◎ 青島理工大學(xué) 門 楷

深圳市建筑科學(xué)研究院 丘國雄

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

一、前言

工程設(shè)計是工程建設(shè)的靈魂，設(shè)計需要依據(jù)有關(guān)規(guī)范進(jìn)行，也需要集成了計算力學(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)計人員必不可少的工具和手段。

我國現(xiàn)有的工程建設(shè)設(shè)計企業(yè)有1.2萬家，施工企業(yè)6萬多家，每年完成約1.5萬多億元的工程量。這些設(shè)計和施工企業(yè)要用有關(guān)軟件完成任務(wù)。我國有1500多所高校，這些高校設(shè)有土木工程、水利、道橋、巖土工程等專業(yè)。這些專業(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)。我國還有如中國建研院、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)計企業(yè)、高校、科研院所必不可少的工具。

我國的有限元分析軟件數(shù)量很少，功能有限，而且價格昂貴[1]。國際上著名的有限元分析軟件中，經(jīng)過工程實(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，概括了其在中國土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用情況；并依此對ANSYS軟件與中國規(guī)范的結(jié)合、與國內(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軟件在性能價格比、數(shù)據(jù)與圖形交換性、單元庫、材料庫、求解器庫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個單元庫中，ALGOR、COSMOS/M缺少接觸單元、奇異單元和摩擦單元；在八個材料庫中，ALGOR缺少粘彈性材料，COSMOS/M缺少混凝土材料；在15個求解器中，ANSYS缺少管道分析和剛體動力學(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)振動分析和剛體動力學(xué)分析。

2.能求解1.11億自由度的結(jié)構(gòu)分析模型。中國國家大劇院的靜力分析只有10萬個自由度，可見ANSYS計算能力的強(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.在重慶維普期刊類數(shù)據(jù)庫中，以關(guān)鍵詞搜索，自1989年以來，關(guān)于ANSYS的論文有1813篇，其中在工程結(jié)構(gòu)的計算分析方面占相當(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)庫中，其論文數(shù)分別為668，32，6，4，4，2，2，13。可見，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，文件的個數(shù)，文件夾的數(shù)目分別為479M，4408個，129個；MIDAS/GEN分別為245M，311個，10個；STAAD-CHINA分別為258M，1個，PKPMCAD分別為239M，236個，13個?？梢夾NSYS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、電磁場分析和流體動力學(xué)分析等領(lǐng)域，形成了MCAE、CFD、CEM等三個體系，其精髓是“多物理場耦合分析”和“協(xié)同仿真環(huán)境”

6.ANSYS廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、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、科研和高校等部門。

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、動力分析，場地土的地震反應(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)計分析等。

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

2.2 中國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對結(jié)構(gòu)分析的主要要求和軟件的應(yīng)用

中國結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對結(jié)構(gòu)分析均有著明確的要求。建筑抗震設(shè)計規(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“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算的方法，同時指出，計算模型的建立應(yīng)符合結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀況，計算軟件的技術(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)可以滿足要求[4]。如上海環(huán)球金融中心，設(shè)計單位用軟件ETABS、SATWE進(jìn)行彈性計算。超高限建筑審查用ETABS、SAP2000、SATWE、和MIDAS/GEN計算。但均未給出彈塑性層間位移角的數(shù)值和薄弱層的計算結(jié)果。

彈性結(jié)構(gòu)的地震作用和作用效應(yīng)的計算，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)計算（CQC法），同時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，下面舉例說明。

1.各種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力、靜、動力分析

高軸壓比高強(qiáng)混凝土框架柱單調(diào)荷載-位移關(guān)系曲線的分析[5]?；炷敛捎肧OLID65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)采用線性彈簧單元COMBIN14。經(jīng)過分析，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、動力整體分析[6]。該工程是ANSYS應(yīng)用于國內(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ANSYS-ETABS轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)換為ANSYS計算用的數(shù)據(jù)。并且對該工程的轉(zhuǎn)換層結(jié)構(gòu)用ANSYS進(jìn)行了更為精確的分析。大連國際貿(mào)易中心大廈用ANSYS進(jìn)行了Push-over分析，但未見分析結(jié)果。

