ANSYS軟件在中國(guó)土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用前景展望

◎ 青島理工大學(xué) 門(mén) 楷

深圳市建筑科學(xué)研究院 丘國(guó)雄

深圳市大工業(yè)區(qū)開(kāi)發(fā)管理集團(tuán)有限公司 俞 斌

一、前言

工程設(shè)計(jì)是工程建設(shè)的靈魂，設(shè)計(jì)需要依據(jù)有關(guān)規(guī)范進(jìn)行，也需要集成了計(jì)算力學(xué)的結(jié)構(gòu)分析軟件的幫助。在當(dāng)今CAD、CAM、CAE技術(shù)迅速發(fā)展的今天，功能強(qiáng)大的有限元分析軟件，已成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員必不可少的工具和手段。

我國(guó)現(xiàn)有的工程建設(shè)設(shè)計(jì)企業(yè)有1.2萬(wàn)家，施工企業(yè)6萬(wàn)多家，每年完成約1.5萬(wàn)多億元的工程量。這些設(shè)計(jì)和施工企業(yè)要用有關(guān)軟件完成任務(wù)。我國(guó)有1500多所高校，這些高校設(shè)有土木工程、水利、道橋、巖土工程等專(zhuān)業(yè)。這些專(zhuān)業(yè)有碩士生、博士生，要用有關(guān)軟件完成科研和學(xué)習(xí)任務(wù)。我國(guó)還有如中國(guó)建研院、水科院、鐵道研究院和各種研究所等研究機(jī)構(gòu)，這些研究機(jī)構(gòu)也需要有關(guān)軟件。

絕大多數(shù)工程結(jié)構(gòu)的分析用解析法難以完成，工程實(shí)踐驗(yàn)證，數(shù)值分析方法中的有限元法是最為有效、最為優(yōu)越的方法，因此有限元分析軟件就成為上述工程設(shè)計(jì)企業(yè)、高校、科研院所必不可少的工具。

我國(guó)的有限元分析軟件數(shù)量很少，功能有限，而且價(jià)格昂貴[1]。國(guó)際上著名的有限元分析軟件中，經(jīng)過(guò)工程實(shí)踐的檢驗(yàn)，ANSYS軟件是最優(yōu)秀的軟件之一。

本文論述了ANSYS軟件的特色，概括了其在中國(guó)土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用情況；并依此對(duì)ANSYS軟件與中國(guó)規(guī)范的結(jié)合、與國(guó)內(nèi)外相關(guān)軟件的連接和在工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析中前瞻性的應(yīng)用等方面的前景進(jìn)行了展望。

二、回顧

2.1 ANSYS軟件的主要特色[2]

1.ANSYS軟件在性能價(jià)格比、數(shù)據(jù)與圖形交換性、單元庫(kù)、材料庫(kù)、求解器庫(kù)等方面與世界其它大型有限元分析軟件相比，都是最優(yōu)越的。

ANSYS的價(jià)格略高于ALGOR、COSMOS/M等軟件；數(shù)據(jù)與圖形交換性方面優(yōu)于ALGOR、COSMOS/M等軟件；在18個(gè)單元庫(kù)中，ALGOR、COSMOS/M缺少接觸單元、奇異單元和摩擦單元；在八個(gè)材料庫(kù)中，ALGOR缺少粘彈性材料，COSMOS/M缺少混凝土材料；在15個(gè)求解器中，ANSYS缺少管道分析和剛體動(dòng)力學(xué)分析，ALGOR缺少斷裂分析和疲勞分析，COSMOS/M缺少斷裂分析、疲勞分析、隨機(jī)振動(dòng)分析和剛體動(dòng)力學(xué)分析。

2.能求解1.11億自由度的結(jié)構(gòu)分析模型。中國(guó)國(guó)家大劇院的靜力分析只有10萬(wàn)個(gè)自由度，可見(jiàn)ANSYS計(jì)算能力的強(qiáng)大。這就能夠模擬巨型復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)的分析，能夠?qū)嵤┖軓?fù)雜結(jié)構(gòu)的仿真技術(shù)。

3.在重慶維普期刊類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以關(guān)鍵詞搜索，自1989年以來(lái)，關(guān)于ANSYS的論文有1813篇，其中在工程結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析方面占相當(dāng)大的比例。MIDAS/GEN的有122篇，ALGOR的有26篇，ETABS的有10篇，SAP2000的有19篇，STAAD的有4篇，SAP84的有6篇，SATWE的有39篇。在清華同方數(shù)據(jù)庫(kù)中，其論文數(shù)分別為668，32，6，4，4，2，2，13?？梢?jiàn)，軟件ANSYS已被廣泛應(yīng)用，已受到工程界、學(xué)術(shù)界的認(rèn)定和青睞。

4.ANSYS7.0文件的大小，文件的個(gè)數(shù)，文件夾的數(shù)目分別為479M，4408個(gè)，129個(gè)；MIDAS/GEN分別為245M，311個(gè)，10個(gè)；STAAD-CHINA分別為258M，1個(gè)，PKPMCAD分別為239M，236個(gè)，13個(gè)?？梢?jiàn)ANSYS文件之大，文件和文件夾的數(shù)目之多。

