[发明专利]基于球形多面体的网架结构

说明书

技术领域

本发明属于土木工程结构设计范畴，是基于拓扑学“弦面角和”理论建立的一种新型装配便捷的球形多面体网架结构。

背景技术

球形网架一般采用的四边形或三角形构型的经纬线法，其构件繁多，且四边形结构稳定性差。目前工程应用上，广泛应用的是以色列学者Hanaor采用测地投影法建立的球形网架结构和网板结构方法,按球面上细分拓扑展开进行设计而来，得到的球形网架结构构件种类数没有优化。以色列学者Hanaor对单层球形网架进行了系统研究，其方法主要包括内容为:以球形20面体的球面三角形作为基元，沿其球面边弧大圆等弧细分，以构建球形多面体系列结构；构型限定为球面三角形，构成结构是单层或双层；适合金属网架，采用焊接工艺或铆接工艺完成球形结构施工安装，如图1所示，其为按Hanaor方法构建的肋环经纬型球形穹顶，如图2所示，其为按Hanaor方法构建的肋环斜杆型穹顶，如图3所示，其为按Hanaor方法构建的三角形挂钩型铰接网壳结构，如图4所示，其为按Hanaor方法构建的刚节点镂空板壳结构，如图5所示，其为按Hanaor方法构建的边弧细分的穹顶网架。Hanaor方法得到的球形网架结构的优点是采用三角形构型网架，整体结构稳定，不足是杆件与节点类型繁多，且限于在焊接或铆接结构中使用，施工安装工时长，且焊接工艺复杂，导致节点局部刚度和单层网架整体稳定性较低，不适合作为快速构建大跨度结构方法使用，很难实现网架快速组配和单层大跨度的要求,需要在结构构造和安装工艺上进行改进（A.Hanaor Int.J.of Space Structures 1993(7)；张文福.空间结构,2005,科学出版社；董石麟，空间网格结构分析理论与计算方法，中国建筑工业出版社，2000.）。

发明内容

为解决上述现有技术中的球形网架结构节点及杆件类型繁多，节点局部刚度和单层网架整体稳定性较低，无法满足单层大跨度需求的问题，本发明提出了一种基于球形多面体弦面角和方法构建的网架结构，其结构部件类型少，建造简单方便，结实牢固。

 本发明采取的技术方案为：

一种基于球形多面体的网架结构，包括节点和连杆，所述球形多面体为272面球形多面体，所述272面球形多面体的南极和北极均为正五边形面，所述272面球形多面体的基元由3个正五边形面和1个正六边形面以及3个                                                型六边形面、6个型六边形面、6个型六边形面组成，其中：所述的正六边形面位于基元的中心，6个型六边形面沿该正六边形面的6条边环形分布，并分别与该正六边形面共用一条边；6个型六边形面分别沿着正六边形面的6个角方向，环形分布于6个型六边形面外围；3个型六边形面分别沿正六边形面的90°、210°和330°方向分布于6个型六边形面外围；3个正五边形面分别沿正六边形面的90°、210°和330°方向分布于3个型六边形面的外围；所述的3个正五边形面的边长为a₁；所述正六边形面的边长为a₃；所述的型六边形面与正五边形面共用一边，该边及其相邻两侧的边的边长均为a₁，型六边形面的另三条边边长为a₂，所述的型六边形面的6个内角中，与正五边形面相邻的2个内角角度均为α，与这2个内角为α相对的2个内角的角度均为ρ，所述的型六边形面的另2个内角角度均为β；所述的型六边形面的各边边长均为a₂，其6个内角中，与型六边形面中角度为β的内角相邻的那个内角的角度为γ，与这个角度为γ的内角相对的内角角度也为γ，其余4个内角角度为η；所述的型六边形面中，与型、型六边形面共用的3条边的边长均为a₂，另3条边边长为a₃，其6个内角中，与正六边形面相邻的2个内角角度为σ，与这2个角度为σ的内角相对的另2个内角角度为β，余下的另2个内角角度为ω；

各边长之间的数值关系为：。