超高层RC建筑结构的优选

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1 ANSYS 软件在中国土木工程领域的应用前景展望门楷 1, 丘国雄 2, 俞斌 [1. 青岛理工大学, 青岛 ;2. 深圳市建筑科学研究院, 深圳深圳市大工业区开发管理集团有限公司, 深圳 ] [ 摘要 ] 本文论述了 ANSYS 软件的特色, 概括了其在中国土木工程领域的应用情况 ; 依此, 对 ANSYS 软件与中国规范的结合与国内外相关软件的连接和在工程结构地震反应分析中的应用及前瞻性的应用等方面的前景, 进行了展望 [ 关键词 ] ANSYS, 中国, 土木工程领域, 展望 Prospect of the Application of ANSYS Software in the Chinese Civil Engineering Realm Men Kai 1,Qiu Guoxiong 2,Yu Bing 3 [1 Qingdao Technological University, Qingdao Shenzhen Academy of Building Research., Shenzhen Big Industry in Shenzhen City Area Development Management Group Limited Company, Shenzhen ] [Abstract] This paper discusses the special features of ANSYS software and generalize application circumstance in the Chinese civil engineering realm,and commands the prospect of combination with the Chinese code and join with the related software at home and abroad, and the application in respond analysis of earthguake of the engineering structure and the use of ANSYS software. [Key word] ANSYS,Chinese,civil engineering realm,prospect 1 前言工程设计是工程建设的灵魂, 设计依据规范, 设计需要 CAD 软件, 结构分析软件依据有关规范和计算力学在当今 CAD CAM CAE 技术迅速发展的今天, 功能强大的有限元分析软件, 已成为结构设计人员必不可少的工具和手段我国现有的工程建设设计企业有 1.2 万家,6 万多家施工企业, 每年完成约 1.5 万多亿元的工程量这些设计和施工企业要用有关软件完成任务我国有 1500 多所高校, 这些高校有土木工程水利道桥岩土工程等专业这些专业有硕士生博士生, 要用有关软件完成科研和学习任务我国还有如中国建研院水科院铁道研究院和各种研究所等研究机构, 这些研究机构也需要有关软件绝大多数工程结构的分析用解析法难以完成, 工程实践验证, 数值分析方法中的有限元法是最为有效最为优越的方法, 因此有限元分析软件就成为上述工程设计企业高校科研院所必不可少的工具我国的有限元分析软件数量很少, 且功能有限, 而价格昂贵 [1] 国际上著名的有限元分析软件中, 经过工程实践的检验,ANSYS 软件是一个最优秀的软件本文论述了 ANSYS 软件的特色, 概括了其在中国土木工程领域的应用情况 ; 依此, 对 ANSYS 软件与中国规范的结合与国内外相关软件的连接和在工程结构地震反应分析中的应用及前瞻性的应用等方面的前景, 进行了展望 3 1

