CN111997181A - 一种基于正四面体的装配式空间结构单元 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于正四面体的装配式空间结构单元，包括六个(组)直线杆件和四个装配面，其特征在于：相邻直线杆件之间夹角为60°，相对直线杆件之间夹角为90°；任一装配面与其中三个(组)相邻直线杆件的一端相交，与其余三个(组)直线杆件所在平面平行，每个装配面能与对应的基于正四面体的空间节点的连接面吻合。

Description

一种基于正四面体的装配式空间结构单元
技术领域
本发明是一种空间结构单元，特别是一种基于正四面体的装配式空间结构单元。
背景技术
现有工业民用建筑空间结构往往采用网架、桁架，临时设施常常采用脚手架等形式，网架及桁架往往需要进行非常专业的工程设计，而且其基本单元是节点和杆件，重复率低、构件多、构件大小、长度等几何尺寸繁多，节点规格也很多，安装需要在专业的技术指导下，由专业的工人安装完成。临时舞台、看台、冰雪运动比赛台等设施大量采用脚手架搭建而成，其承载能力低、稳定性差，安装时间较长，需要进行进一步的改进，因此亟需要一种承载能力高、稳定性强和安装效率高的装配式空间结构单元。
发明内容
为了提供一种承载能力高、稳定性强、安装效率高和布置灵活多变的装配式空间结构，本发明设计了一种结构形式和节点规格单一、构件受力合理的基于正四面体的装配式空间结构单元。
本发明提出一种基于正四面体的装配式空间结构单元，包括六个(组)直线杆件和四个装配面，其特征在于：相邻直线杆件之间夹角为60°，相对直线杆件之间夹角为90°；任一装配面与其中三个(组)相邻直线杆件的一端相交，与其余三个(组)直线杆件所在平面平行，每个装配面能与对应的基于正四面体的空间结构节点的连接面吻合。
优选地，采用圆钢管作为基于正四面体的装配式空间结构单元的直线杆件。
优选地，采用角钢作为基于正四面体的装配式空间结构单元的直线杆件。
优选地，直线杆件采用外侧肢面夹角为arccos(1/3)的不规则角钢。
优选地，直线杆件采用内侧肢面夹角为arccos(1/3)的不规则角钢。
优选地，装配面和连接面为大小相等并且相互吻合的等边三角形。
优选地，四个装配面相同，从而使基于正四面体的装配式空间结构单元的每个装配面都可以和基于正四面体的空间结构节点的每个连接面吻合。
优选地，在装配面的边缘设置加劲板并且和相邻的不规则角钢连接，并且加劲板外侧和相邻不规则角钢的外侧肢面在同一平面内。
优选地，在装配面的几何中心设置与基于正四面体的空间结构节点或者其他节点连接的装配孔。
优选地，装配面采用和直线杆件形状吻合的金属材料。
优选地，装配面采用和直线杆件形状吻合的钢材。
优选地，装配面和加劲板或者不规则角钢的连接处为弧面过渡。
优选地，基于正四面体的装配式空间结构单元之间采用一种基于正四面体的空间结构节点连接，并且将其棱和顶点做弧面过渡。
基于正四面体的空间结构节点具备如下特点，在至少两个连接面上设置与基于正四面体的装配式空间结构单元连接的连接孔，连接孔的几何中心与所在连接面的几何中心重合，基于正四面体的空间结构节点与基于正四面体的装配式空间结构单元连接后，空间结构节点的连接面与基于正四面体的装配式空间结构单元的装配面吻合。
优选地，采用螺栓作为连接栓将基于正四面体的装配式空间结构单元与基于正四面体的空间结构节点连接。
优选地，采用焊接的连接方式将基于正四面体的装配式空间结构单元与基于正四面体的空间结构节点连接。
说明：例如2B、2C、2E、2F为2A的相邻直线杆件，2A和2D之间为相对直线杆件(如图1)，事实上，每个直线杆线都有四个相邻直线杆件和一个相对直线杆件。由于正四面体相邻两个面的二面角为arccos(1/3)，所以，使得夹角为arccos(1/3)的不规则角钢作为该基于正四面体的装配式空间结构单元的直线杆件可以使得该基于正四面体的装配式空间结构单元的每个侧面的三个角钢外侧肢面在同一平面内(如图10，11)。本发明所述“基于正四面体”的含义为：基于正四面体的装配式空间结构单元的各个侧面的位置关系和正四面体各个侧面的位置关系相同、各个直线杆件的位置关系和正四面体各条棱的位置关系相同，以及基于正四面体的空间结构节点的各个侧面的位置关系和正四面体各个侧面的位置关系相同。
