ETABS在某大型体育场结构分析中的应用

舒云峰，郭盈盈

（重庆市设计院，重庆 400015）

ETABS在某大型体育场结构分析中的应用

舒云峰，郭盈盈

（重庆市设计院，重庆 400015）

通过对某30000座大型体育场(A、C区设悬挑34m钢罩棚)的分析计算，介绍了它的结构方案和应用ETABS分析三维结构的基本操作流程。并通过利用ETABS对体育场的上部钢结构罩棚和下部混凝土结构进行整体分析的实例表明，对于复杂工程，采用ETABS程序进行分析设计，程序建模灵活，参数开放自由，通用性强，较好地满足了复杂工程的结构分析与设计需求。

体育场；ETABS；结构分析；三维结构；几何模型；荷载输入；荷载组合

1 几何模型的建立

图2 典型的看台框架及罩棚桁架剖面

目前，ETABS软件已广泛应用于高层、超高层建筑的结构分析，对于如体育场馆的复杂三维结构，采用ETABS软件进行结构分析的实例不多，本工程为某3万座体育场，采用ETABS进行了结构分析，并应用于施工图设计。某体育场位于湖北省荆门市，设席位30000座。体育场看台按南、西、北、东方向分A、B、C、D四个区，A、C区为两层看台，B、D区为一层看台，位于南侧的A区设有主席台及记者席，A、C区设悬挑钢罩棚。体育场的效果图如图1所示。

图1 体育场三维效果图

A、C区罩棚悬挑长度为34m，采用5m高的四边形钢管桁架，典型的看台框架及罩棚桁架剖面如图2所示。

ETABS的建模大体有下列几种方式：

（1）直接利用软件本身的建模模板建立模型，这种方式的特点是对一般的规则结构比较方便、快速，但是对复杂模型的建立会比较麻烦。

（2）利用第三方转换软件，可以直接将PKPM模型或者其他程序建立的模型的几何、荷载等信息导入ETABS模型，这种方式在已有分析模型的情况下是非常方便的，导入后对模型不必进行大的修改就可以直接分析，但是由于导入时已将satw e的面荷载自动折算为ETABS模型中梁的线荷载并与梁上原有线荷载迭加，且没有面单元，所以对模型的修改会比较困难，对satw e模型的依赖度比较高，而且，当设计人员对导入的模型过程中的简化或者误差不能很好把握时，将影响ETABS分析模型的准确性。

（3）当结构模型比较复杂，又没有其它的现成模型可以导入时，就要利用cad的dxf导入几何模型，在cad中建立线及三维面，可以方便将线单元和面单元导入ETABS中，该方法的不足就是当线和面种类较多时，需在cad中按图层区分，而ETABS一次只能导入一种截面的梁或柱，当截面比较多时需多次导入。

（4） 从ETABS 9.2.0开始，ETABS支持从Revit Structure直接导入模型，且可以导入revit中荷载等多种信息，并支持与Revit的交互。

本工程中，笔者采用在CAD中建立完整的三维线面模型，然后利用ETABS的导入3D的dxf文件导入几何模型。由于工程中截面形式多样，必须在cad文件中就将模型的线截面和面截面用图层分类。在cad中画三维面，面单元也可以导入。由于ETABS软件的层概念很强，所以导入3D的dxf文件时，必须先在ETABS中建立好楼层数据，楼层坐标应和cad中Z轴的标高对应，且ETABS中顶层标高必须大于dxf模型中单元的标高，否则dxf模型中顶层标高以上的单元将无法导入。导入时，dxf文件和ETABS中长度单位应一致，且每导入一次不同截面的图层就应在ETABS中指定线、面的截面。导入完成后，选择需定义支座的节点指定节点约束来定义边界条件。

混凝土结构梁柱均采用框架单元，看台斜板及楼梯斜板采用壳单元，其它楼板采用膜单元，钢罩棚主桁架上下弦杆连续按刚接考虑，所有腹杆及后拉杆均铰接，2个下弦支座及后拉杆支座与混凝土构件的连接均采用铰接。体育场A区的ETABS模型如图3所示。