2 2 回顾 2.1 ANSYS 软件的主要特色 [2] 2006 年用户年会论文 1.ANSYS 软件在性能价格比数据与图形交换性单元库材料库求解器库等方面与世界其它大型有限元分析软件相比, 都是最优越的 ANSYS 的价格略高于 ALGOR COSMOS/M 等软件 ; 数据与图形交换性方面优于 ALGOR COSMOS/M 等软件 ; 在 18 个单元库中,ALGOR COSMOS/M 缺少接触单元奇异单元和摩擦单元 ; 在八个材料库中,ALGOR 缺少粘弹性材料,COSMOS/M 缺少混凝土材料 ; 在 15 个求解器中,ANSYS 缺少管道分析和刚体动力学分析,ALGOR 缺少断裂分析和疲劳分析,COSMOS/M 缺少断裂分析疲劳分析随机振动分析和刚体动力学分析 2. 能求解 1.11 亿自由度的结构分析模型中国国家大剧院的静力分析只有 10 万个自由度可见 ANSYS 计算能力的强大这就能够模拟巨型复杂结构进行各种结构的分析, 能够实施很复杂结构的仿真技术 3. 在重庆维普期刊类数据库中, 以关键词搜索, 自 1989 年以来, 关于 ANSYS 的论文有 1813 篇, 其中在工程结构的计算分析方面占相当大的比例 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 篇在清华同方数据库中, 其论文数分别为 668,32,6,4,4,2,2,13 可见, 软件 ANSYS 已被广泛应用, 已受到工程界学术界的认定和青睐 4.ANSYS7.0 文件的大小, 文件的个数, 文件夹的数目分别为 479M,4408 个,129 个 ;MIDAS/GEN 分别为 245M,311 个,10 个 ;STAAD-CHINA 分别为 258M,1 个,PKPMCAD 分别为 239M,236 个,13 个可见,ANSYS 文件之大, 文件的个数和文件夹的数目之多 5.ANSYS 应用于结构分析电磁场分析和流体动力学分析等领域, 形成了 MCAE CFD CEM 等三个体系, 其精髓是多物理场耦合分析和协同仿真环境 6.ANSYS 广泛应用于航空航天汽车造船铁道电子机械制造地矿水利核能石化生物医学土木工程轻工和一般工业等行业广泛应用于设计科研和高校等部门 7 ANSYS 在土木工程行业的应用已扩展到各种结构构件承载力静动力特性等的分析, 各种建筑结构 - 高层建筑厂房结构空间结构构筑物等结构的静动力分析, 大坝等水利工程桥梁地下结构等结构的静动力分析, 场地土的地震反应分析, 工程结构的可靠度分析, 工程结构的优化设计分析等 8. 二次开发的工作已经展开 ANSYS 有很好的二次开发工具, 如 MACRO UILD UPFS 和 APDL 等上海现代建筑集团有限公司等设计企业, 大连理工大学清华大学等高校, 许多设计高校科研等单位在应用 ANSYS 时都进行了二次开发的工作 2.2 中国结构设计规范对结构分析的主要要求和软件的应用中国结构设计规范对结构分析均有着明确的要求. 建筑抗震设计规范 GBJ [3] 等规范给出了具体的弹塑性层间位移角限值, 也规定了在罕遇地震作用时应和宜进行弹塑性变形验算的结构范围和弹塑性变形计算的方法, 同时指出, 计算模型的建立应符合结构的实际工作状况, 计算软件的技术条件应符合有关标准的规定, 复杂结构应采用不少于两个不同的力学模型等结构的弹性分析采用 TAT SATWE SAP84 和 ETABS SAP2000 SATWE MIDAS/GEN STAADCHINA 等软件, 一般建筑结构可以满足要求 [4] 如上海环球金融中心, 设计单位用软件 ETABS SATWE 进行弹性计算超高限建筑审查用 ETABS SAP2000 SATWE 和 MIDAS/GEN 计算但均未给出弹塑性层间位移角的数值和薄弱层的计算结果弹性结构的地震作用和作用效应的计算, 最一般的情况是在双向地震作用下双向偏心结构的扭转耦联计算 (CQC 法 ), 同时考虑楼板变形的影响及剪力墙结构为板壳模型, 还考虑角柱铰接柱不调幅梁连梁饺接梁等特殊构件以及考虑多塔错层转换层结构 ; 材料可以是钢及型钢混凝土钢管混凝土等 SATWE,SAP84 和 STAADⅢ,SAP2000 ANSYS 等软件可以满足要求, 其中 ANSYS 功能最为强大弹塑性分析采用 EPDA NTAMS HBFA( 清华大学 ) 和 CANNY99( 新加坡 ),ANSYS 等软件 [4], 其中 ANSYS 功能最为强大 2