一种基于正四面体的装配式空间结构单元，从受力的角度来说，它的各个面的三条边都构成等边三角形，比其他的结构的稳定性更强；基于正四面体的装配式空间结构单元传力方式单一、可靠。因此，相对于其他的空间结构，基于正四面体的装配式空间结构单元会更加稳定、更加可靠，而且能够迅速分散节点处集中的应力。
采用角钢作为基于正四面体的装配式空间结构单元的直线杆件，会使基于正四面体的装配式空间结构单元自重减少，用材量减少。
采用外侧肢面夹角为arccos(1/3)的不规则角钢作为基于正四面体的装配式空间结构单元的直线杆件，使得该基于正四面体空间结构单元的每个侧面的三个角钢外侧肢面在同一平面内，从而优化基于正四面体的装配式空间结构单元的稳定性。
采用圆钢管作为基于正四面体的装配式空间结构单元的直线杆件，保证直线杆件的在不同方向上有相同的最优惯性矩。
采用一种基于正四面体的空间结构节点，使各个基于正四面体的装配式空间结构单元之间容易吻合，大大提高了基于正四面体的装配式空间结构单元之间连接的准确性，并且保证其明确的传力路径。
附图说明
图1基于正四面体的装配式空间结构单元三维图
图2基于正四面体的空间结构节点三维图
图3基于正四面体的装配式空间结构单元与空间结构节点连接图
图4四个基于正四面体的装配式空间结构单元与一个空间结构节点连接图
图5基于正四面体空间结构单元工作状态轴侧图
图6基于正四面体空间结构单元工作状态正视图
图7基于正四面体空间结构单元堆放图
图8基于正四面体空间结构单元的不规则角钢示意图
图9基于正四面体空间结构单元的不规则角钢截面图
图10未设置加劲板的基于正四面体的装配式空间结构单元三维图
图11装配面与不规则角钢的位置关系图
附图标记如下：1.基于正四面体的装配式空间结构单元；2.直线杆件；3.装配面；4.基于正四面体的空间结构节点；5.连接栓；6.连接孔；7.不规则角钢；8.外侧肢面；9.内侧肢面；10.加劲板；11.装配孔；12.连接面。
具体实施方式
具体实施方式一：
一种基于正四面体的装配式空间结构单元1，包括六个(组)直线杆件2和四个装配面3，其特征在于：相邻直线杆件2之间夹角为60°，相对直线杆件2之间夹角为90°；任一装配面3与其中三个(组)相邻直线杆件2的一端相交，与其余三个(组)直线杆件2所在平面平行，每个装配面3能与对应的基于正四面体的空间结构节点4的连接面12吻合(如图1，图10)。
采用圆钢管或者角钢作为基于正四面体的装配式空间结构单元1的直线杆件2，采用钢板作为基于正四面体的装配式空间结构单元1的装配面3。在装配面3的几何中心设置与基于正四面体的空间结构节点4或者其他节点连接的装配孔11(如图1，图10)。
采用一种基于正四面体的空间结构节点4，使各个基于正四面体的装配式空间结构单元1之间进行特定方向的连接，大大提高了单元之间连接的可靠性，保证其合理的传力方式。采用连接栓5通过基于正四面体的装配式空间结构单元1的装配孔11和基于正四面体的空间结构节点4的连接孔6，将各个基于正四面体的装配式空间结构单元1之间有序地连接(如图2，3，4)。
具体实施方式二：
一种基于正四面体的装配式空间结构单元1，包括六个(组)直线杆件2和四个装配面3，其特征在于：相邻直线杆件2之间夹角为60°，相对直线杆件2之间夹角为90°；任一装配面3与其中三个(组)相邻直线杆件2的一端相交，与其余三个(组)直线杆件2所在平面平行，每个装配面3能与对应的基于正四面体的空间结构节点4的连接面12吻合(如图1，图10)。
