14.3 ETABS结构软件应用
14.3.1 ETABS中文版简介及适用范围
ETABS是美国CSI公司开发的一款建筑结构三维有限元分析国际通用软件。ETABS中文版是在此基础上开发的具有中文界面和中国设计规范的结构分析与设计软件系统。ETABS中文版不仅已全面贯入中国设计规范，同时也集成了美国、加拿大、欧洲及其他大部分国家和地区的结构设计规范，可以完成结构设计工作。
ETABS主要适用于多、高层建筑结构的分析和设计，特别适用于“层”概念清晰的结构体系，可以是混凝土结构、钢结构或混合结构。
14.3.2 ETABS中文版使用常见问题举例
1 快速建立模型的方法。
熟练掌握软件的操作方法和理论技术，是快速建立模型的基础。同时，合理利用已有数据也能加快建模过程。利用已有数据是指读入其它程序生成的数据文件，这可以通过ETABS的“导入”命令实现或开发相关的数据转换工具。ETABS可以直接导入以下一些文件格式：
1)ETABS.e2k文本文件。这是以文本形式保存的ETABS模型文件，其中包含了所有模型信息。如果想批量修改模型中的材料、荷载、构件属性等信息，可以直接以文本方式修改e2k文件中对应的数据，再导入ETABS中，从而实现模型的快速更新。并且，低版本ETABS程序可以通过导入e2k文件夹打开高版本ETABS模型，注意导入前需要修改e2k文件中的版本号信息。
2)DXF文件。DXF是AutoCAD生成的数据格式之一。工程师可以直接将结构平面图或结构三维图的DXF文件导入ETABS中生成初始模型。需要注意的是，导入DXF结构平面图时，由于结构平面图的表达方式和结构分析模型平面布置存在明显差异，一般建议先导入结构平面轴网信息，再在ETABS中绘制结构构件，既提高效率又保证模型的准确性。若结构比较复杂，直接导入大量结构构件，可能因构件节点间存在的误差或导入过程的未知错误，增加模型检查的工作量或导致模型不可用。
3)IFC文件。ETABS提供了基于IFC标准的数据接口，可以实现三维建筑数据的交换，这是致力于跨专业模型数据交互的有益实践，推动BIM在工程中的真正实现。
4)其它格式。例如Revit Structure文件、ProSteel文件、STAAD文件等等，实现了ETABS与国际上其它常用软件间的数据交互。
ETABS与国内常用软件如PKPM的数据交互，主要通过开发相应的转换工具来实现。SATWE toETABS是主要的转换工具之一，使用时的注意事项请参见程序自带的软件说明，或可联系北京金土木软件技术有限公司获取SATWEtoETABS的更新信息。
除了上述提及的数据交互方式，还可以通过基于已创建的ETABS模型数据来简化建模过程。不同工程之间可能存在大量相同的备选材料、备用截面以及工况定义，这些数据在不同的ETABS模型中是可以共享的。只需要在一个已有的ETABS模型中详细添加材料、截面、工况等数据的定义，例如其名称为“AAA.edb”。再次新建模型时，可在新建模型初始化时使用“选择.edb”命令（如图14.3.2-1），然后选择AAA.edb，即可导入相同的材料、截面、工况等数据，无需重新定义。
图14.3.2-1 “选择.edb”命令截图
2 普通楼板和不规则楼板的处理方式有何不同。
普通楼板的主要作用是传递楼面荷载。在ETABS中使用“膜”属性的面对象来模拟常规的楼板形式。程序在分析时，会自动将楼面荷载及楼板自重按双向板的传力模式传递到周边的梁、墙上。工程师在建模时，可以跨越梁、墙来布置楼板，程序会自动在梁、墙处对楼板进行剖分，确保传力路径的准确性。注意，如果梁、墙的平面布置异常复杂，梁格分布极不规则，跨越梁、墙布置的楼板，程序难以自动识别剖分范围，此时建议按各梁格区域小范围地布置楼板。