3 2.3 扩展性的应用已很普遍 2006 年用户年会论文在土木工程的各个行业各种结构和各种课题中,ANSYS 都已得到广泛的应用, 下面举例说明 1. 各种结构构件的承载力静动力分析 - 高轴压比高强混凝土框架柱单调荷载 - 位移关系曲线的分析 [5] 混凝土采用 SOLID65 实体单元, 钢筋采用 LINK8 空间杆单元, 钢筋与混凝土的粘结采用线性弹簧单元 COMBIN14 经过分析, 明确了轴压比箍筋形式混凝土强度及截面形式等因素对轴压比限值的影响, 从而确定出各种情况下, 柱的轴压比限值洪家渡水电站厂房矩形钢管混凝土叠合柱的抗震分析 ; 爆炸荷载作用下箱形钢板 - 钢筋混凝土组合梁的数值分析 ; 钢 - 混凝土组合梁的变形及滑移有限元分析 ; 部分剪力连接钢 - 混凝土组合梁的非线性有限元分析及方钢管混凝土框架梁柱节点的抗震分析等结构构件的分析, 都取得了很好的效果 2. 高层建筑的结构分析上海 21 世纪中心大厦, 采用 ANSYS 进行了静动力整体分析 [6] 该工程是 ANSYS 应用于国内高层建筑结构分析较早的工程它将 ETABS 建立的模型数据, 通过 ANSYS-ETABS 转换程序转换为 ANSYS 计算用的数据并且对该工程的转换层结构用 ANSYS 进行了更为精确的分析大连国际贸易中心大厦用 ANSYS 进行了 Push-over 分析, 但未见分析结果 3. 大跨空间结构的分析中国国家大剧院采用 ANSYS 进行了竖向荷载下的静力分析 [7] 自振特性分析和超级椭球顶的稳定性分析其它如郑州国际会展中心展厅的钢屋盖的动力特性分析 [8], 索膜结构的 ANSYS 分析 ; 板壳结构的有限元解法 ; 平板型网架结构固有振动的 ANSYS 分析等, 都采用了 ANSYS 软件 4 厂房结构的分析用 ANSYS 对某水电站厂房坝段进行抗震分析 - 谐响应分析模态计算和反应谱分析, 并进行了地震时厂房结构与机组振动的共振校核 [9] 还有厂房框架模型空间作用的 ANSYS 建模分析 [10], 采用 SOLID45 单元组建三维实体模型, 进行 3D 仿真分析, 分析得到的厂房框架的空间作用特性与模型试验的结果基本一致 5 构筑物的结构分析河南省大召营高型变电构架的动力特性分析 [11] 变电站属于抗震设防的生命线工程分析变电构架的动力特性对于变电站的抗震设防至关重要用 ANSYS 对大召营高型变电构架的动力特性进行分析, 构架的钢柱采用三维管单元 PIPE16, 格架式钢梁采用三维梁单元 BEAM4,RC 构架梁和支撑构件采用三维空间梁单元 BEAM44, 钢筋拉杆采用拉索单元 LINK10, 采用子空间迭代法进行结构的模态分析, 基本明确了构架的动力特性 - 自振频率和振型特征 6 隔震和消能减震结构的分析隔震和消能减震结构的地震反应分析, 一般采用弹塑性时程分析方法有关的计算参数应符合隔震和消能设施的实际力学性能用 ANSYS 对广州潮汕星河大厦消能减震结构进行有限元时程分析 [12] 该工程为 25 层, 框 - 筒结构梁柱均采用三维空间梁单元 BEAM188; 剪力墙和楼板采用三维板壳单元 SHELL63 阻尼器用阻尼单元模拟, 其刚度和阻尼由试验确定分析结果, 最大层间位移为 1/160, 满足规范要求的 1/100 该工程是用 ANSYS 对高层建筑结构进行弹塑性时程分析的典型实例其它如橡胶垫隔震支座的弹塑性分析 ; 多层框架基础隔震体系非线性地震反应分析及隔震橡胶防护挡块的非线性有限元分析等, 均采用 ANSYS 软件 7 桥梁结构分析用 ANSYS 分析各种类型的桥梁结构, 其实例是很多的应该说, 用 ANSYS 分析桥梁结构已得到很广泛的应用黄河下游特大型公路斜拉桥用 ANSYS 进行全桥仿真分析, 明确了该桥的动力特性和抗震性能重庆奉节长江公路大桥 - 