高云龍，張永冠，張明強

(中交第二公路勘察設計院有限公司，湖北武漢 430056)

多元軟件交叉應用的框架結構內(nèi)力求解通用程序

高云龍，張永冠，張明強

(中交第二公路勘察設計院有限公司，湖北武漢 430056)

目前有多種計算框架結構內(nèi)力的軟件，例如SAP2000，ANSYS等，但是單一的采用這些軟件計算框架結構內(nèi)力時，過程復雜，并且很難得到直觀、易用的通用計算程序。本文通過EXCEL與ANSYS兩種軟件的交叉應用，聯(lián)合使用VBA語言以及APDL語言，編寫了直觀、易用的框架結構內(nèi)力通用計算程序。結合明挖地鐵車站和U形槽兩種典型結構的工程實例，本文給出了通用程序的詳細算例，可以極大地提高工作效率。此通用程序可為從事相關研究與設計人員提供參考。

框架結構 VBA語言 APDL語言

框架結構的基本構件為柱、梁、板，在地面建筑以及地下結構中有著廣泛的應用，例如:明挖地鐵車站結構、高層房屋結構等[1-3]。目前 SAP2000，ANSYS 等程序均可實現(xiàn)其內(nèi)力計算，但是單一的軟件應用在其結構內(nèi)力計算時過程較為復雜，雖然ANSYS軟件可以采用APDL語言編程實現(xiàn)其計算過程[4-5]，但是當結構形式改變之后，其程序改寫過程仍較復雜。在通用程序中，需要判斷結構的形式和地基彈簧分布在什么范圍內(nèi)，荷載大小及分布形式等諸多問題。本文通過EXCEL與ANSYS交叉應用的方式，完成框架結構內(nèi)力通用計算程序。

1 平面梁單元有限元方程

在框架結構通用內(nèi)力計算程序中主要采用的單元為link10單元和beam3單元，以平面梁單元為例簡介有限元方程的建立[6]。

平面梁單元局部坐標系下單元剛度矩陣為其中，[k]e為局部坐標系下單元剛度矩陣。E，A，I，l分別為桿件的彈性模量，截面面積，截面慣性矩和單元長度。

剛度轉換矩陣[T]為

式中，α為梁單元與x軸夾角。

則整體坐標系下單元剛度矩陣為

其中，[K]e為整體坐標系下單元剛度矩陣;[T]T為剛度轉化矩陣[T]的轉置。

匯合所有單元的剛度矩陣即得到整個結構的總剛矩陣[K]，得到平衡方程

其中，{δ}為整體結構的節(jié)點位移矩陣;{F}為整體結構的荷載矩陣。

求解出平衡方程即可得到單元內(nèi)力。

2 設計思路及流程

ANSYS計算流程如圖1所示。在建立框架結構模型的過程中需要綜合運用“自下而上”和“自上而下”兩種建模方法。一般而言建模過程中首先要考慮結構的形式，如圖2所示的四種結構均為框架結構，但如果用通用程序把四種結構全部包含進去，又需要跳出結構形式的束縛?？紤]到數(shù)值模型是由點和線組成的，因此，在通用處理程序中，只針對點和線進行處理，即先建出關鍵點，存在線的地方再由點連接成線。這樣建模過程中的難點轉換為基本參數(shù)的對應，例如:建立幾何模型時，點與線的對應;劃分單元時單元類型、實常數(shù)、材料屬性與結構中構件位置的對應;地基彈簧的范圍及地基彈簧系數(shù)的對應等，而APDL語言不能智能化地解決這些問題。

圖1 ANSYS計算流程

圖2 幾種框架結構示意

設想有這樣一個軟件能夠直觀地輸入這些基本參數(shù)，并且能將這些基本參數(shù)相互對應起來，那么實現(xiàn)框架結構內(nèi)力計算通用程序變得易如反掌。EXCEL恰恰就是這樣的軟件，它能通過單元格的相互對應很好地解決這個問題。以圖3為例，將點的坐標輸入之后，生成線的時候可以直接將點的坐標指定給線，同時還可以將實常數(shù)、材料屬性、荷載值直接指定給線。

以圖3中關鍵點的建立為例，將關鍵點的坐標輸入EXCEL之后，通過VBA語言[7]將關鍵點的坐標輸出到文本文件之中，這樣基本數(shù)據(jù)轉換為ANSYS可執(zhí)行的APDL語言，構件的厚度、材料屬性、地基彈簧抗力系數(shù)也可以采用同樣的方法轉變?yōu)锳PDL語言。進而利用ANSYS進行計算，而計算得到的結果又可以寫入文件，進而再次利用EXCEL讀入這些文件進行處理。通過兩種語言的交叉引用，使得原本復雜的計算過程變得簡單明了。