5.ANSYS應(yīng)用于結(jié)構(gòu)分析、電磁場(chǎng)分析和流體動(dòng)力學(xué)分析等領(lǐng)域，形成了MCAE、CFD、CEM等三個(gè)體系，其精髓是“多物理場(chǎng)耦合分析”和“協(xié)同仿真環(huán)境”

6.ANSYS廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)、造船、鐵道、電子、機(jī)械制造、地礦、水利、核能、石化、生物、醫(yī)學(xué)、土木工程、輕工和一般工業(yè)等行業(yè)。廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)、科研和高校等部門(mén)。

7.ANSYS在土木工程行業(yè)的應(yīng)用已擴(kuò)展到各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力、靜、動(dòng)力特性等的分析，各種建筑結(jié)構(gòu)——高層建筑、廠房結(jié)構(gòu)、空間結(jié)構(gòu)、構(gòu)筑物等結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力分析，大壩等水利工程、橋梁、地下結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力分析，場(chǎng)地土的地震反應(yīng)分析，工程結(jié)構(gòu)的可靠度分析，工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析等。

8.二次開(kāi)發(fā)的工作已經(jīng)展開(kāi)。ANSYS有很好的二次開(kāi)發(fā)工具，如MACRO、UILD、UPFS和APDL等。上?，F(xiàn)代建筑集團(tuán)有限公司等設(shè)計(jì)企業(yè)，大連理工大學(xué)、清華大學(xué)等高校，許多設(shè)計(jì)、高校、科研等單位在應(yīng)用ANSYS時(shí)都進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)的工作。

2.2 中國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)分析的主要要求和軟件的應(yīng)用

中國(guó)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)分析均有著明確的要求。建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GBJ50011—2002[3]等規(guī)范給出了具體的彈塑性層間位移角限值，也規(guī)定了在罕遇地震作用時(shí)“應(yīng)”和“宜”進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算的結(jié)構(gòu)范圍和彈塑性變形計(jì)算的方法，同時(shí)指出，計(jì)算模型的建立應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況，計(jì)算軟件的技術(shù)條件應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)采用不少于兩個(gè)不同的力學(xué)模型等。

結(jié)構(gòu)的彈性分析采用T A T、SATWE、SAP84和ETABS、SAP2000、SATWE、MIDAS/GEN、STAADCHINA等軟件，一般建筑結(jié)構(gòu)可以滿(mǎn)足要求[4]。如上海環(huán)球金融中心，設(shè)計(jì)單位用軟件ETABS、SATWE進(jìn)行彈性計(jì)算。超高限建筑審查用ETABS、SAP2000、SATWE、和MIDAS/GEN計(jì)算。但均未給出彈塑性層間位移角的數(shù)值和薄弱層的計(jì)算結(jié)果。

彈性結(jié)構(gòu)的地震作用和作用效應(yīng)的計(jì)算，最一般的情況是在雙向地震作用下雙向偏心結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)耦聯(lián)計(jì)算（CQC法），同時(shí)考慮樓板變形的影響及剪力墻結(jié)構(gòu)為板殼模型，還考慮角柱、鉸接柱、不調(diào)幅梁、連梁、餃接梁等特殊構(gòu)件以及考慮多塔、錯(cuò)層、轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)；材料可以是鋼及型鋼混凝土、鋼管混凝土等。SATWE，SAP84和STAADⅢ，SAP2000 、ANSYS等軟件可以滿(mǎn)足要求，其中ANSYS功能最為強(qiáng)大。

彈塑性分析采用EPDA、NTAMS、HBFA(清華大學(xué))和CANNY99（新加坡），ANSYS等軟件[4]，其中ANSYS功能最為強(qiáng)大。

2.3 擴(kuò)展性的應(yīng)用已很普遍

在土木工程的各個(gè)行業(yè)、各種結(jié)構(gòu)和各種課題中，ANSYS都已得到廣泛的應(yīng)用，下面舉例說(shuō)明。

1.各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力、靜、動(dòng)力分析

高軸壓比高強(qiáng)混凝土框架柱單調(diào)荷載-位移關(guān)系曲線(xiàn)的分析[5]。混凝土采用SOLID65實(shí)體單元，鋼筋采用LINK8空間桿單元，鋼筋與混凝土的粘結(jié)采用線(xiàn)性彈簧單元COMBIN14。經(jīng)過(guò)分析，明確了軸壓比、箍筋形式、混凝土強(qiáng)度及截面形式等因素對(duì)軸壓比限值的影響，從而確定出各種情況下，柱的軸壓比限值。

洪家渡水電站廠房矩形鋼管混凝土疊合柱的抗震分析；爆炸荷載作用下箱形鋼板-鋼筋混凝土組合梁的數(shù)值分析；鋼-混凝土組合梁的變形及滑移有限元分析；部分剪力連接鋼-混凝土組合梁的非線(xiàn)性有限元分析及方鋼管混凝土框架梁柱節(jié)點(diǎn)的抗震分析等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的分析，都取得了很好的效果。

