ETABS深化建模
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结构分析与设计软件ETABS 中文版知识选讲（二）
ETABS 深化建模要点介绍
李立 常弘
(北京金土木软件技术有限公司 100044)
虽然ETABS 提供了面向对象的操作方法来建模，并不要求设计人员对模型本身有非常深入的了解，但是了解软件相关的理论背景（包括广大工程师熟悉的力学知识、数值分析方法、设计规范等）和技术条件（指程序对理论背景的处理方法和实现途径），有助于工程师更准确地建立模型，并客观地评估分析结果。 1 单元的选择和使用
ETABS 的单元库几乎涵盖了所有有限元结构分析的常用单元，包括框架（梁柱）单元、壳体（墙板）单元、弹簧单元、连接单元和塑性铰单元等。 1.1 膜与壳
ETABS 提供了三种面单元类型：壳(具有平面内和平面外刚度)、膜(仅具有平面内刚度)、板(仅具有平面外刚度)。对于面单元类型的选取，一定程度上需要工程师根据工程实际和设计经验来判断。
值得一提的是，膜属性和壳属性的楼板单元，其传递荷载的方式是不同的（图1）。膜可直接将楼面荷载传递到与之相连的梁上，壳则通过与梁相连的剖分点以点荷载的方式传递荷载。对于膜属性的楼板单元，程序会自动剖分。因而，膜可以方便有效地模拟楼板
并起到传递楼面荷载的作用。
图1 膜（上）、壳（下）楼板导荷示意
注意：采用膜属性的楼板时，由于程序默认在梁墙处剖分，在竖向荷载作用下梁和板的变形看上去似乎不协调（图2左）。这是由于梁没有和板连接的共同节点造成的，可以通过进一步的剖分来实现协调（图2右）。但这种不协调的变形并不会影响膜属性的楼板的导荷，更不会带来计算上的错误。
此外，在定义面单元截面厚度时，ETABS 提供了两个参数：膜厚度和弯曲厚度。膜厚度用于计算面单
元的平面内刚度，弯曲厚度用于计算面单元的平面外
刚度。通常情况下，两者数值相等，即等于楼板或墙
体的实际厚度。
图2 竖向荷载作用梁板的变形
1.2 不规则楼板的划分
程序会对膜属性的面对象进行自动剖分，但对于多边形或异形楼板，自动剖分可能会带来一些意想不到的问题（如模型检查出错、精度丢失等），因此建议将不规则的楼板人工划分为若干较规则的四边形。如图3所示的一个规则的结构平面，建模时很容易令人想到将这层的楼板按一个矩形来绘制。但由于梁、墙的布置，在这个规则的平面内形成了若干不规则的板块。这时需要对这些不规则的板块进行处理，可以分
别沿abcf 和cdef 绘制两个四边形来组成这个板块，
也可以绘制虚梁将不规
则的板块分割为若干较规则的四边形。
这样处理有助于程序识别楼板的形状并进行导荷，避免不必要的警告信息。 1.3 转换梁的模拟 壳属性的面单元，除
了可以模拟墙、连梁外，还适宜模拟转换梁。转换梁通常体积较大、应力状态复杂，采用壳来模拟可较清楚地查看细部的应力情况。图4是用壳模拟转换梁的几个例子。
a b c d e
f 图3 不规则楼板的划分
图4 用壳单元模拟转换梁
1.4 自动线约束
自动线约束是一个易被混淆的概念，常被错误地理解为用于面对象和线对象之间的位移协调。其实，自动线约束是用于面对象之间的位移协调。如果在相交界线上面对象网格划分不匹配（图5），沿这些边将形成自动线约束，从而强制协调位移。这是ETABS 软件的一项十分强大而且实用的功能，它使得工程师建模时不需要花大量的时间来考虑网格划分的连续性，只需要考虑结构中实际的对象。通常工程师没有注意到这项功能
的存在，但面对象
网格划分不匹配
的情况是很常见
的，墙和楼板交界
处、转换梁或连梁
与墙交界处等都存在这样的情况。
1.5 结构单元与设计对象
ETABS的建模环境是面向对象的，绘制构件的同时也确定了运算分析后内力输出和设计对象的范围。
