舒云峰，郭盈盈

（重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400015）

ETABS在某大型體育場結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用

舒云峰，郭盈盈

（重慶市設(shè)計(jì)院，重慶 400015）

通過對某30000座大型體育場(A、C區(qū)設(shè)懸挑34m鋼罩棚)的分析計(jì)算，介紹了它的結(jié)構(gòu)方案和應(yīng)用ETABS分析三維結(jié)構(gòu)的基本操作流程。并通過利用ETABS對體育場的上部鋼結(jié)構(gòu)罩棚和下部混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析的實(shí)例表明，對于復(fù)雜工程，采用ETABS程序進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，程序建模靈活，參數(shù)開放自由，通用性強(qiáng)，較好地滿足了復(fù)雜工程的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)需求。

體育場；ETABS；結(jié)構(gòu)分析；三維結(jié)構(gòu)；幾何模型；荷載輸入；荷載組合

1 幾何模型的建立

圖2 典型的看臺框架及罩棚桁架剖面

目前，ETABS軟件已廣泛應(yīng)用于高層、超高層建筑的結(jié)構(gòu)分析，對于如體育場館的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)，采用ETABS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的實(shí)例不多，本工程為某3萬座體育場，采用ETABS進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，并應(yīng)用于施工圖設(shè)計(jì)。某體育場位于湖北省荊門市，設(shè)席位30000座。體育場看臺按南、西、北、東方向分A、B、C、D四個區(qū)，A、C區(qū)為兩層看臺，B、D區(qū)為一層看臺，位于南側(cè)的A區(qū)設(shè)有主席臺及記者席，A、C區(qū)設(shè)懸挑鋼罩棚。體育場的效果圖如圖1所示。

圖1 體育場三維效果圖

A、C區(qū)罩棚懸挑長度為34m，采用5m高的四邊形鋼管桁架，典型的看臺框架及罩棚桁架剖面如圖2所示。

ETABS的建模大體有下列幾種方式：

（1）直接利用軟件本身的建模模板建立模型，這種方式的特點(diǎn)是對一般的規(guī)則結(jié)構(gòu)比較方便、快速，但是對復(fù)雜模型的建立會比較麻煩。

（2）利用第三方轉(zhuǎn)換軟件，可以直接將PKPM模型或者其他程序建立的模型的幾何、荷載等信息導(dǎo)入ETABS模型，這種方式在已有分析模型的情況下是非常方便的，導(dǎo)入后對模型不必進(jìn)行大的修改就可以直接分析，但是由于導(dǎo)入時已將satw e的面荷載自動折算為ETABS模型中梁的線荷載并與梁上原有線荷載迭加，且沒有面單元，所以對模型的修改會比較困難，對satw e模型的依賴度比較高，而且，當(dāng)設(shè)計(jì)人員對導(dǎo)入的模型過程中的簡化或者誤差不能很好把握時，將影響ETABS分析模型的準(zhǔn)確性。

（3）當(dāng)結(jié)構(gòu)模型比較復(fù)雜，又沒有其它的現(xiàn)成模型可以導(dǎo)入時，就要利用cad的dxf導(dǎo)入幾何模型，在cad中建立線及三維面，可以方便將線單元和面單元導(dǎo)入ETABS中，該方法的不足就是當(dāng)線和面種類較多時，需在cad中按圖層區(qū)分，而ETABS一次只能導(dǎo)入一種截面的梁或柱，當(dāng)截面比較多時需多次導(dǎo)入。

（4） 從ETABS 9.2.0開始，ETABS支持從Revit Structure直接導(dǎo)入模型，且可以導(dǎo)入revit中荷載等多種信息，并支持與Revit的交互。