2.高層建筑的結(jié)構(gòu)分析

上海21世紀(jì)中心大廈，采用ANSYS進(jìn)行了靜、動(dòng)力整體分析[6]。該工程是ANSYS應(yīng)用于國(guó)內(nèi)高層建筑結(jié)構(gòu)分析較早的工程。它將ETABS建立的模型數(shù)據(jù)，通過(guò)ANSYS-ETABS轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換為ANSYS計(jì)算用的數(shù)據(jù)。并且對(duì)該工程的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)用ANSYS進(jìn)行了更為精確的分析。大連國(guó)際貿(mào)易中心大廈用ANSYS進(jìn)行了Push-over分析，但未見(jiàn)分析結(jié)果。

3.大跨空間結(jié)構(gòu)的分析

中國(guó)國(guó)家大劇院采用ANSYS進(jìn)行了豎向荷載下的靜力分析[7]、自振特性分析和超級(jí)橢球頂?shù)姆€(wěn)定性分析。其它如鄭州國(guó)際會(huì)展中心展廳的鋼屋蓋的動(dòng)力特性分析[8]，索膜結(jié)構(gòu)的ANSYS分析；板殼結(jié)構(gòu)的有限元解法；平板型網(wǎng)架結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)的A NS YS分析等，都采用了ANSYS軟件。

4.廠房結(jié)構(gòu)的分析

用ANSYS對(duì)某水電站廠房壩段進(jìn)行抗震分析-諧響應(yīng)分析、模態(tài)計(jì)算和反應(yīng)譜分析，并進(jìn)行了地震時(shí)廠房結(jié)構(gòu)與機(jī)組振動(dòng)的共振校核[9]。還有廠房框架模型空間作用的ANSYS建模分析[10]，采用SOLID45單元組建三維實(shí)體模型，進(jìn)行3D仿真分析，分析得到的廠房框架的空間作用特性與模型試驗(yàn)的結(jié)果基本一致。

5.構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)分析

河南省大召營(yíng)高型變電構(gòu)架的動(dòng)力特性分析[11]。變電站屬于抗震設(shè)防的生命線(xiàn)工程。分析變電構(gòu)架的動(dòng)力特性對(duì)于變電站的抗震設(shè)防至關(guān)重要。用ANSYS對(duì)大召營(yíng)高型變電構(gòu)架的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，構(gòu)架的鋼柱采用三維管單元PIPE16，格架式鋼梁采用三維梁?jiǎn)卧狟EAM4，RC構(gòu)架梁和支撐構(gòu)件采用三維空間梁?jiǎn)卧狟EAM44，鋼筋拉桿采用拉索單元LINK10，采用子空間迭代法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，基本明確了構(gòu)架的動(dòng)力特性-自振頻率和振型特征。

6.隔震和消能減震結(jié)構(gòu)的分析

隔震和消能減震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析，一般采用彈塑性時(shí)程分析方法。有關(guān)的計(jì)算參數(shù)應(yīng)符合隔震和消能設(shè)施的實(shí)際力學(xué)性能。

用ANSYS對(duì)廣州潮汕星河大廈消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元時(shí)程分析[12]。該工程為25層，框-筒結(jié)構(gòu)。梁、柱均采用三維空間梁?jiǎn)卧狟EAM188；剪力墻和樓板采用三維板殼單元SHELL63。阻尼器用阻尼單元模擬，其剛度和阻尼由試驗(yàn)確定。分析結(jié)果，最大層間位移為1/160，滿(mǎn)足規(guī)范要求的1/100。該工程是用ANSYS對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析的典型實(shí)例。其它如橡膠墊隔震支座的彈塑性分析；多層框架基礎(chǔ)隔震體系非線(xiàn)性地震反應(yīng)分析及隔震橡膠防護(hù)擋塊的非線(xiàn)性有限元分析等，均采用ANSYS軟件。

7.橋梁結(jié)構(gòu)分析

用ANSYS分析各種類(lèi)型的橋梁結(jié)構(gòu)，其實(shí)例是很多的。應(yīng)該說(shuō)，用ANSYS分析橋梁結(jié)構(gòu)已得到很廣泛的應(yīng)用。

●黃河下游特大型公路斜拉橋用ANSYS進(jìn)行全橋仿真分析，明確了該橋的動(dòng)力特性和抗震性能。

●重慶奉節(jié)長(zhǎng)江公路大橋-雙塔雙索面予應(yīng)力混凝土斜拉橋的地震反應(yīng)分析[13]。該橋全長(zhǎng)893m，主跨長(zhǎng)460m，主梁采用予應(yīng)力混凝土梁板式結(jié)構(gòu)。梁寬20.5m，用ANSYS對(duì)該橋進(jìn)行了大橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和三維地震動(dòng)作用下的彈性時(shí)程分析，分析結(jié)果，得到了彈性結(jié)構(gòu)的地震位移和內(nèi)力的反應(yīng)。

●廣州大橋主橋的三維空間實(shí)體有限元靜力分析。箱梁非線(xiàn)性3-D實(shí)體單元采用S O L I D 4 5，橫隔板采用SHELL63單元，主橋支座采用鏈桿約束。整體仿真分析模型的單元總數(shù)控制在5.0萬(wàn)個(gè)以?xún)?nèi)。靜力分析與靜載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，撓度和應(yīng)變等數(shù)據(jù)比較一致。