不规则楼板如楼板局部大开洞、楼板间存在弱连接等情况，楼板尺寸和平面刚度急剧变化，楼板自身的受力状态引人关注。类似的情况还有转换厚板，其自身的变形和受力也是研究重点。这时，在ETABS中应使用“壳”属性的面对象来模拟。程序中，“膜”仅具有平面内刚度，“壳”同时具有平面内、平面外刚度，能更准确反映复杂楼板的受力状态。需要注意的是，“壳”单元剖分的合理性与计算结果的准确性密切相关。人为指定的剖分尺寸要适当，既满足分析精度也不至于使分析规模过于庞大而耗用大量分析时间。另外，注意勾选相关的选项，确保楼板与相邻结构构件具备共用剖分点使之变形协调。ETABS自带的“自动线束缚”功能可以使不同剖分尺寸的面对象在共用边变形协调、传力连续。这些程序内嵌的关键技术是确保计算结果准确的前提保证。
3 对含有剪力墙的结构进行分析时的注意事项。
在ETABS中，剪力墙要使用“壳”属性的面对象来模拟。对于连梁，由于其跨高比较小，也建议使用“壳”模拟。“壳”的剖分尺寸会直接影响到分析精度和分析耗时。一般建议，在进行剪力墙剖分前，先粗略计算一次，检查模型的传力、荷载、质量等数据，结果正常后进行壳对象剖分，分析得到周期、变形、内力等数据，核查无误后再进行设计。对于连梁高度较小的剪力墙，连梁的剖分尺寸一般比墙肢要小，或连梁按照数目进行剖分，以确保剪力墙分析结果的准确性。
图14.3.2-2 墙体应力图(左)墙肢轴力图(右)
在进行剪力墙设计之前，需要为各段墙肢和连梁指定墙肢＼连梁标签(这个操作可以由程序自动完成)，标签的作用实质是为墙肢、连梁内力的统计范围提供标识。程序中，壳单元的分析结果是单元应力(如图14.3.2-2左)，对同一墙肢或连梁的应力进行积分得到单元内力后才能开始构件设计(如图14.3.2-2右)。墙肢和连梁的标签，是赋予构件的设计属性，使程序能相应地进行压弯剪配筋计算。例如，标注为“PW1”的墙肢，会被识别为一个独立的墙肢构件进行压弯设计。所以，在同一楼层中，不同的墙肢构件一定要对应不同的标签。当然，在不同楼层，标签名称相同不会带来问题。初期使用者时常会忽略标签指定，导致ETABS提示剪力墙不能被设计。
4 位移结果异常的原因。
结构总信息文本文件中，会输出各楼层的位移角结果。有时会发现有些结果值异常大，难以解释。这通常是由于模型中存在“空点”造成的，所谓“空点”即在模型中没有和任何结构构件相连的节点，自身没有任何刚度。下面以两个例子简要说明“空点”的形成。
图14.3.2-3是某高层结构顶部若干层的局部三维视图，结构顶部几层的角柱位置发生了变化，采用梁托柱的方式将其位置向内偏移少量距离。这使得角柱竖向不连续。然而，在建模过程中，绘制虚面时很容易忽视这个变化，仍按照下部楼层的平面宽度绘制所有楼层的迎风(或背风)面，导致顶部几层在角部形成若干空点。因而，程序在计算风荷载作用下的位移时，这些空点会导致结果异常。
图14.3.2-4是某超高层结构的一个剖面视图，该结构由于建筑造型的需要，存在较多的悬臂梁和外围斜撑。然而，虚面的绘制是直接在平面视图中进行的，但由于各层平面沿高度存在外扩或缩进的变化，导致相邻楼层平面的外围点上下并不对应。图中所示的“空点”的位置，也是由于虚面绘制不当造成的，同样会导致异常的位移结果。
上述是两个很典型的形成“空点”的实际例子。这些“空点”只从属于虚面却不和任何实际结构构件相连接，刚度为零，但不能直接被删除，从而导致计算结果异常。这提醒我们建模过程的细心和耐心很必要，同时还要选对正确的建模方式。如在布置虚面、虚线前，先清理空点；在缩进楼层或外扩楼层处，采用三维空间视图创建虚面等。以上两个例子风荷载的施加都无需采用绘制虚面的办法，而是直接指定“准刚性隔板”，这样楼板仍保持弹性变形，但程序会自动识别结构平面的实际宽度来计算风荷载的受荷范围。
5 建模完成后，如何有效地检查模型。
模型的合理性会直接影响分析过程能否完成以及分析结果是否有效。ETABS是一款操作灵活、数据开放的软件，程序自身不会设置不必要的“内置假定”或“黑箱操作”，这从另一方面也要求工程师对于分析模型的几何构成、荷载施加以及传力路径有比较清晰的认识。在建立模型的过程中，应避免同几何位置误差、刚度奇异或约束不足而形成病态结构。通过以下三种方法可以检查模型中是否存在引起结构病态的因素。