图3 体育场A区ETABS模型

2 荷载输入与荷载组合

2.1 荷载输入

普通的楼面线荷载的输入比较常规，这里谈谈风荷载、温度荷载的输入。

ETABS中风荷载的输入非常灵活，可以根据荷载规范自动添加风荷载，自动计算风荷载的前提是定义了刚性隔板或准刚性隔板。对于体形不规则，风荷载的迎风面体形系数有变化的结构，可以直接在面上指定风载体形系数或直接输入手工导算的风面或线荷载。

现在超长不设缝的结构越来越多，温度荷载的计算就显得很有必要，ETABS中输入温度荷载应先定义一个荷载工况类型为other的温度工况，由于荷载规范没有规定温度荷载的组合，所以ETABS也不会自动将温度进入默认组合，工程师需要自己定义温度参与的荷载组合。温度的施加，只需选择构件直接指定。不足之处为ETABS中只能对单元添加温度，且对线单元和面单元要分别指定温度，这一点相对于m idas可以直接指定系统温差要麻烦一些。值得注意的是，计算温度时，因为楼面梁产生轴力，所以模型不能考虑为刚性隔板假定。

对模拟楼梯、看台等斜面的斜板，其重力作用下受荷面积为投影方向面积，故活荷载输入时，ETABS中指定面荷载的方向应为重力投影方向。

本工程中，由于体育场建筑造型复杂，风荷载对罩棚的影响比较大，而荷载规范尚未明确这类结构体系的风振系数和体型系数，故施工图设计阶段，业主委托长安大学做了风洞试验[1]，根据荷载规范，结合周边环境的地貌特征，取用B类地貌风场。

试验结果表明：罩棚体型系数以风吸力为主，体型系数最小值为-0.910，为风吸力，体型系数最大值为0.420，为风压力。

利用风洞试验得到的测点时程作为输入，按照风从罩棚正面正吹和罩棚背面正吹两种工况，计算了罩棚的风振系数，大部分的风振系数在1.8～2.2间变化，结构设计时风振系数按2.2取用。

2.2 荷载的取值与组合

钢罩棚上弦平面：附加恒载取0.5 kN/m2；活载取0.5 kN/m2；雪荷载按100年一遇的雪压取0.45 kN/m2，雪荷载不与活荷载同时组合；风荷载计算参数按风洞试验的数据取用，基本风压按100年一遇的风压取0.35 kN/m2，根据荷载规范折算为作用于上弦平面的面荷载。罩棚下弦马道：附加恒载取1.0 kN/m2，活载取1.5 kN/m2。混凝土结构部分荷载均按荷载规范取值。

荆门市地区气候属亚热带潮湿性大陆季风气候，年平均气温在13.3OC，最低与最高气温分别为-14℃和40℃，体育场施工时温度控制在10～20℃，故本工程温差考虑为±25℃。对于下部的混凝土结构，进行温度计算可以考虑混凝土的徐变而直接折减温度荷载，本工程中取徐变系数为0.4，故混凝土部分计算温差考虑为±10℃；钢结构部分计算温差为±25℃。

地震作用直接按6度计算，采用反应谱方法计算，考虑双向地震作用。本工程A、C区下部为混凝土，上部为钢结构，结构的阻尼比规范并未明确规定；采用ETABS计算时，偏安全的取结构阻尼比为0.03计算。

综上所述，作用于结构的荷载分别有恒载D，活载L，升温Tu，降温Td，看台风荷载W x，看台风荷载W y，罩棚风压力W d，罩棚风吸力W u，双向地震作用Rxy。在ETABS中可以灵活的按荷载规范要求进行荷载组合，共67组。