大橋還用ANSYS進(jìn)行了三維空間實(shí)體有限元?jiǎng)恿Ψ治?，主梁和橋墩均采用三維的梁?jiǎn)卧狟EAM188。經(jīng)過(guò)分析，明確了大橋結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

●廣東崖門(mén)大跨度斜拉橋風(fēng)致抖振的時(shí)域分析，考慮了幾何非線(xiàn)性、材料非線(xiàn)性和氣動(dòng)力非線(xiàn)性等各種頻域法所不能考慮的因素，采用ANSYS分析，得到橋梁主梁在風(fēng)載作用下的位移響應(yīng)時(shí)程，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果幾乎完全一致。該項(xiàng)分析對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)很有意義。

用ANSYS進(jìn)行分析的還有湖南茅草街大橋主橋的地震反應(yīng)、攀枝花陶家度金沙江大橋的穩(wěn)定性、上海趙家溝雙提籃系桿拱橋的錨下局部應(yīng)力、某上承式鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力特性、某原油碼頭大跨度鋼引橋的力學(xué)性能等。

ANSYS在橋梁結(jié)構(gòu)分析中應(yīng)用的一個(gè)顯著的特點(diǎn)是二次開(kāi)發(fā)。使用二次開(kāi)發(fā)的工具，對(duì)ANSYS軟件不具備而橋梁設(shè)計(jì)所需要的功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)。如活載加載、予加應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)-混凝土的徐變收縮、混凝土的彈性模量、鋼絞線(xiàn)的松弛、予加應(yīng)力束的生成等。又如應(yīng)用二次開(kāi)發(fā)工具-UILD、TCL/TK，經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)，用ANSYS對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的建模。再如，經(jīng)過(guò)二次開(kāi)發(fā)，對(duì)斜拉橋進(jìn)行非線(xiàn)性分析，考慮斜拉橋非線(xiàn)性分析的主要影響因素-垂度效應(yīng)、大變形效應(yīng)和彎矩與軸力的組合效應(yīng)等。

8.大壩結(jié)構(gòu)分析

●云南瀾滄江漫灣電站壩體應(yīng)力場(chǎng)的有限元分析，壩體為混凝土重力壩。按平面變形模型分析，壩基高度約為壩體高度，壩基長(zhǎng)度為壩體寬度的5倍。依據(jù)壩體原型觀測(cè)實(shí)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，采用ANSYS軟件，在自重、水壓力作用下，對(duì)壩體應(yīng)力場(chǎng)作有限元分析。分析結(jié)果表明，壩體發(fā)生變形最大的部位在壩頂，應(yīng)力、應(yīng)變最大的部位在壩趾和壩踵，應(yīng)力集中現(xiàn)象十分突出。

●福建某拱壩體型的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，壩高90m,壩體水平拱圈曲線(xiàn)為拋物線(xiàn)，用ANSYS軟件的APDL優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以壩體體積最小為目標(biāo)函數(shù)，以壩體的拉壓應(yīng)力水平為控制條件。經(jīng)過(guò)優(yōu)化分析，得到拱冠梁沿拱高度的厚度和拋物線(xiàn)的曲率半徑。最優(yōu)設(shè)計(jì)時(shí)的壩體壓應(yīng)力已達(dá)到最大允許值，優(yōu)化結(jié)果比較滿(mǎn)意。

●遼寧沙牌拱壩的地震動(dòng)應(yīng)力分析。拱壩為碾壓混凝土壩，按振型分解反應(yīng)譜法，用ANSYS軟件，以三維地震動(dòng)輸入，對(duì)拱壩進(jìn)行彈性地震反應(yīng)分析，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確、合理。

●新疆福?？h喀拉塑克水庫(kù)碾壓混凝土重力壩的非線(xiàn)性有限元靜、動(dòng)力分析，壩高122.5 m，壩頂寬10.0 m，壩頂總長(zhǎng)620.0 m，其基本剖面為三角形。分析時(shí)壩基高度和上下游方向?qū)挾染胃叩膬杀?，為平面變形模型。靜力分析采用線(xiàn)彈性和理想彈塑性材料模擬。動(dòng)力分析采用振型分解反應(yīng)譜法。

用ANSYS對(duì)大壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析的實(shí)例還有很多，如張家界寶峰湖拱壩的有限元分析等。

在結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力、施工模擬等方面也有很多用ANSYS分析的工程實(shí)例。

三、前景展望

對(duì)ANSYS軟件在與中國(guó)規(guī)范的結(jié)合、與國(guó)內(nèi)外相關(guān)軟件的連接和工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的彈塑性時(shí)程分析的應(yīng)用及前瞻性的應(yīng)用等方面的前景，進(jìn)行展望。

3.1 進(jìn)一步與中國(guó)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范結(jié)合

目前，金土木對(duì)ETABS、SAP2000的漢化和與中國(guó)規(guī)范的結(jié)合較好，ATAAD/CHINA也有美國(guó)規(guī)范版和中國(guó)規(guī)范版。ANSYS在中國(guó)設(shè)計(jì)單位的應(yīng)用，需要在荷載組合、截面設(shè)計(jì)等方面按中國(guó)規(guī)范計(jì)算。