1)运行“检查模型”命令。检查内容主要包括：检查是否有线重叠或面重叠(构件重叠可能会导致传力不明确、面剖分异常等问题)；检查所有位于设定检查容差范围内的点(距离太近的点很可能是构件搭接存在微小空隙或局部重叠)；面剖分及面荷载传递(剖分异常可能导致楼板的局部振动或生成奇异单元而影响计算精度)。默认情况下，检查模型命令是针对整个模型进行的。对于体量大的复杂模型，运行一次检查模型耗费的时间会比较长。这时，工程师可选择一些可能存在问题的部位，在检查模型对话框中勾选“仅所选对象”，程序会只针对已选择的对象进行检查。检查完毕后，程序会弹出列有错误信息的对话框，并自动将这些信息保存为与模型同名的.wrn文件。错误信息中会提示出现问题的位置(构件编号、几何坐标等)，工程师按此查看。同时程序会自动选择引起错误的构件，在视图中仅显示所选构件，工程师可逐一进行核查、修改。
2)利用模态分析检查结构的刚度和质量分布情况。如果结构模型中存在机构或不稳定因素，通常可以通过前几阶模态反映出来。此时结构的前几阶模态的周期数值会十分异常，且前几阶模态变形通常是明显异常的局部振动，这时工程师应仔细检查相应部位的构件连接关系。
图14.3.2-3 局部竖向构件不连续
图14.3.2-4 某复杂高层剖面
3)查看重力作用下的节点位移结果。有的模型构件数量庞大，特别是复杂的超高层结构，微小的局部振型难以在整体振型变形中突显出来，工程师很难快速找到产生刚度病态的位置。这时检查重力荷载作用下的节点位移，可以帮助工程师快速发现症结。首先通过表格输出重力荷载作用下的节点位移，将其转入Excel，对位移值进行由高到低的排序，排列前几位的即是位移异常的节点，说明这些位置的刚度异常或约束不足，此时应在模型中按节点编号选择这些位置进行核查。
6 带地下室建模时的注意事项。
当地下室顶板满足嵌固部位的刚度要求时，可以使用上部结构的分离模型(图5左)进行分析，其他情况有必要使用带有地下室的完整模型(图14.3.2-5右)进行分析。当使用完整模型时，需要注意修正楼层标高及施加侧向约束。
1)ETABS默认将Base层(底部嵌固位置)的标高设定为±0.000。当使用仅包括上部结构的分离模型时，默认设置与实际情况通常是符合的。但是，当模型中包含地下室时，Base层的标高应该为负值，不再是±0.000，此时应根据实际情况修改此标高值，程序会根据层高信息自动更新全楼标高数据。若不进行修改，错误的标高信息将影响风荷载作用力的计算。
2)通过对地下室施加侧向约束，考虑回填土对结构的约束作用。约束作用的大小与回填土的压缩模量有关，可参考经验取值办法。在ETABS中，可以在地下室侧墙外壁施加点弹簧或者面弹簧模拟侧向约束的作用，当约束作用足够大时，更简便的办法是直接约束地下室侧墙外壁节点的x、y平动自由度。
7 ETABS能实现哪些复杂分析。
1)施工顺序加载。ETABS对每个定义的施工阶段分析一次，每次分析都是在上一次分析的结果基础上进行，从而模拟施工过程中结构刚度、质量、荷载不断变化的过程。每个施工阶段的定是灵活的，可以按楼层划分，也可以按若干构件组划分，工程师根据需要来选择。
2)静力弹塑性分析(Pushover分析)。这是基于性能设计的有力工具。ETABS中有一整套关于Pushover分析的操作流程和结果输出，并且ETABS 2012版增加了关于剪力墙弹塑性性能的模拟方式，使得这项功能更加完善。
3)时程分析。常规的弹性时程分析，是作为反应谱方法的补充，对某些高层建筑进行补充分析和设计，这也是ETABS的分析功能之一。动力弹塑性时程分析，则是一种更加复杂的分析手段，ETABS2012版对于相关的单元模型、材料属性、算法技术、结果输出等关键环节都进行了强化和改进，以满足越来越多复杂结构的动力弹塑性时程分析需求。
