杆、第二斜橫杆和第三斜橫杆長度均相同，杆件長度整齊劃一，便於生產和運輸。
[0014]5.建築效果通透美觀。
[0015]本發明所述的三角錐金字塔型空間晶體網格結構，是一種新型空間網格結構，或稱為空間晶體網格結構，其理論依據如下:金剛石是摩氏硬度中唯一達到10級的礦物，是自然界中最硬的物質。在金剛石晶體內部，每一個碳原子都與周圍4個碳原子緊密結合，交錯整齊地排列，組成一種緻密的三維結構，從而形成牢固的結晶體，如圖1所示。正是這種緻密的結構，使得金剛石具有最大的硬度。金剛石具有最大的硬度表明金剛石晶體所包含的這種三維緻密結構是天然存在的一種十分合理有效的結構形式。本發明是借鑑金剛石晶體結構的空間組成規律，分別採用節點和杆件代替金剛石晶體結構中的碳原子和原子鍵，並進行合適的空間擴展，構造出一種性能優秀的新型空間結構形式。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是基本陣列單元的結構示意圖；
圖2是本發明的結構示意圖；
圖3是本發明以48m跨度為例時的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]實施例1:
由圖1和圖2所示的三角錐金字塔型空間晶體網格結構，包括基本陣列單元7，基本陣列單兀7由四根等長的杆件構成，四根等長的杆件包括豎直杆2和三根斜橫杆,斜橫杆包括第一斜橫杆3、第二斜橫杆5和第三斜橫杆8，每根杆件的端點即構成該杆件的節點，第一斜橫杆3、第二斜橫杆5、第三斜橫杆8的裡端節點均與豎直杆底端節點9連接，整個基本陣列單元7呈金剛石晶體碳原子結構狀，每個基本陣列單元7中的豎直杆頂端節點1、第一斜橫杆外端節點4、第二斜橫杆外端節點10和第三斜橫杆外端節點6分別位於一正三稜錐的四個頂點，並且豎直杆2、第一斜橫杆3、第二斜橫杆5和第三斜橫杆8中任意兩桿件間的夾角為109° 28,。節點之間的連接均通過螺栓球100鉸接。
[0018]所述三角錐金字塔型空間晶體網格結構由基本陣列單元7從上至下層狀設置而成，所有的第一斜橫杆3平行，所有的第二斜橫杆5平行，所有的第三斜橫杆8平行，每個斜橫杆的外端節點下側均連接其下層中一個基本陣列單元7的豎直杆頂端節點1，同層中外端指向同一位置的所有斜橫杆的外端節點相連接，整個三角錐金字塔型空間晶體網格結構呈正三稜錐狀，也即呈金字塔型。
[0019]所有位於三角錐金字塔型空間晶體網格結構側稜邊上的基本陣列單元7的豎直杆頂端節點I與第一斜橫杆外端節點4之間、豎直杆頂端節點I與第二斜橫杆5外端節點之間以及豎直杆頂端節點I與第三斜橫杆外端節點6之間均連接有脊杆101，所有連接在豎直杆頂端節點I與第一斜橫杆外端節點4之間的脊杆101共線並構成整個三角錐金字塔型空間晶體網格結構的第一條側稜邊，所有連接在豎直杆頂端節點I與第二斜橫杆5外端節點之間的脊杆101共線並構成整個三角錐金字塔型空間晶體網格結構的第二條側稜邊，所有連接在豎直杆頂端節點I與第三斜橫杆外端節點6之間的脊杆101共線並構成整個三角錐金字塔型空間晶體網格結構的第三條側稜邊。
[0020]所有位於三角錐金字塔型空間晶體網格結構底邊的第一斜橫杆外端節點4與第二斜橫杆5外端節點之間、第三斜橫杆外端節點6與第二斜橫杆5外端節點之間以及第一斜橫杆外端節點4與第三斜橫杆外端節點6之間均連接有底邊杆102，所有第一斜橫杆外端節點4與第二斜橫杆5外端節點之間的底邊杆102共線並構成整個三角錐金字塔型空間晶體網格結構的第一條底邊，所有第二斜橫杆5外端節點與第三斜橫杆外端節點6之間的底邊杆102共線並構成整個三角錐金字塔型空間晶體網格結構的第二條底邊，所有第一斜橫杆外端節點4與第三斜橫杆外端節點6之間的底邊杆102共線並構成整個三角錐金字塔型空間晶體網格結構的第三條底邊。所述全部節點之間的連接均為鉸接，並且全部節點之間的連接均通過螺栓球100鉸接。
