枣庄体育场索桁屋盖结构罕遇地震分析方法

李瑞雄

(现代建筑设计集团上海建筑设计研究院有限公司，上海 200041)

车辐式张拉结构主要由外压环、内拉环以及介于两者之间的拉索或者索桁架组成，平面内自平衡，该结构体型较为新颖，已在国外(2009年，科威特·贾比尔艾哈迈德体育场)和国内(2010年，深圳宝安体育场)［1］相继建成。枣庄体育场索桁屋盖结构体系是在对经典索桁架结构进行改进后得到的，本文为该类结构的抗震分析提供一种分析方法，为工程设计提供指导。

1 工程概况

枣庄体育场是目前国内最大的平面椭圆形空间马鞍形索桁结构之一，效果图见图1。屋盖为索桁结构，呈马鞍形，平面投影直径为260 m×233 m 的椭圆形，共有48 榀索桁架，索桁架悬挑长度48.5 m，索网上覆膜材。为了协调屋面效果及次结构布置，对典型的索桁架进行改进，改变上径向索布置，改为双向交叉。屋盖索网承受屋面荷载，并传到环梁上，通过下部“拉花”和26 根环向斜柱支撑，整个结构与建筑造型完美统一。

图1 体育场效果图

2 几何模型及边界条件

体育场屋盖计算几何模型见图2，屋盖为通过张紧上下内环索，通过上下径向索传递到外压环上，与外压环三者形成自平衡结构系统。屋面部分由上弦呈菱形网格索网组成、下弦为肋向布置的拉索，上下内环索之间用飞柱支撑形成双层结构体系。

图2 枣庄体育场几何模型

3 地震分析

3.1 模态分析

首先对体育场整体结构进行模态分析，得到结构自振特性及自振周期。结构具有刚度和质量是模态分析的基本条件，柔性索网结构在找形、施加预应力后具有刚度。计算重力荷载代表值，根据规范活载组合值系数0.5。软件根据密度可计算出结构自重产生的质量，编制程序将屋面恒载及活载转化为质量进行模态和抗震分析。第一振型见图3。

图3 体育场第一阶振型（T1=2.07 s）

3.2 抗震分析目标及方法

针对此工程的特殊性，以期达到以下抗震性能目标:

1)评价结构在罕遇地震作用下的弹塑性行为，根据主要构件的塑性损伤和整体变形情况，对混凝土构件根据损伤因子大小确定结构是否满足“大震不倒”的设防水准要求。

2)保证大震下索网及相连节点弹性，不断索，环梁及支柱在大震下弹性。

使用ABAQUS 软件，采用非线性隐式动力法进行动力弹塑性时程分析方法。根据文献［3］为了偏于安全混合结构阻尼比取0.03。

3.3 地震波选取

本工程选取的三条地震加速度时程分别为US169a(82.14 s)和US223a(43.62 s)两条天然波和一条L755(60 s)人工波。其中各地震波的频谱特性曲线见图4，均与规范反应谱一致。

图4 地震波的谱特性

3.4 大震时程分析

大震时程分析得到各条波作用下各构件内力、位移等，下面仅取人工波作用下主要构件内力、应力和位移结果如下:

图5 表明下环索最大内力为33 500 kN，根据设计资料单根破断荷载为5 910 kN，下环索为8 根索，极限承载力为58 560 kN，结构安全，根据钢索应力结果可知，钢索仍然处于弹性阶段。图6可知受压环梁最大应力为228 MPa，环梁在大震下未屈服。图7可知钢斜支柱最大应力为170 MPa，均未屈服，处于弹性阶段。图8 可知索网最大位移为0.43 m，屋盖在大震作用下出现较大抖动，膜结构变形能力强，整体满足变形要求。

图5 大震时程分析下环索内力

图6 大震时程分析环梁最大应力

图7 大震时程分析钢斜支柱应力

图8 大震时程分析索网位移

从以上分析结果构件内力可知，体育场大震下索网弹性，不断索，钢结构都处于弹性状态，均满足大震抗震目标。

拉花节点区配筋率为3.3%，中部杆件配筋率2%时大震损伤因子，增大配筋率后，拉花损伤情况大为改观，仅有与地面连接节点区少部分区域损伤因子大于0.8，大部分结构仍然具有承载能力，只要加强局部节点区可认为结构安全，不发生倒塌，实现大震不倒的抗震目标。

4 结语

利用ABAQUS 有限元软件对枣庄体育场结构进行设计及抗震分析，从计算结果可知，体育场屋盖结构具有很好的抗震性能，支撑柱及拉花也能满足抗震性能目标，可以得到以下结论:

1)可以利用ABAQUS 对体育场索桁屋盖进行找形分析，施加预应力，通过调用子程序将荷载转化为质量，并对恒活载作用后进行抗震分析。

2)充分利用ABAQUS 非线性计算的强大能力进行弹塑性动力时程分析，可以实现索膜柔性结构大震分析，得到性能特征，枣庄体育场屋盖索网及钢结构大震下弹性，抗震性能较好。

3)体育场等混合结构大震时程分析，需要建立整体模型才能真实反映地震波的传递过程，合理的阻尼比也是该类混合结构抗震分析的关键。

4)采用基于材料本构的非线性时程性能化分析，既可考虑各阶频率对结构响应的贡献，又可清楚看到结构损伤情况及分布。

［1］郭彦林，王 昆，孙文波，等.宝安体育场结构设计关键问题研究［J］.建筑结构学报，2013，34(5):11-19.

［2］庄 茁.基于ABAQUS 的有限元分析和应用［M］.北京:清华大学出版社，2009.

［3］傅学怡，高 颖，杨想兵.济南奥体中心体育场大跨空间结构总装分析［J］.建筑结构学报，2009(S1):77.

［4］陈泽赳，张晓光，黄 涛.某三维空间刚架结构抗震及稳定性能分析［J］.结构工程师，2012，28(3):88-94.

［5］张云雷，吴晓涵.某超高层结构的弹塑性时程分析［J］.结构工程师，2013，29(1):47-54.

［6］周 知，钱 江，黄 维，等.复杂结构在重复地震序列作用下的损伤性能研究［J］.结构工程师，2013，29(4):76-81.