3.2 進(jìn)一步與有關(guān)軟件連接

有些結(jié)構(gòu)分析的模塊有其特色，如混凝土異形柱的截面計(jì)算，天津大學(xué)有著深入的試驗(yàn)研究并且編有程序CSRC，目前異形柱的內(nèi)力計(jì)算用SATWE，截面計(jì)算用CSRC，二者接力計(jì)算較好。也可用ANSYS進(jìn)行內(nèi)力和位移計(jì)算，截面計(jì)算用CSRC。又如ETABS、STAAD/CHINA、MIDAS/GEN等軟件，有些用戶(hù)使用較早，用這些軟件建模后，也可與ANSYS軟件連接，用兩個(gè)以上的軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析對(duì)比，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師更能把握和使用結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果。

3.3 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的彈塑性時(shí)程分析仍為重點(diǎn)。

中國(guó)是一個(gè)多地震的國(guó)家。工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)關(guān)系著工程結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)的重大問(wèn)題。地震區(qū)的各種工程結(jié)構(gòu)需進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，它是一個(gè)涉及面很廣的問(wèn)題。中國(guó)規(guī)范的抗震設(shè)防思路是“三水準(zhǔn)地震，二階段設(shè)計(jì)”，就是“小震不壞，大震不倒”，重點(diǎn)是保證大震不倒。因此，工程結(jié)構(gòu)地震時(shí)的彈塑性分析，就顯得十分必要和重要。目前工程界對(duì)Push-over方法很是青睞；但我們認(rèn)為Push-over分析法畢竟是單調(diào)加載，它與地震時(shí)結(jié)構(gòu)的反應(yīng)尚有很大的區(qū)別；它難以反映強(qiáng)震時(shí)結(jié)構(gòu)的地震破壞規(guī)律。因此，罕遇地震下結(jié)構(gòu)地震彈塑性反應(yīng)的時(shí)程分析方法是結(jié)構(gòu)抗震分析的基本方法。能否實(shí)現(xiàn)這個(gè)方法，取決于有關(guān)軟件的功能。ANSYS軟件能夠完善地完成這種分析。并且能創(chuàng)造性地完成各種結(jié)構(gòu)（如核電站）地震反應(yīng)的彈塑性時(shí)程分析。

結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的彈塑性時(shí)程分析方法的關(guān)鍵是采用符合結(jié)構(gòu)構(gòu)件或單元結(jié)構(gòu)（層結(jié)構(gòu)）實(shí)際的地震破壞機(jī)理的恢復(fù)力特性模型。一般成熟的在工程實(shí)踐中證明有效的恢復(fù)力特性模型，國(guó)內(nèi)外已有很多。對(duì)于特殊的結(jié)構(gòu)構(gòu)件或單元結(jié)構(gòu)（如混凝土異形柱、短肢剪力墻、型鋼混凝土剪力墻等組合構(gòu)件、特殊的結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)、隔震橡膠墊等）的恢復(fù)力特性模型需要通過(guò)試驗(yàn)獲得。以ANSYS的強(qiáng)大功能，可以代替費(fèi)用昂貴的試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)仿真分析獲得往復(fù)荷載下構(gòu)件的滯回曲線(xiàn)和恢復(fù)力特性模型。這是ANSYS軟件一個(gè)優(yōu)越性。

專(zhuān)家學(xué)者曾經(jīng)指出，抗震設(shè)計(jì)可按“三水準(zhǔn)地震，三階段設(shè)計(jì)”，更能保證工程結(jié)構(gòu)的抗震性能[4]。其目的是分析抗震結(jié)構(gòu)在三水準(zhǔn)地震時(shí)，既能檢驗(yàn)小震不壞，中震可修和大震不倒，又能控制結(jié)構(gòu)出現(xiàn)必要的耗能機(jī)制，保證抗震結(jié)構(gòu)的延性性能，對(duì)此ANSYS軟件也是能夠?qū)嵤┑?。不過(guò)中間多了一個(gè)中震時(shí)結(jié)構(gòu)的抗震分析。

3.4 結(jié)構(gòu)分析中疑難問(wèn)題的解決

巖土工程、地下結(jié)構(gòu)，耦合結(jié)構(gòu)，風(fēng)工程等的分析比較復(fù)雜，分析中存在的難度較大，期望得到ANSYS的進(jìn)一步解決。

3.4.1 巖土工程的分析

1.地基沉降的計(jì)算

中國(guó)規(guī)范規(guī)定的地基變形計(jì)算方法是按土體為線(xiàn)彈性理論用壓縮模量計(jì)算。這個(gè)方法計(jì)算的地基變形與載荷試驗(yàn)的地基變形存在著幾倍的誤差和剪力型錯(cuò)誤，長(zhǎng)安大學(xué)焦五一創(chuàng)建的弦線(xiàn)模量法計(jì)算軟土地基和黃土地基的濕陷變形與實(shí)測(cè)值很接近，用該方法計(jì)算分析了加拿大特朗斯康谷倉(cāng)傾斜的情況和比薩斜塔的傾斜及提出的反壓治理方案，驗(yàn)證了弦線(xiàn)模量法的準(zhǔn)確性。