3.大跨空間結(jié)構(gòu)的分析

中國國家大劇院采用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橢球頂?shù)姆€(wěn)定性分析。其它如鄭州國際會展中心展廳的鋼屋蓋的動力特性分析[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)計算和反應(yīng)譜分析，并進(jìn)行了地震時廠房結(jié)構(gòu)與機(jī)組振動的共振校核[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

河南省大召營高型變電構(gòu)架的動力特性分析[11]。變電站屬于抗震設(shè)防的生命線工程。分析變電構(gòu)架的動力特性對于變電站的抗震設(shè)防至關(guān)重要。用ANSYS對大召營高型變電構(gòu)架的動力特性進(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單元BEAM4，RC構(gòu)架梁和支撐構(gòu)件采用三維空間梁單元BEAM44，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，一般采用彈塑性時程分析方法。有關(guān)的計算參數(shù)應(yīng)符合隔震和消能設(shè)施的實(shí)際力學(xué)性能。

用ANSYS對廣州潮汕星河大廈消能減震結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元時程分析[12]。該工程為25層，框-筒結(jié)構(gòu)。梁、柱均采用三維空間梁單元BEAM188；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，滿足規(guī)范要求的1/100。該工程是用ANSYS對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時程分析的典型實(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)隔震體系非線性地震反應(yīng)分析及隔震橡膠防護(hù)擋塊的非線性有限元分析等，均采用ANSYS軟件。

7.橋梁結(jié)構(gòu)分析

用ANSYS分析各種類型的橋梁結(jié)構(gòu)，其實(shí)例是很多的。應(yīng)該說，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，明確了該橋的動力特性和抗震性能。

●重慶奉節(jié)長江公路大橋-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893m，主跨長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對該橋進(jìn)行了大橋結(jié)構(gòu)的動力特性和三維地震動作用下的彈性時程分析，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5.0萬個以內(nèi)。靜力分析與靜載試驗(yàn)結(jié)果對比，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)體有限元動力分析，主梁和橋墩均采用三維的梁單元BEAM188。經(jīng)過分析，明確了大橋結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型，并與實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比。

●廣東崖門大跨度斜拉橋風(fēng)致抖振的時域分析，考慮了幾何非線性、材料非線性和氣動力非線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)分析對橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計很有意義。

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)用的一個顯著的特點(diǎn)是二次開發(fā)。使用二次開發(fā)的工具，對ANSYS軟件不具備而橋梁設(shè)計所需要的功能進(jìn)行開發(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、鋼絞線的松弛、予加應(yīng)力束的生成等。又如應(yīng)用二次開發(fā)工具-UILD、TCL/TK，經(jīng)過二次開發(fā)，用ANSYS對連續(xù)剛構(gòu)橋的建模。再如，經(jīng)過二次開發(fā)，對斜拉橋進(jìn)行非線性分析，考慮斜拉橋非線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，壩基長度為壩體寬度的5倍。依據(jù)壩體原型觀測實(shí)測點(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，對壩體應(yīng)力場作有限元分析。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)計分析，壩高90m,壩體水平拱圈曲線為拋物線，用ANSYS軟件的APDL優(yōu)化設(shè)計方法，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)過優(yōu)化分析，得到拱冠梁沿拱高度的厚度和拋物線的曲率半徑。最優(yōu)設(shè)計時的壩體壓應(yīng)力已達(dá)到最大允許值，優(yōu)化結(jié)果比較滿意。

●遼寧沙牌拱壩的地震動應(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，以三維地震動輸入，對拱壩進(jìn)行彈性地震反應(yīng)分析，計算結(jié)果準(zhǔn)確、合理。