圖3 基本信息對應示意

通用程序設計流程為①基本參數(shù)編號;②基本參數(shù)輸入 EXCEL工作表;③執(zhí)行 VBA代碼;④執(zhí)行ANSYS宏命令;⑤提取結果并處理。

3 通用程序在工程中的應用

3.1 通用程序在明挖地鐵車站中的應用

某明挖雙層地鐵車站結構如圖4所示，地層物理力學參數(shù)見表1。結構采用C35混凝土，在圍護結構與主體結構之間設有復合防水板，此結構屬于復合結構。結構計算模型如圖5所示。

圖4 明挖雙層地鐵車站結構示意(單位:m)

圖5 計算模型示意

表1 地層物理力學參數(shù)

1)基本參數(shù)編號

如圖6所示，根據(jù)力學模型，先定好點的編號、坐標以及線的編號。

2)基本參數(shù)輸入EXCEL并執(zhí)行程序

如圖3中所示，將構件厚度、地基抗力系數(shù)、材料屬性、點坐標等基本參數(shù)按順序輸入EXCEL表中。執(zhí)行VBA程序代碼及ANSYS宏命令即可得到結果。

3)結果及處理

圖6 基本參數(shù)編號

運行ANSYS之后結果如圖7所示。同時可將ANSYS運行結果提取到文件，用EXCEL讀入文件處理結果。

3.2 通用程序在U形槽結構中的應用

地下結構中經(jīng)常遇到U形槽結構。某U形槽結構如圖8所示。計算模型如圖9所示。地質資料如3.1中表1所示。

1)基本參數(shù)編號

如圖10所示，根據(jù)力學模型，先定好點的編號、坐標以及線的編號。

圖7 雙層三跨地鐵車站結構內(nèi)力

圖8U形槽結構示意(單位:m)

圖9 計算模型

圖10 基本參數(shù)編號

2)基本參數(shù)輸入EXCEL

如圖3所示，將構件厚度、地基抗力系數(shù)、材料屬性、點坐標等基本參數(shù)按順序輸入EXCEL表中。執(zhí)行VBA程序代碼及ANSYS宏命令即可得到結果。

3)結果及處理

運行ANSYS之后結果如圖11所示。

4 結論

1)提出了EXCEL與ANSYS交叉引用實現(xiàn)處理復雜程序的方法，由于基本參數(shù)均在EXCEL中輸入，即使不會使用ANSYS，也能完成結構計算，使得程序具有很強的直觀性、易用性。

圖11 U形槽結構內(nèi)力

2)得出了通用框架結構內(nèi)力計算程序，該程序跳出結構形式的限制，把結構作為點和線處理，增強了其適用范圍，既可以解決地鐵車站及明挖隧道中的復合結構、疊合結構的內(nèi)力計算，又可以解決隧道出入段線U形槽結構的計算，還可用于地面框架結構的內(nèi)力計算。

3)使用通用程序進行計算，可以極大地提高工作效率。

[1]吳能森.地下工程結構[M].武漢:武漢理工大學出版社，2010.

[2]宋益斌.框架結構設計中的力學問題解析[J].新疆化工，2010(1):53.

[3]王祖華.高層建筑結構設計[M].廣州:華南理工大學出版社，2008.

[4]龔曙光.ANSYS操作命令與參數(shù)化編程[M].北京:機械工業(yè)出版社，2003:1-105.

[5]王新敏.ANSYS工程結構數(shù)值分析[M].北京:人民交通出版社，2007:230-293.

[6]趙奎.有限元簡明教程[M].北京:冶金工業(yè)出版社，2009:21-27.

[7]彭彬譯.辦公寶典——Excel 2003/2002/2000 VBA 大全[M].北京:人民郵電出版社，2007:104-316.

Common Program to Calculate Frame's Forces by Cross-application of Multiple Softwares

GAO Yunlong，ZHANG Yongguan，ZHANG Mingqiang
(CCCC Sencond Highway Consultants Co.Ltd，Wuhan Hubei 430056，China)

There are a variety of software to calculate the frame structures'inner force，such as SAP2000，ANSYS and so on，but the process when calculating the frame structures'inner force by use of single software is complex while it is difficult to get a visualized and easy-to-use general program.By crossapplication of EXCEL and ANSYS which makes a combined use of VBA language and APDL language，the paper writes a visualized and easy-to-use general program to calculate the frame structures'inner force.Combined with two typical project cases of cut and cover method metro station and U-shaped groove，the paper offers detailed examples about the general program which greatly improves efficiency.The general program can provide a reference for the related researchers or designers.

Frame structure;VBA language;APDL language

TU973+.15

A

1003-1995(2012)06-0058-04

2011-11-10;

2012-04-12

高云龍(1985— )，男，山東萊蕪人，工程師。

(責任審編 白敏華)