巖土工程界認(rèn)為，由于土的本構(gòu)模型中的有關(guān)土性參數(shù)與實(shí)際存在差異，幾百個(gè)土的本構(gòu)模型在土工分析中難以應(yīng)用。因此土工分析的計(jì)算機(jī)方法還存在很多難題，有待相關(guān)軟件的研發(fā)[14]。

2.場(chǎng)地地震反應(yīng)的分析

場(chǎng)地地震反應(yīng)分析是一個(gè)復(fù)雜的土動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，運(yùn)用ANSYS的二次開(kāi)發(fā)工具APDL，引入多次透射邊界，進(jìn)行場(chǎng)地地震反應(yīng)的分析，可以較為準(zhǔn)確的模擬場(chǎng)地的無(wú)限性[15]。

3.土與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用分析

考慮土-結(jié)構(gòu)相互作用的高層建筑抗震分析[16]。結(jié)構(gòu)為12層RC框架,箱形基礎(chǔ)和樁筏基礎(chǔ)兩個(gè)方案,計(jì)算區(qū)域和人工邊界的施加,分為4種情況：10倍橫向結(jié)構(gòu)（自由邊界），10倍橫向結(jié)構(gòu)(粘-彈性邊界)，10倍橫向結(jié)構(gòu)（粘性邊界），30倍橫向結(jié)構(gòu)(自由邊界)?？v向取5倍縱向結(jié)構(gòu)尺寸,邊界為自由邊界。土體動(dòng)力本構(gòu)模型采用等效線(xiàn)性模型中的Davidenkov模型的土骨架曲線(xiàn)，在三維波的傳播問(wèn)題中，邊界面上要施加3個(gè)方向的邊界元件,邊界的法線(xiàn)方向需施加阻尼器,切線(xiàn)方向施加并聯(lián)的阻尼器和線(xiàn)性彈簧。考慮了0.1G、0.5G、1G、2G和5G等五個(gè)動(dòng)剪切模量。考慮不同基礎(chǔ)深度3.5m、6m、8m、12.8m和不同基礎(chǔ)形式及上部結(jié)構(gòu)剛度等五個(gè)方面對(duì)體系地震反應(yīng)的影響。分析結(jié)果表明，粘-彈性人工邊界可較好的模擬無(wú)限域土體。軟土對(duì)地震起隔震作用,硬土對(duì)地震起放大作用,隨著上部結(jié)構(gòu)剛度的增加,上部結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)和加速度反應(yīng)基本上呈增加趨勢(shì).

文獻(xiàn)[17]指出了ANSYS軟件在土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用中的接觸單元只反映了接觸單元的力和位移的關(guān)系，而未考慮基礎(chǔ)單元實(shí)際存在的能量損耗。文獻(xiàn)對(duì)工程研究中常用的Goodman 接觸單元增加了阻尼矩陣，以考慮接觸單元的能量損耗，并分析了四層RC框架結(jié)構(gòu)與樁-土共同作用的地震反應(yīng)分析。分析結(jié)果得到框架頂層在不同地震動(dòng)0.15g，0.12g，0.3g工況下，接觸單元有阻尼和無(wú)阻尼時(shí)的彎矩、剪力和水平位移等。分析只按平面框架模型，并只限于彈性結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)指出對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的土-基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用問(wèn)題的分析還有賴(lài)于土-基礎(chǔ)界面性狀的實(shí)驗(yàn)研究和尋求合適的土-基礎(chǔ)界面的動(dòng)力本構(gòu)模型。

用ANSYS分析這類(lèi)結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例也很多?？梢钥闯?，土-基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用的分析，其關(guān)鍵在于土性參數(shù)的取用要有充分的依據(jù)。壓水堆的分析模型如圖1；樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用體系的簡(jiǎn)化模型如圖2。

3.4.2 地下結(jié)構(gòu)的分析

用ANSYS分析地下結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例也很多。

●北京地鐵天安門(mén)西站至復(fù)興門(mén)站區(qū)間隧道的地震反應(yīng)分析[18]。有限元計(jì)算的橫向范圍取地下結(jié)構(gòu)直徑的5～6倍，本模型橫向?qū)挾热?40m，底板距基巖40m，埋深40m，隧道尺寸為寬25m，高8m。用ANSYS的接觸單元實(shí)現(xiàn)接觸分析，地震波的輸入，一是用FLUSH程序?qū)⒌孛婕铀俣葧r(shí)程曲線(xiàn)反演到基巖，二是人工邊界選取精確邊界還是局部邊界？前者雖然精確，但運(yùn)算量大，成本高，后者有良好的實(shí)用性，且能滿(mǎn)足一般工程的精度要求，經(jīng)過(guò)分析，自由場(chǎng)的周期為1.475S，存在結(jié)構(gòu)時(shí)的周期為1.3154S，算出了結(jié)構(gòu)各部位的地震位移和應(yīng)力反應(yīng)。

●地下埋管的靜力分析，用ANSYS計(jì)算地下埋管的應(yīng)力，按平面變形模型。土體寬度取7D（管孔外徑），高度取4D+H（H為填土厚度）。土體按照彈性介質(zhì)考慮。管壁環(huán)向應(yīng)力，用ANSYS計(jì)算結(jié)果比按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法和邊界單元法計(jì)算的略大。