双塔双索面予应力混凝土斜拉桥的地震反应分析 [13] 该桥全长 893m 主跨长 460m, 主梁采用予应力混凝土梁板式结构梁宽 20.5m, 用 ANSYS 对该桥进行了大桥结构的动力特性和三维地震动作用下的弹性时程分析, 分析结果, 得到了弹性结构的地震位移和内力的反应广州大桥主桥的三维空间实体有限元静力分析箱梁非线性 3-D 实体单元采用 SOLID45, 横隔板采用 SHELL63 单元, 主桥支座采用链杆约束整体仿真分析模型的单元总数控制在 5.0 万个以内静力分析与静载试验结果对比, 挠度和应变等数据比较一致 3

4 大桥还用 ANSYS 进行了三维空间实体有限元动力分析, 主梁和桥墩均采用三维的梁单元 BEAM188 经过分析, 明确了大桥结构的自振频率和振型, 并与实测结果进行了对比广东崖门大跨度斜拉桥风致抖振的时域分析, 考虑了几何非线性材料非线性和气动力非线性等各种频域法所不能考虑的因素, 采用 ANSYS 分析, 得到桥梁主梁在风载作用下的位移响应时程, 分析结果与试验结果几乎完全一致该项分析对桥梁结构的抗风设计很有意义用 ANSYS 进行分析的还有湖南茅草街大桥主桥的地震反应攀枝花陶家度金沙江大桥的稳定性上海赵家沟双提篮系杆拱桥的锚下局部应力某上承式钢管混凝土拱桥的动力特性某原油码头大跨度钢引桥的力学性能等 ANSYS 在桥梁结构分析中应用的一个显著的特点是二次开发使用二次开发的工具, 对 ANSYS 软件不具备而桥梁设计所需要的功能进行开发如活载加载予加应力混凝土结构 - 混凝土的徐变收缩混凝土的弹性模量钢绞线的松弛予加应力束的生成等又如应用二次开发工具 -UILD TCL/TK, 经过二次开发, 用 ANSYS 对连续刚构桥的建模再如, 经过二次开发, 对斜拉桥进行非线性分析, 考虑斜拉桥非线性分析的主要影响因素 - 垂度效应大变形效应和弯矩与轴力的组合效应等 8 大坝结构分析云南澜沧江漫湾电站坝体应力场的有限元分析, 坝体为混凝土重力坝按平面变形模型分析, 坝基高度约为坝体高度, 坝基长度为坝体宽度的 5 倍依据坝体原型观测实测点的应力 - 应变关系, 采用 ANSYS 软件, 在自重水压力作用下, 对坝体应力场作有限元分析分析结果表明, 坝体发生变形最大的部位在坝顶, 应力应变最大的部位在坝趾和坝踵, 应力集中现象十分突出福建某拱坝体型的优化设计分析, 坝高 90m, 坝体水平拱圈曲线为抛物线, 用 ANSYS 软件的 APDL 优化设计方法, 以坝体体积最小为目标函数, 以坝体的拉压应力水平为控制条件经过优化分析, 得到拱冠梁沿拱高度的厚度和抛物线的曲率半径最优设计时的坝体压应力已达到最大允许值, 优化结果比较满意辽宁沙牌拱坝的地震动应力分析拱坝为碾压混凝土坝, 按振型分解反应谱法, 用 ANSYS 软件, 以三维地震动输入, 对拱坝进行弹性地震反应分析, 计算结果准确合理新疆福海县喀拉塑克水库碾压混凝土重力坝的非线性有限元静动力分析, 坝高 m 坝顶宽 10.0 m 坝顶总长 m, 其基本剖面为三角形分析时坝基高度和上下游方向宽度均取坝高的俩倍为平面变形模型. 静力分析采用线弹性和理想弹塑性材料模拟动力分析采用振型分解反应谱法用 ANSYS 对大坝结构进行分析的实例还有很多, 如张家界宝峰湖拱坝的有限元分析等在结构温度应力施工模拟等方面也有很多用 ANSYS 分析的工程实例 3 前景展望对 ANSYS 软件在与中国规范的结合与国内外相关软件的连接和工程结构地震反应的弹塑性时程分析的应用及前瞻性的应用等方面的前景, 进行展望 3.1 进一步与中国的结构设计规范结合目前, 金土木对 ETABS SAP2000 的汉化和与中国规范的结合较好,ATAAD/CHINA 也有美国规范版和中国规范版 ANSYS 在中国设计单位的应用, 需要在荷载组合截面设计等方面按中国规范计算 3.2 进一步与有关软件连接有些结构分析的模块有其特色, 如混凝土异形柱的截面计算, 天津大学有着深入的试验研究并且编有程序 CSRC, 目前异形柱的内力计算用 SATWE, 截面计算用 CSRC, 