本工程中，筆者采用在CAD中建立完整的三維線面模型，然后利用ETABS的導(dǎo)入3D的dxf文件導(dǎo)入幾何模型。由于工程中截面形式多樣，必須在cad文件中就將模型的線截面和面截面用圖層分類。在cad中畫三維面，面單元也可以導(dǎo)入。由于ETABS軟件的層概念很強(qiáng)，所以導(dǎo)入3D的dxf文件時，必須先在ETABS中建立好樓層數(shù)據(jù)，樓層坐標(biāo)應(yīng)和cad中Z軸的標(biāo)高對應(yīng)，且ETABS中頂層標(biāo)高必須大于dxf模型中單元的標(biāo)高，否則dxf模型中頂層標(biāo)高以上的單元將無法導(dǎo)入。導(dǎo)入時，dxf文件和ETABS中長度單位應(yīng)一致，且每導(dǎo)入一次不同截面的圖層就應(yīng)在ETABS中指定線、面的截面。導(dǎo)入完成后，選擇需定義支座的節(jié)點(diǎn)指定節(jié)點(diǎn)約束來定義邊界條件。

混凝土結(jié)構(gòu)梁柱均采用框架單元，看臺斜板及樓梯斜板采用殼單元，其它樓板采用膜單元，鋼罩棚主桁架上下弦桿連續(xù)按剛接考慮，所有腹桿及后拉桿均鉸接，2個下弦支座及后拉桿支座與混凝土構(gòu)件的連接均采用鉸接。體育場A區(qū)的ETABS模型如圖3所示。

圖3 體育場A區(qū)ETABS模型

2 荷載輸入與荷載組合

2.1 荷載輸入

普通的樓面線荷載的輸入比較常規(guī)，這里談?wù)勶L(fēng)荷載、溫度荷載的輸入。

ETABS中風(fēng)荷載的輸入非常靈活，可以根據(jù)荷載規(guī)范自動添加風(fēng)荷載，自動計(jì)算風(fēng)荷載的前提是定義了剛性隔板或準(zhǔn)剛性隔板。對于體形不規(guī)則，風(fēng)荷載的迎風(fēng)面體形系數(shù)有變化的結(jié)構(gòu)，可以直接在面上指定風(fēng)載體形系數(shù)或直接輸入手工導(dǎo)算的風(fēng)面或線荷載。

現(xiàn)在超長不設(shè)縫的結(jié)構(gòu)越來越多，溫度荷載的計(jì)算就顯得很有必要，ETABS中輸入溫度荷載應(yīng)先定義一個荷載工況類型為other的溫度工況，由于荷載規(guī)范沒有規(guī)定溫度荷載的組合，所以ETABS也不會自動將溫度進(jìn)入默認(rèn)組合，工程師需要自己定義溫度參與的荷載組合。溫度的施加，只需選擇構(gòu)件直接指定。不足之處為ETABS中只能對單元添加溫度，且對線單元和面單元要分別指定溫度，這一點(diǎn)相對于m idas可以直接指定系統(tǒng)溫差要麻煩一些。值得注意的是，計(jì)算溫度時，因?yàn)闃敲媪寒a(chǎn)生軸力，所以模型不能考慮為剛性隔板假定。

對模擬樓梯、看臺等斜面的斜板，其重力作用下受荷面積為投影方向面積，故活荷載輸入時，ETABS中指定面荷載的方向應(yīng)為重力投影方向。

本工程中，由于體育場建筑造型復(fù)雜，風(fēng)荷載對罩棚的影響比較大，而荷載規(guī)范尚未明確這類結(jié)構(gòu)體系的風(fēng)振系數(shù)和體型系數(shù)，故施工圖設(shè)計(jì)階段，業(yè)主委托長安大學(xué)做了風(fēng)洞試驗(yàn)[1]，根據(jù)荷載規(guī)范，結(jié)合周邊環(huán)境的地貌特征，取用B類地貌風(fēng)場。

試驗(yàn)結(jié)果表明：罩棚體型系數(shù)以風(fēng)吸力為主，體型系數(shù)最小值為-0.910，為風(fēng)吸力，體型系數(shù)最大值為0.420，為風(fēng)壓力。

利用風(fēng)洞試驗(yàn)得到的測點(diǎn)時程作為輸入，按照風(fēng)從罩棚正面正吹和罩棚背面正吹兩種工況，計(jì)算了罩棚的風(fēng)振系數(shù)，大部分的風(fēng)振系數(shù)在1.8～2.2間變化，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時風(fēng)振系數(shù)按2.2取用。