3 分析结果与设计

利用ETABS和m idas进行了模态分析，模态分析采用了Ritz向量分析方法，计算60个振型，使每个方向的有效质量参与系数满足规范90%的要求。体育场A区的前6阶周期与振动特性见表1，前3阶振动模态见图4。

表1 周期与振动特性

图4 A区结构前3阶振动模态

对A区的温度应力分析表明，由于混凝土2层结构受基础约束，变形无法释放，所以2层楼面中间部位梁及2层周边部位框架柱受温度应力影响最大，其中楼面梁以轴力为主，最大为699.47 kN，升温时受压降温时受拉；框架柱以受弯为主，最大的为边框架的1000x2000的大柱子，两个方向的弯矩分别为M 2=1119.91 kN.m、M 3=611.18 kN.m。为考虑温度的影响，施工图设计时温度工况进入设计组合进行截面设计。

罩棚在1.0恒载+1.0活载作用下，悬挑端向下位移为142 mm，最大变形角为L/478

A区14轴处的看台框架及罩棚桁架主要构件在DS1：1.2D+0.98L+1.4W d、DS2：0.9D+1.4Wu作用下轴力、 面内剪力及主弯矩如表2所示，轴力以受拉为正。从表中内力可以看出，由于桁架采用了四边形截面，故上下弦杆在同一工况下的内力值差别不大，虽然风吸力大于风压力，但由于结构自重的影响，杆件在DS1工况下的内力仍远大于DS2工况；而斜腹杆及后撑杆设计为铰接，故弯矩为0；后撑杆在DS2工况下受压，故设计时按拉压杆设计，按受压构件控制其长细比；混凝土看台挑梁和看台斜梁所受弯矩均较大，看台斜梁在两个工况下均受拉，而Y字柱外斜撑和Y字柱受轴向压力较大。

表2 主要构件内力

在利用ETABS进行结构设计时，应注意以下内容：

（1）ETABS中，自动将水平线对象定义为beam，竖直的线对象定义为colum n，斜向构件定义为brace；线对象的类型决定了设计时内力调整系数和承载力抗震调整系数等取值。而对混凝土构件，定义截面时，布筋选项中设计类型中也有梁、柱之分，但是这里的设计类型和线对象类型并没有必然的联系，设计类型决定了截面设计时是否考虑轴力。

（2）对某些复杂结构，梁的轴力不能忽略，此时，梁应按拉弯或压弯构件设计，对混凝土和钢结构，ETABS的处理方式有所不同。对混凝土构件设计，定义截面时，布筋选项中设计类型决定了截面设计时是否考虑轴力，设计类型选为柱时考虑轴力，按压弯构件设计；设计类型选为梁时截面设计时将按受弯构件设计而不会考虑构件轴力。对钢构件的设计，要考虑钢梁的轴力，在钢结构设计选项的覆盖项中 “梁按压弯构件设计”选为yes。

（3）对柱的截面设计，ETABS按双偏压设计混凝土柱，ETABS可以按《混凝土结构设计规范》GB5001-2002附录F的任意截面构件正截面承载力计算，也可以根据公式7.3.14-3按简化方法计算。值得注意的是，ETABS按截面定义时布筋数据中两个方向（2轴、3轴）的钢筋数目的比例来分配设计配筋，设计后输出的是根据两个方向钢筋比例计算的截面总面积。

3 结语

对于复杂的三维结构，采用ETABS程序进行分析设计，程序建模灵活，参数开放自由，通用性强，较好的满足了复杂工程的结构分析与设计需求。在工程设计过程中，利用ETABS较真实的模拟了钢结构罩棚与下部混凝土结构的整体作用，合理处理了设计中的诸多难题，计算结果合理可信。

[1]荆门市城市运动公园体育场风洞试验研究[R].长安大学风洞试验室，2009.

[2]GB50017-2003钢结构设计规范[S].中华人民共和国建设部，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，工学硕士，工程师，国家一级注册结构工程师，主要从事建筑结构设计。

孙苏，李红