二者接力计算较好也可用 ANSYS 进行内力和位移计算, 截面计算用 CSRC 又如 ETABS STAAD/CHINA,MIDAS/GEN 等软件, 有些用户使用较早, 用这些软件建模后, 也可与 ANSYS 软件连接, 用两个以上的软件进行结构的分析对比, 使结构设计工程师更能把握和使用结构分析的结果 3.3 结构地震反应的弹塑性时程分析仍为重点中国是一个多地震的国家工程结构的抗震设计关系着工程结构安全与经济的重大问题地震区的各种工程结构需进行抗震设计, 它是一个涉及面很广的问题中国规范的抗震设防思路是三水准地震, 二阶段设计, 就是小震不坏, 大震不倒, 重点是保证大震不倒因此, 工程结构地震时的弹塑性分析, 就显得十分必要和重要目前工程界对 Push-over 方法很是青睐 ; 但我们认为 Push-over 分析法竟究是单调加载, 它与地震时结构的反应尚有很大的区别 ; 它难以反映强震时结构的地震破坏规律因此, 罕遇地震下结构地 4

5 震弹塑性反应的时程分析方法是结构抗震分析的基本方法能否实现这个方法, 取决于有关软件的功能 ANSYS 软件能够完善地完成这种分析并且能创造性地完成各种结构 ( 如核电站 ) 地震反应的弹塑性时程分析结构地震反应的弹塑性时程分析方法的关键是采用符合结构构件或单元结构 ( 层结构 ) 实际的地震破坏机理的恢复力特性模型一般成熟的在工程实践中证明有效的恢复力特性模型, 国内外已有很多对于特殊的结构构件或单元结构 ( 如混凝土异形柱短肢剪力墙型钢混凝土剪力墙等组合构件特殊的结构连接节点隔震橡胶垫等 ) 的恢复力特性模型需要通过试验获得以 ANSYS 的强大功能, 可以代替费用昂贵的试验, 经过仿真分析获得往复荷载下构件的滞回曲线和恢复力特性模型这是 ANSYS 软件一个优越性专家学者曾经指出, 抗震设计可按三水准地震, 三阶段设计, 更能保证工程结构的抗震性能 [4] 其目的是分析抗震结构在三水准地震时, 既能检验小震不坏, 中震可修和大震不倒, 又能控制结构出现必要的耗能机制, 保证抗震结构的延性性能, 对此 ANSYS 软件也是能够实施的不过中间多了一个中震时结构的抗震分析 3.4 结构分析中疑难问题的解决岩土工程地下结构, 耦合结构, 风工程等的分析比较复杂, 分析中存在的难度较大, 期望得到 ANSYS 的进一步解决岩土工程的分析 1 地基沉降的计算中国规范规定的地基变形计算方法是按土体为线弹性理论用压缩模量计算这个方法计算的地基变形与载荷试验的地基变形存在着几倍的误差和剪力型错误, 长安大学焦五一创建的弦线模量法计算软土地基和黄土地基的湿陷变形与实测值很接近, 用该方法计算分析了加拿大特朗斯康谷仓倾斜的情况和比萨斜塔的倾斜及提出的反压治理方案, 验证了弦线模量法的准确性岩土工程界认为, 由于土的本构模型中的有关土性参数与实际存在差异, 几百个土的本构模型在土工分析中难以应用因此土工分析的计算机方法还存在很多难题, 有待相关软件的研发 [14] 2 场地地震反应的分析场地地震反应分析是一个复杂的土动力学问题, 运用 ANSYS 的二次开发工具 APDL, 引入多次透射边界, 进行场地地震反应的分析, 可以较为准确的模拟场地的无限性 [15] 3 土与结构的动力相互作用分析考虑土 - 结构相互作用的高层建筑抗震分析 [16] 结构为 12 层 RC 框架, 箱形基础和桩筏基础俩个方案, 计算区域和人工边界的施加, 分为 4 种情况 :10 倍横向结构 ( 自由边界 ),10 倍横向结构 ( 粘 - 弹性边界 ),10 倍横向结构 ( 粘性边界 ),30 倍横向结构 ( 自由边界 ) 纵向取 5 倍纵向结构尺寸, 边界为自由边界土体动力本构模型采用等效线性模型中的 Davidenkov 模型的土骨架曲线, 在三维波的传播问题中, 边界面上要施加 3 个方向的边界元件, 边界的法线方向需施加阻尼器, 切线方向施加并联的阻尼器和线性弹簧. 考虑了 0.1G 0.5G 1G 2G 和 5G 等五个动剪切模. 