●宜萬(wàn)線(xiàn)某三線(xiàn)車(chē)站隧道，采用荷載結(jié)構(gòu)模式用ANSYS計(jì)算兩次襯砌內(nèi)力。二次襯砌用BEAM3單元，二次襯砌與初襯之間的相互作用，用LINK10單元模擬，按平面變形模型，計(jì)算出二次襯砌的軸力和彎矩。

圖1 壓水堆結(jié)構(gòu)的分析模型

圖2 樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用體系的簡(jiǎn)化模型

●某地鐵車(chē)站的地震響應(yīng)有限元分析。車(chē)站為三層框架，影響地鐵車(chē)站地震反應(yīng)的主要因素是襯砌厚度和埋深。結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱(chēng)，計(jì)算模型取結(jié)構(gòu)的一半。結(jié)構(gòu)埋深為20m，下底板到邊界取20m，右邊墻到邊界取70m，右邊界采用人工邊界。文獻(xiàn)指出，三維模擬與地震波的非穩(wěn)態(tài)輸入將是今后地下結(jié)構(gòu)分析研究的方向。

●湖北宜昌市宜都縣殷家隧道施工過(guò)程的有限元分析。隧道為雙聯(lián)拱隧道，高5m，寬9.75m，按平面變形模型，用ANSYS5.7對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行有限元分析，圍巖計(jì)算范圍為上復(fù)巖層厚60m，底部取3.5倍隧道高度，水平寬度取隧道開(kāi)挖寬度的7倍（約70m）,圍巖及隧道襯砌結(jié)構(gòu)均采用PLANE42單元，共劃分為2059個(gè)單元。圍巖土體材料的本構(gòu)方程采用Druker—prager彈塑性本構(gòu)模型分析結(jié)果。得到地表沉降、拱項(xiàng)位移、襯砌應(yīng)力分布。分析結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果有一定差距，這也顯示了地下結(jié)構(gòu)分析問(wèn)題的復(fù)雜性和不確定性因素。

●隧道地層變位的可靠性分析。影響地層變位的主要因素是襯砌和圍巖材料的力學(xué)指標(biāo)。在可靠性分析中，作用效應(yīng)組合與抗力均為隨機(jī)變量。利用ANSYS內(nèi)置的蒙特卡洛模擬法模擬出地層變位的統(tǒng)計(jì)特性，以計(jì)算結(jié)構(gòu)的可靠度或可靠指標(biāo)。計(jì)算模型為二維平面模型，取隧道的一半，計(jì)算范圍為上復(fù)巖土16.0m，隧道底巖層取洞徑的3倍，水平方向一側(cè)寬度取洞徑寬度的6倍。圍巖材料的本構(gòu)模型取Drucker—prager模型。隧道襯砌結(jié)構(gòu)及圍巖采用PLANE42單元，用ANSYS分析隧道在開(kāi)挖過(guò)程中發(fā)生的非線(xiàn)性變形特性，地表下挖控制在30mm以?xún)?nèi)。分析結(jié)果，搞清了隧道地層變位的可靠性。

●水工鋼筋混凝土隧洞的ANSYS有限元分析。建立鋼筋混凝土隧洞的分析模型，襯砌結(jié)構(gòu)的混凝土用solid65單元，鋼筋敷設(shè)于洞壁內(nèi)部1/3厚度的混凝土單元內(nèi)?？紤]鋼筋與混凝土間無(wú)相對(duì)滑移。圍巖取6倍的洞徑作為計(jì)算范圍，圍巖分為開(kāi)裂區(qū)（與襯砌相連）與完整區(qū)，開(kāi)裂區(qū)采用solid65單元，完整區(qū)采用solid73單元，6倍洞徑外巖石作為計(jì)算模型的彈性支撐-彈性連桿，采取Combin14彈簧單元。分析結(jié)果驗(yàn)算了襯砌結(jié)構(gòu)中鋼筋的實(shí)際應(yīng)力小于鋼筋的允許限裂應(yīng)力。鋼筋混凝土隧洞中混凝土開(kāi)裂寬度小于限裂寬度（0.2mm）。

3.4.3 耦合作用的分析

高層建筑的幕墻結(jié)構(gòu)是連接于高層建筑主體結(jié)構(gòu)上，地震時(shí)主體結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)，幕墻結(jié)構(gòu)隨著主體結(jié)構(gòu)的震動(dòng)而震動(dòng)；火力發(fā)電廠，焦化廠的高聳煙囪，其內(nèi)襯掛在煙囪上，煙囪筒體與內(nèi)襯會(huì)發(fā)生耦合振動(dòng)；儲(chǔ)油罐體與油體在地震時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生耦合振動(dòng)。關(guān)于耦合作用的分析，由于其體系的復(fù)雜性，分析方法的不盡完善，分析軟件的功能有限，過(guò)去耦合振動(dòng)的分析很少。由于ANSYS的功能強(qiáng)大，使得這種分析成為可能。

