折叠结构（用于建筑领域等的结构）

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更新时间：2023-05-19
折叠结构
用于建筑领域等的结构
折叠结构(Deployable Structures)是一种用时展开、不用时可折叠收起的结构。从这个意义上说，有着悠久历史广为人们所熟悉的雨伞或阳伞就是一种折叠结构，这表明折叠结构的思想古已有之，但折叠结构用于建筑领域、并形成相应的设计计算理论是近几十年来的事。
1961年西班牙建筑师皮奈偌(P.Pinero)展出了他的伤口一个可折叠移动的小剧院，人们从中发现了这种结构的诸多优点。折叠结构一般可重复使用，且折叠后体积小，便于运输及储存，与永久性建筑物相比不仅在施工上省时省力，而且可避免不必要的资金再投入而造成的浪费。随着人们对“折叠”概念逐渐理解，折叠结构在计算理论上及结构形式上都得以很大发展，目前这种结构已走出实验室，得到了广泛的工程应用。
基本信息
中文名
定义
用时展开、不用时折叠收起的结构
适用领域
建筑领域，航空航天领域等
代表作
雨伞或阳伞
用途
在生活领域，可用于施工棚、集市大棚、临时货仓等临时性结构；在军事上可用于战地指挥、战场救护、装配抢修及野外帐篷等，对提高部队的后勤保障能力、增加部队战斗力有重要意义；在航空航天领域，折叠结构有着不可替代的地位，已用作太阳帆、可展式天线等。依据不同的标准折叠结构有着不同的类型划分：按照折叠结构组成单元的类型可分为杆系单元、板系单元，而杆系单元又可再分为剪式单元及伸缩式单元；根据结构展开成型后的稳定平衡方式可分为结构几何自锁式、结构构件自锁及结构外加锁式；根据结构组成是否采用索单元可分为刚性结构及柔性结构；根据结构展开过程的驱动方式可分为液压（气压）传动方式、电动方式、节点预压弹簧驱动方式等。
简介
结构几何自锁式又称自稳定折叠结构，是工程界普遍重视的一种结构。其自锁原理主要是由结构的几何条件及材料的力学特性决定。在这种结构中，一些剪彩式单元（简称剪铰）以一定方式相连而组成锁铰。锁铰中每根杆件只有在折叠状态与完全展开时，才与结构的几何状态相适应，杆件应力为零，而在展开过程中杆件弯曲变形，储存外荷能量，最后反方向释放这些能量。自稳定折叠结构展开方便、迅速，但其杆件抗弯刚度比较小，因而承受外荷载能力低，只适合小跨度情况。结构构件自锁式的自锁机理主要是靠铰接处的销钉在结构展开时自动滑入杆件端部预留的槽孔处而锁定结构。结构外加锁式亦称附加稳定结构，在结构展开过程中，杆件内无应力，整个结构是一个机构体系，在展开到预定跨度时，在结构的端部附加杆件或其它约束而消除机构形成结构。这种结构的杆件刚度比较大，可满足较大跨度的要求。
没有过弹铁折叠结构称为刚性结构，而柔性折叠结构的受拉单元为索单元。柔性结构在收纳状态时，索呈松弛状态，刚性杆件可形成捆状便于运输储存。在展开时可拉紧驱动索使结构展开，亦可增加压杆长度来张拉索，在完全展开时可形成张拉整体体系。这种结构自重轻、展开成型后刚度较大，可用于跨度较大的结构。
分类
折叠结构根据其在展开过程中所表现的运动特性可分为两大类：一类是各部分运动为刚体运动，称其为多刚体体系，它的运动描述及内力分析比较容易解决；另一类则是部件在空间中经历着大的刚性运动的同时，还存在自身的变形运动，表现出刚性运动与变形运动互相影响，强烈耦合的特征。自稳定杆系结构就属于后一种类型，其中锁铰的设计是整个自稳定折叠结构设计的基础，直接影响结构的合理性及使用方便性。理想的自锁条件是在叠展的过程中，组成锁铰的杆件内产生内力，内力变化呈缓升陡降的趋势，变化率表现出大范围变化的慢变量与小幅度的快变量的特征。这种运动特性必须采用非线性理论来描述，这正是这种结构计算的难点所在。
节点设计
对于任何空间结构，节点设计都占有很重要的位置，折叠结构自不例外，而且还有一些特殊要求：折叠结构的节点必须能够保证杆件在展开过程中运动自如，杆件与节点连接处没有较大摩擦或易于弯曲的变形；在结构收纳状态时能够保证杆件成紧密捆状，以便储存；人有足够的强度来承受杆件的拉压及局部的弯、剪、摩擦等各种作用。目前应用比较普遍的是毂节点，节点材料可用金属或高分子材料。