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

用ANSYS對大壩結(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ANSYS軟件在與中國規(guī)范的結(jié)合、與國內(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)一步與中國的結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范結(jié)合

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

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)力計算用SATWE，截面計算用CSRC，二者接力計算較好。也可用ANSYS進(jìn)行內(nèi)力和位移計算，截面計算用CSRC。又如ETABS、STAAD/CHINA、MIDAS/GEN等軟件，有些用戶使用較早，用這些軟件建模后，也可與ANSYS軟件連接，用兩個以上的軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)的分析對比，使結(jié)構(gòu)設(shè)計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)的彈塑性時程分析仍為重點(diǎn)。

中國是一個多地震的國家。工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計關(guān)系著工程結(jié)構(gòu)安全與經(jīng)濟(jì)的重大問題。地震區(qū)的各種工程結(jié)構(gòu)需進(jìn)行抗震設(shè)計，它是一個涉及面很廣的問題。中國規(guī)范的抗震設(shè)防思路是“三水準(zhǔn)地震，二階段設(shè)計”，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)地震時的彈塑性分析，就顯得十分必要和重要。目前工程界對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)的彈塑性時程分析。

結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的彈塑性時程分析方法的關(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，國內(nèi)外已有很多。對于特殊的結(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)過仿真分析獲得往復(fù)荷載下構(gòu)件的滯回曲線和恢復(fù)力特性模型。這是ANSYS軟件一個優(yōu)越性。

專家學(xué)者曾經(jīng)指出，抗震設(shè)計可按“三水準(zhǔn)地震，三階段設(shè)計”，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，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，對此ANSYS軟件也是能夠?qū)嵤┑?。不過中間多了一個中震時結(jié)構(gòu)的抗震分析。

3.4 結(jié)構(gòu)分析中疑難問題的解決

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.地基沉降的計算

中國規(guī)范規(guī)定的地基變形計算方法是按土體為線彈性理論用壓縮模量計算。這個方法計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誤，長安大學(xué)焦五一創(chuàng)建的弦線模量法計算軟土地基和黃土地基的濕陷變形與實(shí)測值很接近，用該方法計算分析了加拿大特朗斯康谷倉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.場地地震反應(yīng)的分析

場地地震反應(yīng)分析是一個復(fù)雜的土動力學(xué)問題，運(yùn)用ANSYS的二次開發(fā)工具APDL，引入多次透射邊界，進(jìn)行場地地震反應(yīng)的分析，可以較為準(zhǔn)確的模擬場地的無限性[15]。

3.土與結(jié)構(gòu)的動力相互作用分析

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)兩個方案,計算區(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)。縱向取5倍縱向結(jié)構(gòu)尺寸,邊界為自由邊界。土體動力本構(gòu)模型采用等效線性模型中的Davidenkov模型的土骨架曲線，在三維波的傳播問題中，邊界面上要施加3個方向的邊界元件,邊界的法線方向需施加阻尼器,切線方向施加并聯(lián)的阻尼器和線性彈簧?？紤]了0.1G、0.5G、1G、2G和5G等五個動剪切模量?？紤]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)剛度等五個方面對體系地震反應(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限域土體。軟土對地震起隔震作用,硬土對地震起放大作用,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.

文獻(xiàn)[17]指出了ANSYS軟件在土-結(jié)構(gòu)動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0.15g，0.12g，0.3g工況下，接觸單元有阻尼和無阻尼時的彎矩、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)指出對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的土-基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)動力相互作用問題的分析還有賴于土-基礎(chǔ)界面性狀的實(shí)驗(yàn)研究和尋求合適的土-基礎(chǔ)界面的動力本構(gòu)模型。

用ANSYS分析這類結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例也很多。可以看出，土-基礎(chǔ)-結(jié)構(gòu)動力相互作用的分析，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。