4)隔震和消能减震分析。ETABS提供专门的单元模拟隔震器和阻尼器，能方便地实现隔震结构和消能减震结构的分析和设计。在大量的新建或加固改造的工程项目中，ETABS已经得到广泛的使用。
此外，ETABS还可以自动考虑P-△效应对分析结果的影响，可以模拟结构中可能存在的“单拉”或者“单压”构件，可以对建筑之间的碰撞问题进行分析等等。
8 慎重使用转换模型。
采用两个力学模型分析校验时，建议分别在两个软件中独立完成建模分析的过程。通常我们将工程师通过软件操作建立的模型称为对象模型，而软件用于分析的模型称为分析模型，对象模型到分析模型的转换过程是由软件自行完成的，不同软件的分析模型基于的前提假定不同，所以不同软件的转换过程存在差异。不同软件间的模型转换实质是分析模型的转换，转换过程不可避免地会忽略分析模型间潜在的差异，从而影响转换模型在不同软件间的适用性和准确性。所以，不建议使用从其它软件转换而来的模型直接在ETABS中进行分析。如果使用转换模型，工程师应明确了解两个软件的特点和区别，能够判断转换模型的合理性并进行修正。
图14.3.2-5 分离模型(左)完整模型(右)
9 ETABS能否自动绘制施工图。
作为—款国际性软件，ETABS自身并不输出任何国家的施工图。为此，北京金土木软件技术有限公司开发了CksDetailer，作为ETABS的后处理软件，用于绘制结构平法施工图。相对于一些绘图工具箱式的结构施工图绘制软件，CksDetailer有着明显不同的特点。它将重点更多地放在结构设计上，所有操作都是针对结构模型数据进行的，施工图只是结构模型数据的图形化表达而已。在CksDetailer中，用户需要关心的是结构构件对象，而不是点、线、面等图形元素。用户对结构对象所做的每一项调整，都被记录在CksDetailer内部的结构模型数据库中，与之相关联的任何数据都会被相应地修改，从而保持结构数据的统一性和完整性。在设计过程中，CksDetailer完全遵守《建筑抗震设计规范》、《混凝土结构设计规范》、《高层建筑混凝土结构技术规程》等中国的建筑结构设计规范。而且，施工图的呈现方式也严格参照了被广泛采用的建筑图集《混凝土结构施工图平面整体表示方法制图规则和构造详图》(11G101-1)。
14.3.3 中国规范相关参数在ETABS中文版中的实现
1 周期折减系数
当非承重墙体为砌体墙时，高层建筑结构的计算自振周期要进行折减，其折减系数框架结构取0.6-0.7；框剪结构取0.7-0.8；框架-核心筒结构取0.8-0.9；剪力墙结构取0.8-1.0。
在ETABS中提供该系数的输入框。当采用底部剪力法时，在定义QUAKE工况对话框中，可输入该值。当采用振形分解反应谱法时，在定义反应谱函数的对话框中，可输入该值。
2 梁端弯矩调幅系数
在竖向荷载作用下，可考虑框架梁端塑性变形内力重分布，对梁端负弯矩乘以调幅系数进行调幅。现浇框架梁端负弯矩调幅系数可取为0.8-0.9。
ETABS中默认的调幅系数为0.85，并自动进行梁端弯矩调幅，梁跨中弯矩自动按平衡条件增大。若需要人为修改调幅系数，可以在混凝土框架设计覆盖项中修改，修改时需要先选中构件。注意：梁端弯矩应该取用梁端位于柱边处的弯矩值，而不是柱中线处。ETABS是按照柱边处的弯矩值进行调幅的。
3 梁扭矩折减系数
当计算中未考虑楼盖对梁的约束作用时，可以对梁的计算扭矩予以适当折减。梁扭矩的折减系数应根据梁周围楼盖的约束情况确定。
在ETABS中，是否考虑现浇楼盖对梁的约束作用，取决于楼板单元类型的选择。当用于楼板的面单元类型选择为“壳”，并进行适当剖分，计算时则考虑了楼板对梁的约束作用。通常情况下楼板用于“导荷”，单元类型多采用“膜”，这时没有考虑楼板对梁的约束作用，此时需要指定梁扭矩折减系数。该系数位于混凝土框架设计覆盖项中，默认值是1。