直线杆件2采用外侧肢面8夹角为arccos(1/3)的不规则角钢7，更进一步，该不规则角钢7的内侧肢面9夹角也为arccos(1/3)(如图8，9，11)。装配面3和连接面12为大小相等并且相互吻合的等边三角形(如图3)。
具体实施方式三：
一种基于正四面体的装配式空间结构单元1，包括六个(组)直线杆件2和四个装配面3，其特征在于：相邻直线杆件2之间夹角为60°，相对直线杆件2之间夹角为90°；任一装配面3与其中三个(组)相邻直线杆件2的一端相交，与其余三个(组)直线杆件2所在平面平行，每个装配面3能与对应的基于正四面体的空间结构节点4的连接面12吻合(如图1，图10)。
在装配面3的边缘设置加劲板10并且和相邻的不规则角钢7连接，并且加劲板10外侧和相邻不规则角钢7的外侧肢面8在同一平面内(如图10)。在装配面3的几何中心设置与基于正四面体的空间结构节点4或者其他节点连接的装配孔11。装配面3和加劲板10或者不规则角钢7的连接处为弧面过渡。采用螺栓作为连接栓5将基于正四面体的装配式空间结构单元1与基于正四面体的空间结构节点4连接，或者采用焊接的方式将基于正四面体的装配式空间结构单元1与基于正四面体的空间结构节点4连接。上述连接方式可以按照工程需求任意延伸，不限于本发明的图例(如图4，5，6)，基于正四面体的装配式空间结构单元1可以拆卸后重复使用，拆卸后堆放方便、节约空间(如图7)。

Claims (10)

1.一种基于正四面体的装配式空间结构单元1，包括六个(组)直线杆件2和四个装配面3，其特征在于：相邻直线杆件2之间夹角为60°，相对直线杆件2之间夹角为90°；任一装配面3与其中三个(组)相邻直线杆件2的一端相交，与其余三个(组)直线杆件2所在平面平行，每个装配面3能与对应的基于正四面体的空间结构节点4的连接面12吻合。
2.根据权利要求1所述的一种基于正四面体的装配式空间结构单元1，其特征在于：采用圆钢管或者角钢作为基于正四面体的装配式空间结构单元1的直线杆件2。
3.根据权利要求1所述的一种基于正四面体的装配式空间结构单元1，其特征在于：采用钢板作为基于正四面体的装配式空间结构单元1的装配面3，在装配面3的几何中心设置与基于正四面体的空间结构节点4或者其他节点连接的装配孔11。
4.根据权利要求1-3所述的一种基于正四面体的装配式空间结构单元1，其特征在于：直线杆件2采用外侧肢面8之间和/或内侧肢面9之间夹角为arccos(1/3)的不规则角钢7。
5.根据权利要求1所述的一种基于正四面体的装配式空间结构单元1，其特征在于：装配面3和连接面12为大小相等并且相互吻合的等边三角形。
6.根据权利要求4所述的一种基于正四面体的装配式空间结构单元1，其特征在于：在装配面3的边缘设置加劲板10并且和相邻的不规则角钢7连接，并且加劲板10外侧和相邻不规则角钢7的外侧肢面8在同一平面内。
7.根据权利要求1所述的一种基于正四面体的装配式空间结构单元1，其特征在于：在装配面的几何中心设置与基于正四面体的空间结构节点或者其他节点连接的装配孔。
8.根据权利要求1所述的一种基于正四面体的装配式空间结构单元1，其特征在于：采用螺栓作为连接栓5将基于正四面体的装配式空间结构单元1与基于正四面体的空间结构节点4连接，或者采用焊接的方式将基于正四面体的装配式空间结构单元1与基于正四面体的空间结构节点4连接。
9.根据权利要求1所述的一种基于正四面体的装配式空间结构单元1，其特征在于：装配面和加劲板或者不规则角钢的连接处为弧面过渡。
10.根据权利要求1所述的一种基于正四面体的装配式空间结构单元1，其特征在于：采用连接栓5通过基于正四面体的装配式空间结构单元1的装配孔11和基于正四面体的空间结构节点4的连接孔6，将各个基于正四面体的装配式空间结构单元1之间有序地连接。
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