量考虑不同基础深度 3.5m 6m 8m 12.8m 和不同基础形式及上部结构刚度等五个方面对体系地震反应的影响分析结果表明, 粘 - 弹性人工边界可较好的模拟无限域土体软土对地震起隔震作用, 硬土对地震起放大作用, 随着上部结构刚度的增加, 上部结构的位移反应和加速度反应基本上呈增加趋势. 文献 [17] 指出了 ANSYS 软件在土 - 结构动力相互作用中的接触单元只反应了接触单元的力和位移的关系, 而未考虑基础单元实际存在的能量损耗文献对工程研究中常用的 Goodman 接触单元增加了阻尼矩阵, 以考虑接触单元的能量损耗, 并分析了四层 RC 框架结构与桩 - 土共同作用的地震反应分析分析结果得到框架顶层在不同地震动 0.15g,0.12g,0.3g 工况下, 接触单元有阻尼和无阻尼时的弯矩剪力和水平位移等分析只按平面框架模型, 并只限于弹性结构文献指出对于复杂结构的土 - 基础 - 结构动力相互作用问题的分析还有赖于土 - 基础界面性状的实验研究和寻求合适的土 - 基础界面的动力本构模型用 ANSYS 分析这类结构的工程实例也很多可以看出, 土 - 基础 - 结构动力相互作用的分析, 其关键在于土性参数的取用要有充分的依据压水堆的分析模型如图 1; 桩 - 土 - 结构相互作用体系的简化模型如图 2 5

6 图 1 压水堆结构的分析模型图 2 桩 - 土 - 结构相互作用体系的简化模型地下结构的分析用 ANSYS 分析地下结构的工程实例也很多北京地铁天安门西站至复兴门站区间隧道的地震反应分析 [18] 有限元计算的横向范围取地下结构直径的 5~6 倍, 本模型横向宽度取 140m, 底板距基岩 40m, 埋深 40m, 隧道尺寸为宽 25m, 高 8m 用 ANSYS 的接触单元实现接触分析, 地震波的输入, 一是用 FLUSH 程序将地面加速度时程曲线反演到基岩, 二是人工边界选取精确边界还是局部边界? 前者虽然精确, 但运算量大, 成本高, 后者有良好的实用性, 且能满足一般工程的精度要求, 经过分析, 自由场的周期为 1.475S, 存在结构时的周期为 S, 算出了结构各部位的地震位移和应力反应地下埋管的静力分析, 用 ANSYS 计算地下埋管的应力, 按平面变形模型土体宽度取 7D( 管孔外径 ), 高度取 4D+H(H 为填土厚度 ) 土体按照弹性介质考虑管壁环向应力, 用 ANSYS 计算结果比按结构力学方法和边界单元法计算的略大宜万线某三线车站隧道, 采用荷载结构模式用 ANSYS 计算两次衬砌内力二次衬砌用 BEAM3 单元, 二次衬砌与初衬之间的相互作用, 用 LINK10 单元模拟, 按平面变形模型, 计算出二次衬砌的轴力和弯矩某地铁车站的地震响应有限元分析车站为三层框架, 影响地铁车站地震反应的主要因素是衬砌厚度和埋深结构左右对称, 计算模型取结构的一半结构埋深为 20m, 下底板到边界取 20m, 右边墙到边界取 70m, 右边界采用人工边界文献指出, 三维模拟与地震波的非稳态输入将是今后地下结构分析研究的方向湖北宜昌市宜都县殷家隧道施工过程的有限元分析隧道为双联拱隧道, 高 5m, 宽 9.75m, 按平面变形模型, 用 ANSYS5.7 对施工过程进行有限元分析, 围岩计算范围为上复岩层厚 60m, 底部取 3.5 倍隧道高度, 水平宽度取隧道开挖宽度的 7 倍 ( 约 70m), 围岩及隧道衬砌结构均采用 PLANE42 单元, 共划分为 2059 个单元围岩土体材料的本构方程采用 Druker prager 弹塑性本构模型分析结果得到地表沉降拱项位移衬砌应力分布分析结果与实测结果有一定差距, 这也显示了地下结构分析问题的复杂性和不确定性因素隧道地层变位的可靠性分析影响地层变位的主要因素是衬砌和围岩材料的力学指标在可靠性分析中, 作用效应组合与抗力均为随机变量利用 ANSYS 内置的蒙特卡洛模拟法模拟出地层变位的统计特性, 以计算结构的可靠度或可靠指标计算模型为二维平面模型, 取隧道的一半, 计算范围为上复岩土 16.0m, 隧道底岩层取洞径的 3 倍, 水平方向一侧宽度取洞径宽度的 