对于面对象（剪力墙），程序需要通过标签（程序用于识别构件的名称（ID））来确定内力输出和设计对象的范围。设计时，程序会将同一层内具有相同标签的墙肢或连梁作为一个设计对象。
对于线对象（梁、柱），通过定义测站（一般按默认值即可）来输出控制截面的内力，并且将线对象两个端点确定的范围作为一个设计对象。所以不要轻易将线对象打断，否则一根杆件将会按若干根小杆件来设计，引起不必要的错误。比如，对于某些导入到ETABS中的模型，某些梁经常会被与之相连的构件打断，形成短梁，这时梁的跨高比明显有误，导致设计出现问题，这时应使用连接线命令将应该作为整体来设计的多段短梁合并。
2 模型修正
模型修正是针对某些结构构件或结构本身的一系列特殊指定。这些操作反应了工程师对设计对象的了解和把握，也体现了工程师对结构概念的理解和运用。
2.1 刚性隔板
刚性隔板实质是节点间的平面内变形限制。刚性隔板作为刚体，可以在它自己的平面内平移或绕垂直于该平面的轴转动。刚性隔板假定使得结构体系的自由度明显降低，结构响应的输出也因此变得更加清晰。规范中多项结构控制指标，特别是位移比和周期比的控制，都是基于刚性隔板假定。当然，是否指定刚性隔板依赖于结构平面的规则程度。当没有进行刚性隔板指定时，楼板处于真实的弹性状态。另外，ETABS 允许同一楼层平面内指定不同的刚性隔板，刚性隔板之间用弹性楼板连接，以反映因平面布置不规则引起的剪切变形。ETABS也允许将刚性隔板中间的某点从隔板中脱离，来模拟跨楼层的竖向构件。同时，对于指定了刚性隔板的楼板，程序会在视图中用一个红点来标识本楼层的质心位置。
ETABS V9版本新增了“半刚性隔板”选项。半刚性隔板不会对平面内节点的变形产生限制，楼板仍按弹性楼板计算，但可通过该选项来确定风荷载的施加范围及考虑地震作用的偶然偏心影响。因此，半刚性隔板适用于楼板开大洞等需考虑楼板变形的情况。
图5 相邻面对象剖分不匹配示意图2.2 梁柱的偏心布置
在ETABS中，线对象的偏心布置是使用插入点命令（指定>框架/线>插入点）来实现的。偏心布置完成后，需要通过拉伸显示来查看。在“框架插入点”对话框中有一个复选项——“不转换框架刚度距质心的偏移”。不勾选该项，程序将考虑偏心布置所带来的附加弯矩的影响。需要强调的是，不能在对象属性浮动窗口中输入偏移的距离来绘制偏心布置的梁。偏移绘制使线对象的几何位置发生了变化，线对象将在新位置上形成新的节点。而插入点命令不会造成节点位置的移动，线对象的节点仍在轴线上。
2.3 中梁刚度放大及连梁刚度折减
根据高规5.2.2条，由于不考虑楼板平面外抗弯贡献，楼面梁刚度可增大。在ETABS中，当采用膜属性楼板时，因为膜不具有平面外刚度，因此需要执行这条规定。具体来讲，就是修正梁单元的属性，增大其围绕3轴的惯性矩。另外，根据高规5.2.1条，考虑连梁在地震作用下的耗能作用，可折减连梁的刚度。在ETABS中，推荐用壳单元来模拟连梁，因此折减连梁刚度也就是修正壳单元刚度f11，f22和f12。
2.4 刚域
(a)规范的定义(b)程序默认区域
图6 刚域的范围
ETABS对节
点区的范围是自
动考虑的，默认
状态下节点区假
定为柔性。计算
框架或壁式框架
内力与位移时，高规 5.3.4条考虑了节点区刚域的影响，并提供了节点区刚域范围的计算公式。可以通过指定线单元的端部偏移值，来准确确定高规规定的刚域范围(图6(a))。也可近似采用程序识别的梁柱叠合区作为刚域范围(图6(b))。另外，在设置端部偏移的对话框中有一项“刚域系数”，这里可输入0～1之间的值，0代表完全柔性，1代表完全刚性。
3 荷载计算
3.1 自重乘数
ETABS按照结构的几何尺寸和使用材料的密度自动计算结构自重。在定义静荷载工况时，若设定恒荷载工况中的自重乘数为1，程序自动计算结构自重并将其考虑为恒载。此时输入楼面恒载时，不用再人工输入楼板的自重。