●北京地鐵天安門西站至復(fù)興門站區(qū)間隧道的地震反應(yīng)分析[18]。有限元計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程曲線反演到基巖，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，且能滿足一般工程的精度要求，經(jīng)過分析，自由場的周期為1.475S，存在結(jié)構(gòu)時的周期為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計算結(jié)果比按結(jié)構(gòu)力學(xué)方法和邊界單元法計算的略大。

●宜萬線某三線車站隧道，采用荷載結(jié)構(gòu)模式用ANSYS計算兩次襯砌內(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)相互作用體系的簡化模型

●某地鐵車站的地震響應(yīng)有限元分析。車站為三層框架，影響地鐵車站地震反應(yīng)的主要因素是襯砌厚度和埋深。結(jié)構(gòu)左右對稱，計算模型取結(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對施工過程進(jìn)行有限元分析，圍巖計算范圍為上復(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)測結(jié)果有一定差距，這也顯示了地下結(jié)構(gòu)分析問題的復(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)計特性，以計算結(jié)構(gòu)的可靠度或可靠指標(biāo)。計算模型為二維平面模型，取隧道的一半，計算范圍為上復(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分析隧道在開挖過程中發(fā)生的非線性變形特性，地表下挖控制在30mm以內(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)。考慮鋼筋與混凝土間無相對滑移。圍巖取6倍的洞徑作為計算范圍，圍巖分為開裂區(qū)（與襯砌相連）與完整區(qū)，開裂區(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，地震時主體結(jié)構(gòu)發(fā)生振動，幕墻結(jié)構(gòu)隨著主體結(jié)構(gòu)的震動而震動；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)襯會發(fā)生耦合振動；儲油罐體與油體在地震時，也會產(chǎn)生耦合振動。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，過去耦合振動的分析很少。由于ANSYS的功能強(qiáng)大，使得這種分析成為可能。

臥式圓形儲油罐液固耦合模態(tài)分析，用ANSYS軟件分析儲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，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，結(jié)構(gòu)會發(fā)生共振，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。用ANSYS對結(jié)構(gòu)的自振特性和風(fēng)振的特性進(jìn)行分析，檢驗(yàn)是否會發(fā)生共振現(xiàn)象，使得高聳結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計做到經(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

目前我國工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠度在結(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。未來的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范應(yīng)以基于功能的抗震設(shè)計思想為基礎(chǔ),所以結(jié)構(gòu)可靠度的分析將成為未來結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(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]以北良港大型國家儲備糧庫鋼筋混凝土筒倉的加固方案為例，在對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ANSYS軟件進(jìn)行二次開發(fā)，對RC筒倉頂蓋結(jié)構(gòu)加固方案和糧倉倉壁的可靠度進(jìn)行分析，這個分析是復(fù)雜結(jié)構(gòu)抗震可靠度分析一個典型范例，它對工程結(jié)構(gòu)按基于功能的抗震設(shè)計樹立了一個榜樣。對我國工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的可靠度問題的研究意義重大?？梢栽O(shè)想，我國的重大工程項(xiàng)目都能像北良港RC筒倉這樣進(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

目前我國的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計是根據(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，設(shè)計單位也不具備結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的有關(guān)軟件。

ANSYS具有強(qiáng)大的優(yōu)化設(shè)計功能，它有一個優(yōu)化工具箱?？梢詫Ω鞣N工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，其基本原理看來也不很復(fù)雜，在確定優(yōu)化設(shè)計中的有關(guān)參數(shù)——目標(biāo)函數(shù)（如材料用量最少）設(shè)計變量（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)計的過程實(shí)際上是一個修改設(shè)計變量，滿足控制條件（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)的過程。近年來，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)計行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新可能包括協(xié)同設(shè)計技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和新一代CAD技術(shù)。對于工程結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，在集成設(shè)計和數(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)開展了一些工作，今后可進(jìn)一步開展更多的工作，走在工程結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)創(chuàng)新的前列。

四、結(jié)語

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

展望ANSYS軟件與中國規(guī)范的結(jié)合、與國內(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。