2.2 荷載的取值與組合

鋼罩棚上弦平面：附加恒載取0.5 kN/m2；活載取0.5 kN/m2；雪荷載按100年一遇的雪壓取0.45 kN/m2，雪荷載不與活荷載同時組合；風(fēng)荷載計(jì)算參數(shù)按風(fēng)洞試驗(yàn)的數(shù)據(jù)取用，基本風(fēng)壓按100年一遇的風(fēng)壓取0.35 kN/m2，根據(jù)荷載規(guī)范折算為作用于上弦平面的面荷載。罩棚下弦馬道：附加恒載取1.0 kN/m2，活載取1.5 kN/m2?；炷两Y(jié)構(gòu)部分荷載均按荷載規(guī)范取值。

荊門市地區(qū)氣候?qū)賮啛釒С睗裥源箨懠撅L(fēng)氣候，年平均氣溫在13.3OC，最低與最高氣溫分別為-14℃和40℃，體育場施工時溫度控制在10～20℃，故本工程溫差考慮為±25℃。對于下部的混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)行溫度計(jì)算可以考慮混凝土的徐變而直接折減溫度荷載，本工程中取徐變系數(shù)為0.4，故混凝土部分計(jì)算溫差考慮為±10℃；鋼結(jié)構(gòu)部分計(jì)算溫差為±25℃。

地震作用直接按6度計(jì)算，采用反應(yīng)譜方法計(jì)算，考慮雙向地震作用。本工程A、C區(qū)下部為混凝土，上部為鋼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的阻尼比規(guī)范并未明確規(guī)定；采用ETABS計(jì)算時，偏安全的取結(jié)構(gòu)阻尼比為0.03計(jì)算。

綜上所述，作用于結(jié)構(gòu)的荷載分別有恒載D，活載L，升溫Tu，降溫Td，看臺風(fēng)荷載W x，看臺風(fēng)荷載W y，罩棚風(fēng)壓力W d，罩棚風(fēng)吸力W u，雙向地震作用Rxy。在ETABS中可以靈活的按荷載規(guī)范要求進(jìn)行荷載組合，共67組。

3 分析結(jié)果與設(shè)計(jì)

利用ETABS和m idas進(jìn)行了模態(tài)分析，模態(tài)分析采用了Ritz向量分析方法，計(jì)算60個振型，使每個方向的有效質(zhì)量參與系數(shù)滿足規(guī)范90%的要求。體育場A區(qū)的前6階周期與振動特性見表1，前3階振動模態(tài)見圖4。

表1 周期與振動特性

圖4 A區(qū)結(jié)構(gòu)前3階振動模態(tài)

對A區(qū)的溫度應(yīng)力分析表明，由于混凝土2層結(jié)構(gòu)受基礎(chǔ)約束，變形無法釋放，所以2層樓面中間部位梁及2層周邊部位框架柱受溫度應(yīng)力影響最大，其中樓面梁以軸力為主，最大為699.47 kN，升溫時受壓降溫時受拉；框架柱以受彎為主，最大的為邊框架的1000x2000的大柱子，兩個方向的彎矩分別為M 2=1119.91 kN.m、M 3=611.18 kN.m。為考慮溫度的影響，施工圖設(shè)計(jì)時溫度工況進(jìn)入設(shè)計(jì)組合進(jìn)行截面設(shè)計(jì)。

罩棚在1.0恒載+1.0活載作用下，懸挑端向下位移為142 mm，最大變形角為L/478

A區(qū)14軸處的看臺框架及罩棚桁架主要構(gòu)件在DS1：1.2D+0.98L+1.4W d、DS2：0.9D+1.4Wu作用下軸力、 面內(nèi)剪力及主彎矩如表2所示，軸力以受拉為正。從表中內(nèi)力可以看出，由于桁架采用了四邊形截面，故上下弦桿在同一工況下的內(nèi)力值差別不大，雖然風(fēng)吸力大于風(fēng)壓力，但由于結(jié)構(gòu)自重的影響，桿件在DS1工況下的內(nèi)力仍遠(yuǎn)大于DS2工況；而斜腹桿及后撐桿設(shè)計(jì)為鉸接，故彎矩為0；后撐桿在DS2工況下受壓，故設(shè)計(jì)時按拉壓桿設(shè)計(jì)，按受壓構(gòu)件控制其長細(xì)比；混凝土看臺挑梁和看臺斜梁所受彎矩均較大，看臺斜梁在兩個工況下均受拉，而Y字柱外斜撐和Y字柱受軸向壓力較大。