6 倍围岩材料的本构模型取 Drucker prager 模型隧道衬砌结构及围岩采用 PLANE42 单元, 用 ANSYS 分析隧道在开挖过程中发生的非线性变形特性, 地表下挖控制在 30mm 以内分析结果, 搞清了隧道地层变位的可靠性水工钢筋混凝土隧洞的 ANSYS 有限元分析建立钢筋混凝土隧洞的分析模型, 衬砌结构的混凝土用 solid65 单元, 钢筋敷设于洞壁内部 1/3 厚度的混凝土单元内考虑钢筋与混凝土间无相对滑移围岩取 6 倍的洞径作为计算范围, 围岩分为开裂区 ( 与衬砌相连 ) 与完整区, 开裂区采用 solid65 单元, 完整区采用 solid73 单元,6 倍洞径外岩石作为计算模型的弹性支撑 - 弹性连杆, 采取 Combin14 弹簧单元分析结果验算了衬砌结构中钢筋的实际应力小于钢筋的允许限裂应力钢筋混凝土隧洞中混凝土开裂宽度小于限裂宽度 (0.2mm) 耦合作用的分析高层建筑的幕墙结构是连接于高层建筑主体结构上, 地震时主体结构发生振动, 幕墙结构随着主体结构 6

7 的震动而震动 ; 火力发电厂, 焦化厂的高耸烟囱, 其内衬挂在烟囱上, 烟囱筒体与内衬会发生耦合振动 ; 储油罐体与油体在地震时, 也会产生耦合振动关于耦合作用的分析, 由于其体系的复杂性, 分析方法的不尽完善, 分析软件的功能有限, 过去耦合振动的分析很少由于 ANSYS 的功能强大, 使得这种分析成为可能卧式圆形储油罐液固耦合模态分析, 用 ANSYS 软件分析储油罐组成的液固系统的自振频率和振型, 罐体采用 Shell63 单元, 油体采用 Fluid30 单元, 在不同油体高度时, 分析得到液固系统的自振频率和振型分析结果表明, 油罐的自振特性必须考虑油体的影响用 ANSYS 软件分析的结果, 与耦合法和平均密度法的求解结果, 差距甚大高耸结构的风振分析在横风向旋涡脱落的共振分析及在工程上的应用 [19] 一文中, 考虑横风向风振的频率与高耸结构在横风向的某阶自振频率相接近时, 结构会发生共振, 可能导致结构破坏用 ANSYS 对结构的自振特性和风振的特性进行分析, 检验是否会发生共振现象, 使得高耸结构的抗风设计做到经济合理, 确保质量, 3.5 前瞻性的工作结构的抗震可靠度分析, 目前我国工程结构设计的可靠度在结构体系地下结构结构抗震可靠度等方面尚属空白未来的结构抗震设计规范应以基于功能的抗震设计思想为基础, 所以结构可靠度的分析将成为未来结构抗震设计规范的基础与前. 提文献基于 ANSYS 软件的大型复杂结构可靠度分析 [20], 以北良港大型国家储备粮库钢筋混凝土筒仓的加固方案为例, 在对一次二阶矩法和两点自适应法拟合极限状态曲面进行改进的基础上, 对 ANSYS 软件进行二次开发, 对 RC 筒仓顶盖结构加固方案和粮仓仓壁的可靠度进行分析, 这个分析是复杂结构抗震可靠度分析一个典型范例, 它对工程结构按基于功能的抗震设计树立了一个榜样对我国工程结构设计的可靠度问题的研究意义重大可以设想, 我国的重大工程项目都能像北良港 RC 筒仓这样进行抗震可靠度的分析, 以明确这些重大工程项目的抗震可靠度, 其意义将十分重大, 这种分析也表明 ANSYS 软件的强大功能和巨大潜力结构可靠度分析的实例还有隧道地层变位的可靠性分析房屋结构的抗震可靠性分析等优化设计目前我国的工程结构设计是根据结构方案进行结构的承载力和变形验算, 而不是优化设计, 设计单位也不具备结构优化设计的有关软件 ANSYS 具有强大的优化设计功能, 它有一个优化工具箱可以对各种工程结构进行优化设计, 其基本原理看来也不很复杂, 在确定优化设计中的有关参数目标函数 ( 如材料用量最少 ) 设计变量 ( 结构的几何材料荷载等有关输入变量 ), 状态变量 ( 结构的应力变形等 ) 等后, 优化设计的过程实际上是一个修改设计变量, 满足控制条件 ( 承载力要求, 变形要求等 ) 最后达到最优的目标函数的过程近年来, 应用 ANSYS 进行各种结构优化的工程实例和有关优化设计方法的论文是很多的, 