青岛体育中心体育馆楼盖振动特性分析与对比

丁阔 刘蔚萍 王俊涛 苗盛

(1．青岛国信体育公司，山东青岛 266035; 2．青岛市土木建筑工程学会，山东 青岛 266035; 3．青岛国信置业公司，山东 青岛 266035)

1 青岛体育中心体育馆工程简介

青岛体育中心体育馆为直径110 m的圆形构筑物，室内的比赛场地可根据需要搭设移动冰场，能够举办除自行车、室内田径以外其他所有室内比赛项目，看台部分是钢筋混凝土框架，屋面是呈宝石状的整体穹顶钢网架结构。该工程项目于2005年9月奠基，2009年2月21日举行竣工典礼，总投资5．98亿元，建筑面积达4．8万m2，观众席位(固定、活动合计)1．25万个。自建成以来，已举办了2009年第十一届全运会室内冰上运动项目、2011年苏迪曼杯世界羽毛球锦标赛、2012年第32届亚洲羽毛球锦标赛等多项国内外重要体育赛事。

室内比赛场地位于馆内的一层中心，其下面的地下室部分是乒乓球等多项运动项目的训练场地，体育馆整体结构为圆形，其中中间部位矩形处为本文所分析的赛场楼盖部分。此楼盖的平面信息和构件信息如图1和表1所示。楼板的自振特性是结构动力分析中的重要参数，其准确性对于基于模型的后续动力分析结果的可靠性具有重要的影响，并且为楼盖舒适度评测时的关键参数[1］。

图1 楼盖平面布置图

2 有限元模型的建立

本文分别使用通用有限元软件Abaqus和Ansys，以及结构设计软件Etabs对训练馆的大跨度楼盖进行了建模。

表1 梁柱构件信息 mm

在Abaqus建模中，混凝土密度取2 500 kN/m2，弹性模量取3．0 ×1010，泊松比取 0．2。附加恒荷载取为 2．0 kN/m2。梁柱均采用Beam单元，混凝土板采用Shell单元。在此模型中，使用两种边界条件进行建模，第一种边界条件为不对混凝土板的四周进行约束，仅仅固结柱子底部。第二种边界条件为对混凝土板的四周和柱子的底部均进行固结。在第一种边界条件下，由于楼板四周无约束，楼盖水平刚度很弱，导致求解出的前三阶振型均为水平振型，从第四阶开始为竖向振型。振型结果如图2～图7所示。

图2 板四周未固结时第一阶振型图（水平）

图3 板四周未固结时第二阶振型图（水平）

图4 板四周未固结时第三阶振型图（水平）

图5 板四周未固结时第四阶振型图（竖向）

图6 板四周未固结时第五阶振型图（竖直）

图7 板四周未固结时第六阶振型图（竖直）

第二种边界条件将限制住楼盖的水平位移，前三阶水平振型消失，与第一种边界条件中从第四阶开始的竖直方向振型相对应的振型提前到从第一阶振型开始。图8～图10为此边界条件下的前三阶振型。

比较第一种边界条件的前三阶竖向振型和第二种边界条件的前三阶竖向振型可得到边界条件对振型的影响。表2为此两种边界条件下频率的比较。可见，对楼板四周进行固结对自振频率产生细微影响，一定程度上增大了竖直方向刚度，增大了自振频率。

图8 板四周固结时第一阶振型图（竖直）

图9 板四周固结时第二阶振型图（竖直）

图10 板四周固结时第三阶振型图（竖直）

表2 不同边界条件下自振频率结果

此外，利用通用有限元软件Ansys和Etabs进行建模，均未对楼板四周进行约束，即仅仅对柱底进行约束。材料参数与Abaqus取值一致。表3为计算的各阶频率。前三阶均为水平方向振型，从第四阶开始为竖直方向振型。使用结构设计软件Etabs求解的模态与通用有限元软件Ansys以及Abaqus计算的模态从第四阶竖直方向模态开始相差较大。而Ansys与Abaqus计算结果表明，仅第四阶频率相近，其余各阶频率均存在差异。前三阶振型见图11。

表3 Ansys与Etabs计算频率

图11 Etabs与Ansys计算前三阶振型图

3 结语

使用Abaqus，Ansys和Etabs软件对青岛体育中心训练馆大跨度楼盖建立了有限元分析建模。对比了三种软件求解出的楼盖振型信息。结果表明，各软件计算的模态不尽相同，即使同为通用有限元软件的Abaqus和Ansys计算的模态也存在较大差异。Etabs软件在高阶振型上计算的结果与通用有限元软件计算的结果相差更加大，计算模态更为稀疏，忽略了诸多模态，不推荐作为重要结构模态分析使用。因此有限元软件建立模型推荐在经过实测模态信息之后进行后续动力响应等的分析。

另外，使用Abaqus有限元模型讨论了楼盖边界条件对结构振型产生的影响。结果表明，在不约束板周边时，结构的前三阶模态出现水平振动模态，从第四阶开始出现竖向振动模态。而在不约束板四周时，水平振动模态消失，最先出现的即为竖直方向振动模态。板四周边界条件对于竖向振型来说影响不大，四周约束少许提高楼盖竖直方向刚度。

[1] 折雄雄，陈 隽．大跨度楼盖振动舒适度研究综述[J］．结构工程师，2009，25(6):144-149．

[2] 王新敏．ANSYS工程结构数值分析[M］．北京:人民交通出版社，2007．