表2 主要構(gòu)件內(nèi)力

在利用ETABS進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)注意以下內(nèi)容：

（1）ETABS中，自動將水平線對象定義為beam，豎直的線對象定義為colum n，斜向構(gòu)件定義為brace；線對象的類型決定了設(shè)計(jì)時內(nèi)力調(diào)整系數(shù)和承載力抗震調(diào)整系數(shù)等取值。而對混凝土構(gòu)件，定義截面時，布筋選項(xiàng)中設(shè)計(jì)類型中也有梁、柱之分，但是這里的設(shè)計(jì)類型和線對象類型并沒有必然的聯(lián)系，設(shè)計(jì)類型決定了截面設(shè)計(jì)時是否考慮軸力。

（2）對某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)，梁的軸力不能忽略，此時，梁應(yīng)按拉彎或壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)，對混凝土和鋼結(jié)構(gòu)，ETABS的處理方式有所不同。對混凝土構(gòu)件設(shè)計(jì)，定義截面時，布筋選項(xiàng)中設(shè)計(jì)類型決定了截面設(shè)計(jì)時是否考慮軸力，設(shè)計(jì)類型選為柱時考慮軸力，按壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)類型選為梁時截面設(shè)計(jì)時將按受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)而不會考慮構(gòu)件軸力。對鋼構(gòu)件的設(shè)計(jì)，要考慮鋼梁的軸力，在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選項(xiàng)的覆蓋項(xiàng)中 “梁按壓彎構(gòu)件設(shè)計(jì)”選為yes。

（3）對柱的截面設(shè)計(jì)，ETABS按雙偏壓設(shè)計(jì)混凝土柱，ETABS可以按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB5001-2002附錄F的任意截面構(gòu)件正截面承載力計(jì)算，也可以根據(jù)公式7.3.14-3按簡化方法計(jì)算。值得注意的是，ETABS按截面定義時布筋數(shù)據(jù)中兩個方向（2軸、3軸）的鋼筋數(shù)目的比例來分配設(shè)計(jì)配筋，設(shè)計(jì)后輸出的是根據(jù)兩個方向鋼筋比例計(jì)算的截面總面積。

3 結(jié)語

對于復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)，采用ETABS程序進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，程序建模靈活，參數(shù)開放自由，通用性強(qiáng)，較好的滿足了復(fù)雜工程的結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)需求。在工程設(shè)計(jì)過程中，利用ETABS較真實(shí)的模擬了鋼結(jié)構(gòu)罩棚與下部混凝土結(jié)構(gòu)的整體作用，合理處理了設(shè)計(jì)中的諸多難題，計(jì)算結(jié)果合理可信。

[1]荊門市城市運(yùn)動公園體育場風(fēng)洞試驗(yàn)研究[R].長安大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室，2009.

[2]GB50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國建設(shè)部，2003.

Application of ETABS in the Structural Analysisof A Large Stadium

Based on the analysisand calculation of 30000 large stadiums(There are cantilever steel awnings in section A and section C),the structure scheme and basic operation procedurew ith ETABS to analyze its three-dimensional structure are introduced.Through the overall analysiswith ETABS on the steel awning and concrete structure of the stadium,it shows that ETABSmakes proceduralmodeling flexible,parameters free andmeets the requirements for complex projectsof structuralanalysisand design.

stadium;ETABS;structuralanalysis;three-dimensionalstructure;geometricalmodel;load input;load combination

TU 3

A

1671-9107（2013）06-0026-04

10.3969/j.issn.1671-9107.2013.06.026

2013-05-06

舒云峰（1981-），男，工學(xué)碩士，工程師，國家一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

孫蘇，李紅