棗莊體育場索桁屋蓋結構罕遇地震分析方法

李瑞雄

(現代建筑設計集團上海建筑設計研究院有限公司，上海 200041)

車輻式張拉結構主要由外壓環、內拉環以及介于兩者之間的拉索或者索桁架組成，平面內自平衡，該結構體型較為新穎，已在國外(2009年，科威特·賈比爾艾哈邁德體育場)和國內(2010年，深圳寶安體育場)［1］相繼建成。棗莊體育場索桁屋蓋結構體系是在對經典索桁架結構進行改進后得到的，本文為該類結構的抗震分析提供一種分析方法，為工程設計提供指導。

1 工程概況

棗莊體育場是目前國內最大的平面橢圓形空間馬鞍形索桁結構之一，效果圖見圖1。屋蓋為索桁結構，呈馬鞍形，平面投影直徑為260 m×233 m 的橢圓形，共有48 榀索桁架，索桁架懸挑長度48.5 m，索網上覆膜材。為了協調屋面效果及次結構布置，對典型的索桁架進行改進，改變上徑向索布置，改為雙向交叉。屋蓋索網承受屋面荷載，并傳到環梁上，通過下部“拉花”和26 根環向斜柱支撐，整個結構與建筑造型完美統一。

圖1 體育場效果圖

2 幾何模型及邊界條件

體育場屋蓋計算幾何模型見圖2，屋蓋為通過張緊上下內環索，通過上下徑向索傳遞到外壓環上，與外壓環三者形成自平衡結構系統。屋面部分由上弦呈菱形網格索網組成、下弦為肋向布置的拉索，上下內環索之間用飛柱支撐形成雙層結構體系。

圖2 棗莊體育場幾何模型

3 地震分析

3.1 模態分析

首先對體育場整體結構進行模態分析，得到結構自振特性及自振周期。結構具有剛度和質量是模態分析的基本條件，柔性索網結構在找形、施加預應力后具有剛度。計算重力荷載代表值，根據規范活載組合值系數0.5。軟件根據密度可計算出結構自重產生的質量，編制程序將屋面恒載及活載轉化為質量進行模態和抗震分析。第一振型見圖3。

圖3 體育場第一階振型（T1=2.07 s）

3.2 抗震分析目標及方法

針對此工程的特殊性，以期達到以下抗震性能目標:

1)評價結構在罕遇地震作用下的彈塑性行為，根據主要構件的塑性損傷和整體變形情況，對混凝土構件根據損傷因子大小確定結構是否滿足“大震不倒”的設防水準要求。

2)保證大震下索網及相連節點彈性，不斷索，環梁及支柱在大震下彈性。

使用ABAQUS 軟件，采用非線性隱式動力法進行動力彈塑性時程分析方法。根據文獻［3］為了偏于安全混合結構阻尼比取0.03。

3.3 地震波選取

本工程選取的三條地震加速度時程分別為US169a(82.14 s)和US223a(43.62 s)兩條天然波和一條L755(60 s)人工波。其中各地震波的頻譜特性曲線見圖4，均與規范反應譜一致。

圖4 地震波的譜特性

3.4 大震時程分析

大震時程分析得到各條波作用下各構件內力、位移等，下面僅取人工波作用下主要構件內力、應力和位移結果如下:

圖5 表明下環索最大內力為33 500 kN，根據設計資料單根破斷荷載為5 910 kN，下環索為8 根索，極限承載力為58 560 kN，結構安全，根據鋼索應力結果可知，鋼索仍然處于彈性階段。圖6可知受壓環梁最大應力為228 MPa，環梁在大震下未屈服。圖7可知鋼斜支柱最大應力為170 MPa，均未屈服，處于彈性階段。圖8 可知索網最大位移為0.43 m，屋蓋在大震作用下出現較大抖動，膜結構變形能力強，整體滿足變形要求。

圖5 大震時程分析下環索內力

圖6 大震時程分析環梁最大應力

圖7 大震時程分析鋼斜支柱應力

圖8 大震時程分析索網位移

從以上分析結果構件內力可知，體育場大震下索網彈性，不斷索，鋼結構都處于彈性狀態，均滿足大震抗震目標。

拉花節點區配筋率為3.3%，中部桿件配筋率2%時大震損傷因子，增大配筋率后，拉花損傷情況大為改觀，僅有與地面連接節點區少部分區域損傷因子大于0.8，大部分結構仍然具有承載能力，只要加強局部節點區可認為結構安全，不發生倒塌，實現大震不倒的抗震目標。

4 結語

利用ABAQUS 有限元軟件對棗莊體育場結構進行設計及抗震分析，從計算結果可知，體育場屋蓋結構具有很好的抗震性能，支撐柱及拉花也能滿足抗震性能目標，可以得到以下結論:

1)可以利用ABAQUS 對體育場索桁屋蓋進行找形分析，施加預應力，通過調用子程序將荷載轉化為質量，并對恒活載作用后進行抗震分析。

2)充分利用ABAQUS 非線性計算的強大能力進行彈塑性動力時程分析，可以實現索膜柔性結構大震分析，得到性能特征，棗莊體育場屋蓋索網及鋼結構大震下彈性，抗震性能較好。

3)體育場等混合結構大震時程分析，需要建立整體模型才能真實反映地震波的傳遞過程，合理的阻尼比也是該類混合結構抗震分析的關鍵。

4)采用基于材料本構的非線性時程性能化分析，既可考慮各階頻率對結構響應的貢獻，又可清楚看到結構損傷情況及分布。

［1］郭彥林，王 昆，孫文波，等.寶安體育場結構設計關鍵問題研究［J］.建筑結構學報，2013，34(5):11-19.

［2］莊 茁.基于ABAQUS 的有限元分析和應用［M］.北京:清華大學出版社，2009.

［3］傅學怡，高 穎，楊想兵.濟南奧體中心體育場大跨空間結構總裝分析［J］.建筑結構學報，2009(S1):77.

［4］陳澤赳，張曉光，黃 濤.某三維空間剛架結構抗震及穩定性能分析［J］.結構工程師，2012，28(3):88-94.

［5］張云雷，吳曉涵.某超高層結構的彈塑性時程分析［J］.結構工程師，2013，29(1):47-54.

［6］周 知，錢 江，黃 維，等.復雜結構在重復地震序列作用下的損傷性能研究［J］.結構工程師，2013，29(4):76-81.