[0021]實施例2:
由圖3所示的本實施例的三角錐金字塔型空間晶體網格結構，是在實施例1的基礎上，並以結構為一 48m跨度的三角錐金字塔型屋蓋，現採用本發明所提出的三角錐金字塔型空間晶體網格結構，首先對結構進行設計，採用空間網格結構設計軟體MSTCAD進行建模，其過程如下:在球坐標系下以空間一點為中心，仿照金剛石晶體中碳原子的擴展方式生成相鄰的空間四個節點，中心節點與四個節點之間產生單元，構成一個基本陣列單元7，這也是金剛石的一個基本晶體單元，之後再以生成的新節點為中心，以同樣的方法生成相鄰的節點和單元，依次向外展開，相當於金剛石晶體單元不斷擴展，選取適當的厚度，將內部的節點和單元刪除，最終可得到如圖2所示的一種外形為三角錐金字塔型空間晶體網格結構的三角錐金字塔型空間晶體網格結構。網格尺寸為3mX3m，網架高度為1.8371m，杆件共計2234根，其中脊線處杆件有48根，長度為3m，其餘杆件長度均為1.8371m。與地接觸的上下弦共84個節點採用三向鉸支座。根據結構所處的環境，僅考慮均布靜荷載0.8 kN/ m2，均布活荷載0.5kN/ m2及計算機自動形成的結構自重。起控制作用的工況組合為:1.2靜+1.4活。構件材料選用Q345鋼材，彈性模量2.06 X IO11Pa,密度7.85 X 103kg/m3,設計控制應力為 3IOMpaο
[0022]採用滿應力設計法進行截面設計和計算。為了便於了解這種新型網架結構的性能，與目前工程中最常用的正放四角錐和本發明的三角錐金字塔型空間晶體網格結構進行了對比，其餘兩種結構所採用的材料、荷載情況、網格大小、支座約束等條件基本相同，結果如表I所示:
【權利要求】
1.一種三角錐金字塔型空間晶體網格結構，其特徵在於:包括基本陣列單元，基本陣列單兀由四根等長的杆件構成，四根等長的杆件包括豎直杆和三根斜橫杆，斜橫杆包括第一斜橫杆、第二斜橫杆和第三斜橫杆，第一斜橫杆、第二斜橫杆、第三斜橫杆的裡端節點均與豎直杆底端節點連接，整個基本陣列單元呈金剛石晶體碳原子結構狀，所述基本陣列單元從上至下層狀設置，所有的第一斜橫杆平行，所有的第二斜橫杆平行，所有的第三斜橫杆平行，每個斜橫杆的外端節點下側均連接其下層中一個基本陣列單元的豎直杆的頂端節點，同層中外端指向同一位置的所有斜橫杆的外端節點相連接，整個三角錐金字塔型空間晶體網格結構呈正三稜錐狀。
2.如權利要求1所述的三角錐金字塔型空間晶體網格結構，其特徵在於:所有位於三角錐金字塔型空間晶體網格結構側稜邊的基本陣列單元的豎直杆頂端節點與第一斜橫杆外端節點之間、豎直杆頂端節點與第二斜橫杆外端節點之間以及豎直杆頂端節點與第三斜橫杆外端節點之間均連接有脊杆。
3.如權利要求1所述的三角錐金字塔型空間晶體網格結構，其特徵在於:所有位於三角錐金字塔型空間晶體網格結構底邊的第一斜橫杆外端節點與第二斜橫杆外端節點之間、第三斜橫杆外端節點與第二斜橫杆外端節點之間以及第一斜橫杆外端節點與第三斜橫杆外端節點之間均連接有底邊杆。
4.如權利要求1-3所述的三角錐金字塔型空間晶體網格結構，其特徵在於:所述全部節點之間的連接均為鉸接。
5.如權利要求4所述的三角錐金字塔型空間晶體網格結構，其特徵在於:所述全部節點之間的連接均通過螺栓球鉸接。
【文檔編號】E04B1/19GK103510617SQ201310456692
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月30日 優先權日:2013年9月30日
【發明者】杜文風, 周錫彬, 謝威, 趙坤朋, 謝華深, 徐浩浩 申請人:河南大學