它包括高层结构空间网架各种建筑结构桥梁等工程结构技术创新工程设计行业的技术创新可能包括协同设计技术虚拟现实技术和新一代 CAD 技术对于工程结构设计而言, 在集成设计和数据集成转换和共享三维 CAD 仿真分析技术 ( 三维实体模型 ) 二次开发 CAD CAM CAE 的集成化智能 CAD 及标准化等方面,ANSYS 已经开展了一些工作, 今后可进一步开展更多的工作, 走在工程结构设计技术创新的前列展望 ANSYS 软件在中国土木工程领域的应用前景, 非常广阔, 非常美好 4 结语 ANSYS 软件有着很多独特的优越性, 因而在中国土木工程领域的规范性和扩展性应用, 已很普遍展望 ANSYS 软件与中国规范的结合与国内外相关软件的连接和在工程结构地震反应分析中的应用及前瞻性的应用等方面的前景, 非常广阔, 非常美好 7

8 [ 参考文献 ] [1] 丘海燕, 等工程结构 CAD 软件产业化发展趋势 [J] 工程设计 CAD 与智能建筑,2001(5):5-9 [2] 陈精英 ANSYS 实用指南 [M] 北京: 铁道出版社,2001 [3] 建筑抗震设计规范 GBJ [S] 北京: 建筑工业出版社,2002 [4] 门楷, 等高层钢筋高混凝土结构的弹塑性分析 [J] 工程设计 CAD 与智能建筑,2000(4):25-28 [5] 刘伯权高轴压比高强混凝土框架柱抗震性能实验研究 [J] 土木工程学报,2005,38(1):45-50 [6] 王国俭 ANSYS 软件在 21 世纪中心大厦设计中的应用 [J] 工程设计 CAD 与智能建筑,1999(12):31-34 [7] 李珠, 等中国国家大剧院结构静力的分析 [J], 山西建筑 2003,29(2):1-2 [8] 任俊超郑州国际会展中心展厅钢屋盖的动力特性分析 [J] 世界地震工程 2004,20(1):70-74 [9] 侯攀, 等用 ANSYS 对水电站厂房坝段进行抗震分析 [J] 西北水力发电, (1):44-47 [10] 任国亮, 等厂房框架模型空间作用实验研究与 ANSYS 建模分析 [J] 四川建轴科学研究, (1):29-31 [11] 张哲, 等大召营高型变电构架的动力特性分析 [J] 世界地震工程,2004,20(3): [12] 阴毅潮汕星河大厦结构消能减震有限元时层分析 [J] 工程抗震与加固改造,2005,.27(3):35-40 [13] 苏玉章双塔双索面予应力混凝土斜拉桥的地震反应分析 [J] 建筑技术开发,2005,32(6):5-8 [14] 门楷, 等地基沉降计算方法的评价第二届全球华人岩土工程论坛论文集 [C], 南京 :2005, [15] 王一功, 等针对场地地震反应分析的 ANSYS 二次开发 [J] 地震工程与工程振动 2004,24(2):42-45 [16] 李培林, 等考虑土 - 结构相互作用的高层建筑抗震分析 [J] 地震工程与工程振动 2004,24(3): [17] 王满生, 等桩 - 土动力分析中接触模型的研究 [J] 岩土工程学报,2005,27(6):617~620 [18] 李向辉浅谈地下结构的抗震设计及 ANSYS 软件在其中的应用 [J] 岩土工程界,2004,7(5):55-57 [19] 陈萌横向旋涡脱落的共振分析及在工程上的应用 [J] 世界地震工程,2004,20(3):95-99 [20] 李刚基于 ANSYS 软件的大型复杂结构可靠度分析 [J] 建筑结构,2002,32(5):

上海现代设计集团建筑协同设计平台研究与应用

上海现代设计集团建筑协同设计平台研究与应用邓雪原苏昶孙朋王国俭上海交通大学土木工程系上海上海现代建筑设计集团有限公司上海本文首先分析了建筑协同设计发展过程中存在的问题指出建筑协同设计的发展需要经过二维协同设计向三维协同设计的过渡接着对适合于大型建筑设计企业的建筑协同设计平台的关键问题进行了阐述通过上海现代建筑设计集团一个实际工程项目详细描述了建筑工程协同设计的方法与过程然后对建筑协同设计的标准统一工种协同等特点和高效沟通及超大项目的应用优势进行了讨论