臥式圓形儲(chǔ)油罐液固耦合模態(tài)分析，用ANSYS軟件分析儲(chǔ)油罐組成的液固系統(tǒng)的自振頻率和振型，罐體采用Shell63單元，油體采用Fluid30單元，在不同油體高度時(shí)，分析得到液固系統(tǒng)的自振頻率和振型。分析結(jié)果表明，油罐的自振特性必須考慮油體的影響。用ANSYS軟件分析的結(jié)果，與耦合法和平均密度法的求解結(jié)果，差距甚大。

3.4.4 高聳結(jié)構(gòu)的風(fēng)振分析

在《橫風(fēng)向旋渦脫落的共振分析及在工程上的應(yīng)用》[19]一文中，考慮橫風(fēng)向風(fēng)振的頻率與高聳結(jié)構(gòu)在橫風(fēng)向的某階自振頻率相接近時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生共振，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。用ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)的自振特性和風(fēng)振的特性進(jìn)行分析，檢驗(yàn)是否會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，使得高聳結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)做到經(jīng)濟(jì)合理，確保質(zhì)量。

3.5 前瞻性的工作

3.5.1 結(jié)構(gòu)的抗震可靠度分析

目前我國(guó)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度在結(jié)構(gòu)體系、地下結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)抗震可靠度等方面尚屬空白。未來(lái)的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范應(yīng)以基于功能的抗震設(shè)計(jì)思想為基礎(chǔ),所以結(jié)構(gòu)可靠度的分析將成為未來(lái)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)與前提。

文獻(xiàn)《基于ANSYS軟件的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)可靠度分析》[20]以北良港大型國(guó)家儲(chǔ)備糧庫(kù)鋼筋混凝土筒倉(cāng)的加固方案為例，在對(duì)一次二階矩法和兩點(diǎn)自適應(yīng)法擬合極限狀態(tài)曲面進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，對(duì)ANSYS軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，對(duì)RC筒倉(cāng)頂蓋結(jié)構(gòu)加固方案和糧倉(cāng)倉(cāng)壁的可靠度進(jìn)行分析，這個(gè)分析是復(fù)雜結(jié)構(gòu)抗震可靠度分析一個(gè)典型范例，它對(duì)工程結(jié)構(gòu)按基于功能的抗震設(shè)計(jì)樹(shù)立了一個(gè)榜樣。對(duì)我國(guó)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠度問(wèn)題的研究意義重大?？梢栽O(shè)想，我國(guó)的重大工程項(xiàng)目都能像北良港RC筒倉(cāng)這樣進(jìn)行抗震可靠度的分析，以明確這些重大工程項(xiàng)目的抗震可靠度，其意義將十分重大，這種分析也表明A N S Y S軟件的強(qiáng)大功能和巨大潛力。結(jié)構(gòu)可靠度分析的實(shí)例還有隧道地層變位的可靠性分析、房屋結(jié)構(gòu)的抗震可靠性分析等。

3.5.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前我國(guó)的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)的承載力和變形驗(yàn)算，而不是優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)單位也不具備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的有關(guān)軟件。

ANSYS具有強(qiáng)大的優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，它有一個(gè)優(yōu)化工具箱?？梢詫?duì)各種工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其基本原理看來(lái)也不很復(fù)雜，在確定優(yōu)化設(shè)計(jì)中的有關(guān)參數(shù)——目標(biāo)函數(shù)（如材料用量最少）設(shè)計(jì)變量（結(jié)構(gòu)的幾何、材料、荷載等有關(guān)輸入變量），狀態(tài)變量（結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形等）等后，優(yōu)化設(shè)計(jì)的過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)修改設(shè)計(jì)變量，滿(mǎn)足控制條件（承載力要求，變形要求等）最后達(dá)到最優(yōu)的目標(biāo)函數(shù)的過(guò)程。近年來(lái)，應(yīng)用ANSYS進(jìn)行各種結(jié)構(gòu)優(yōu)化的工程實(shí)例和有關(guān)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的論文是很多的，它包括高層結(jié)構(gòu)、空間網(wǎng)架、各種建筑結(jié)構(gòu)、橋梁等工程結(jié)構(gòu)。

3.5.3 技術(shù)創(chuàng)新

工程設(shè)計(jì)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新可能包括協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和新一代CAD技術(shù)。對(duì)于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而言，在集成設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)集成、轉(zhuǎn)換和共享、三維CAD仿真分析技術(shù)（三維實(shí)體模型）、二次開(kāi)發(fā)、CAD、CAM、CAE的集成化、智能C A D及標(biāo)準(zhǔn)化等方面，ANSYS已經(jīng)開(kāi)展了一些工作，今后可進(jìn)一步開(kāi)展更多的工作，走在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新的前列。

四、結(jié)語(yǔ)

ANSYS軟件有著很多獨(dú)特的優(yōu)越性，因而在中國(guó)土木工程領(lǐng)域的規(guī)范性和擴(kuò)展性應(yīng)用，已很普遍。

展望ANSYS軟件與中國(guó)規(guī)范的結(jié)合、與國(guó)內(nèi)外相關(guān)軟件的連接和在工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析中的應(yīng)用及前瞻性的應(yīng)用等方面的前景，非常廣闊，非常美好。