大跨度充气屋面垫层的形状查找
项目概述
埃因霍温大学硕士生 Arjen Deetman 和 Thijs de Geode 特别强调使用 Oasys GSA 进行索网形状分析，并确定了最佳设计方案。他们的最终目标是通过稳定的结构来补充建筑设计，从而最大限度地减少视觉障碍。

充气垫通常被认为是庭院覆盖的最佳解决方案。然而，从结构上讲，充气垫最有效的形状是圆形，而庭院主要为矩形。Deetman 和 de Goede 希望探索其他方案来优化矩形建筑的设计。

他们的最终设计方案是将充气垫与钢框架相结合，以避免对现有建筑施加较大的水平预应力。柔性表皮采用 ETFE 乙烯四氟乙烯膜，并用正交索网加固。对角索网将水平力更均匀地分布在钢框架的边缘。

四个圆形拱门在拱内产生压缩力，而边梁则承受拉力。通过应用四根角杆，设计了一个张紧带来闭合系统（该张紧带将四个拱门连接在一起）。这种形状最大限度地减少了庭院的视觉遮挡。

在项目此阶段的最后，最终的GSA模型将柔性表皮和压缩元件的两个独立模型结合在一起。通过这个组合模型，结构的行为更加逼真，并且可以进一步改进。

项目中使用的软件

Oasys 如何证明其价值
确定 ETFE 的跨度
ETFE 的抗拉强度相对较低，因此大跨度结构需要添加索网。

在索网的初步设计过程中，考虑了四种不同的配置。两种正交索网网格，网格尺寸分别为 2500 毫米和 5000 毫米，以及两种对角索网网格，网格尺寸分别为 1750 毫米和 3550 毫米。图中显示了最小曲率。由于曲率过大，5000 毫米的网格尺寸被否决。

方形气垫的初步设计需要确定 ETFE 中的应力，这些应力与内部压力 [p]、半径 [R] 和 ETFE 厚度有关。然而，圆形穹顶 (0.5) 和圆柱形穹顶 (1.0) 的已知系数不适用于方形地面形状。因此，使用 GSA 模型，方形气垫的系数近似为 0.63。这是基于几何线性理论，仅用于初步设计计算。
柔性蒙皮索网的找形
我们采用了三种不同的找形方法来定义索网的几何形状。

  • 力密度（力除以长度）
  • 皂膜特性（恒定预应力）

  • 变形形状的操控


皂膜模型可产生最恒定的索力，并使水平反作用力分布更均匀。图中显示了三种不同方法的索力。计算中假设了均匀载荷（气压）。


在GSA中，我们分别对网格尺寸为1750毫米、2500毫米和3550毫米的索网进行了建模，并采用了皂膜特性（5000毫米选项已在项目初步设计阶段被取消）。如图所示，对模型施加了三种不同的荷载工况。

分析表明，网格尺寸为3550毫米的对角索网效果最佳。这种索网能够以更恒定的荷载作用于垫层内的压缩元件。采用正交索网时，压缩拱会受到不对称的负载。
压缩单元
拟定的压缩单元由矩形空心钢单元组成，这些单元对边梁施加拉力。通过在拐角处设置四根杆件，设计了一个拉力带，使系统闭合。这种形状最大限度地减少了庭院的视觉遮挡。

将采用图形找形法设计的拱形与圆形拱形进行了比较，并考虑了在交叉口处连接的不同方法。重要的标准是拱梁（最大截面）的应力、屈曲荷载、水平位移和结构。

研究人员得出结论，圆形拱形的拱梁应力最低。固定（焊接）连接产生的屈曲荷载是整个结构中最大的。


下一步是什么？

本项目假设气垫内部气压恒定。但实际上，气压会发生变化。为了进一步研究，研究这种大跨度气垫的动态行为（包括参数研究）将会很有意思。

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