3.2 质量源
ETAB通过设置质量源来获得结构计算地震响应的基本质量信息。给出了质量源的三种定义方法：1)来自自重及指定的质量。这种方法，所有外加的荷载不会转换为结构质量，因而不能直接满足中国规范要求的重力荷载代表值要求。2)来自荷载。此方法是将荷载转化为质量，可以按中国规范规定的重力荷载代表值组合方式来组合荷载，然后由程序转化为质量信息。3)来自自重及指定的质量和荷载。此方法计算的质量是按方法1)、2)求得的质量之和。这时若在定义恒载时仍输入自重乘数为1，会造成结构自重重复计算的错误。一般情况下，推荐采用方法2)以满足中国规范对重力荷载代表值的要求。
3.3 振型计算方法
ETABS的振型分析，同时提供了特征向量法和Ritz向量法两种求解方法，工程师可以根据工程需要选择合适的方法。总体上讲，Ritz向量法在振型分析中考虑了荷载的空间分布状态，是更为准确的方法。当需要在振型分析中使用较少的振型数目而获得足够的质量参与系数时，建议使用Ritz向量法。
3.4 地震荷载
ETABS提供了多种计算地震作用的途径。可以定义QUAKE类型的静荷载工况，并选择Chinese2002，对应中国规范中的底部剪力法。也可以定义反应谱分析工况，即采用振型分解反应谱法。还可以引入地震波数据，采用时程分析方法对结构进行补充计算。
若要考虑双向地震作用，可以在同一个反应谱工况中引入两个方向的反应谱函数。如果还需要考虑偶然偏心，可以直接输入偏心率，程序会在反应谱分析中自动考虑正负偏心两种情况。
对于需要计算竖向地震作用的结构，规范给出了明确的计算方法。在ETABS中，可以采用竖向静荷载法来实现规范要求的计算，即定义一个QUAKE类型的静荷载工况，并选择作用方向为Z。注意需要人工检查构件在设计工况中是否考虑竖向地震作用。3.5 地震波的引入
ETABS允许将任意的地震波数据引入时程分析验算，包括实际采集的地震波、人工构建的地震波、通过修改或其它形式得到的人工波。使用时可以直接调用程序中已有的地震波文件，也可以读入其它的地震波文本文件。此外，通过定义比例系数，程序可以自由地调整地震波峰值来满足规范的要求。注意，时程波数据的单位与ETABS的当前单位制一致。
4 结语
就一些ETABS深化建模的常见问题进行了阐述，旨在帮助广大设计人员了解程序相关的技术条件，从而更准确地建立分析模型，并客观地评估分析结果。
ETABS常见问题汇编详见金土木公司网站：
https://www.360docs.net/doc/b49915932.html,/Software/software_QA.asp?soft_serial=7
第四届海峡两岸及香港钢结构技术交流会将于11月在上海召开
本次会议由同济大学、台湾大学、香港理工大学、中国钢结构协会、中国金属结构协会建筑钢结构委员会、上海市金属结构行业协会联合主办，由《建筑钢结构进展》编辑部承办，将于2006年11月23~24日在上海召开。会议的前三届分别在上海、台北、香港举行，对于促进两岸三地钢结构的研究和应用成果交流与合作起到了积极的作用。本次会议将与2006上海第三届国际钢结构成果展览会同期举行。
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会议将邀请中国大陆、台湾及香港地区的钢结构专家做专题报告，欢迎两岸三地的钢结构专业技术人员参会交流。
会议秘书处：上海四平路1239号同济大学土木大楼A520室联系人：何亚楣陆烨刘玉姝
电话：021-******** 65980251 传真：021-******** 65980250 邮件：steelpro.tongji@https://www.360docs.net/doc/b49915932.html,