4 楼面梁刚度放大系数
现浇楼盖和装配整体式楼盖中，梁的刚度可考虑翼缘的作用予以增大。近似考虑时，应根据梁翼缘尺寸与梁截面尺寸的比例关系确定增大系数的取值，通常现浇楼面的边框架梁取1.5，中框架梁取2.0。对于常规采用“膜”属性模拟楼板的结构是合理的。如楼板采用“壳”进行模拟，且已进行合理的剖分，楼板与框架梁形成整体共同工作，此时，框架梁的刚度不宜再进行放大。
在ETABS中，框架构件的轴向、剪切、弯曲刚度都可以根据需要来进行修正。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010中关于楼面梁考虑翼缘作用的刚度增大，是对梁主抗弯方向的刚度进行增大。在ETABS中，默认情况下梁的主弯矩方向是围绕局部坐标3轴，所以上述楼面梁刚度放大即是增大楼面梁“围绕3轴的惯性矩”。使用ETABS V9及之前的版本时，需要先选中梁构件，再通过命令指定>框架>框架属性修改来实现刚度放大。ETABS 2012版提供了该系数的直接输入框。
5 连梁刚度折减系数
通常，6、7度时可取0.7，8、9度时可取0.5，但不宜小于0.5。
在ETABS中，连梁一般使用”壳”单元模拟，这时需要折减壳刚度f11、f22、f12三项的数值。使用ETABS V9及之前的版本时，需要先选中连梁单元，再通过命令指定＞壳/面＞壳刚度修改来实现刚度折减。ETABS 2012版提供该系数的直接输入框。
6 周期比
在ETABS输出的结构总信息文档中，包含结构周期的信息。判断Tt和T1的数值是依据UX、UY、RZ三个分量质量参与系数的相对大小，更直观的判别办法是动画显示各振型的变形情况。将扭转为主的第一自振周期除以平动为主的第一自振周期，即得到周期比。注意，“平动因子”或“扭转因子”是SATWE中的概念，不能和ETABS里的质量参与系数混淆。两者计算方法不同，不能完全等价。
7 框剪结构中框架部分的地震力调整
在ETABS中，如果“结构体系类型”选择为框剪结构，程序会自动按规范的要求进行框架部分的地震力调整，并在结构总信息文本文件中输出调整结果。在设置结构总体信息时，程序提供了“结构竖向分段数”和各段底层层号的输入，以满足分段调整的需求。注意，在混凝土框架构件的设计覆盖项中有“框剪结构SMF”系数，该项即框架部分的地震力调整系数，其数值完全是按规范计算所得，ETABS没有对该系数设置上限要求。有的情况下，比如剪力墙数量很多而框架柱数量太少导致该系数非常大，这时可以根据实际情况修改此项进行人为调整。
8 位移比
结构平面布置应减少扭转的影响，对此规范给出了对位移比的控制。ETABS的输出文档“结构总信息”包括了位移比结果，用户可根据输出的位移比比值判断是否满足规范要求。ETABS 2012版根据新规范要求的“规定水平地震力”来计算位移比。需要注意的是，规范对位移比的控制是在刚性隔板假定前提下进行的，如果结构模型中没有指定刚性隔板，ETABS不会输出位移比结果。
9 层刚度
结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，相邻楼层的侧向刚度变化应符合规范规定。ETABS的输出文档“结构总信息”包括了层刚度结果，同时输出不规则楼层判断以及相应的地震作用增大系数。
ETABS 2012版按照新规范的要求，提供“楼层地震力/位移” (对框架结构)和“楼层地震力/位移角”(对框架-剪力墙、框架-核心筒等结构)两种计算方法，区分结构体系，选择相应的方法。另外，ETABS还提供了自定义的方式，用户可以通过修改首选项中“不规则楼层数”和“不规则楼层号”来人为指定不规则楼层。
注：若需获取ETABS相关教学录像、功能演示录像、常见问题答疑等技术资料，请访问北京金土木软件技术有限公司主页www.bjcks.com；更多技术信息请访问金土木知识库：http：//wiki.bjcks.com