多元軟件交叉應(yīng)用的框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力求解通用程序

高云龍，張永冠，張明強(qiáng)

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430056)

多元軟件交叉應(yīng)用的框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力求解通用程序

高云龍，張永冠，張明強(qiáng)

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北武漢 430056)

目前有多種計(jì)算框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力的軟件，例如SAP2000，ANSYS等，但是單一的采用這些軟件計(jì)算框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力時(shí)，過程復(fù)雜，并且很難得到直觀、易用的通用計(jì)算程序。本文通過EXCEL與ANSYS兩種軟件的交叉應(yīng)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(jié)構(gòu)內(nèi)力通用計(jì)算程序。結(jié)合明挖地鐵車站和U形槽兩種典型結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例，本文給出了通用程序的詳細(xì)算例，可以極大地提高工作效率。此通用程序可為從事相關(guān)研究與設(shè)計(jì)人員提供參考。

框架結(jié)構(gòu) VBA語言 APDL語言

框架結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件為柱、梁、板，在地面建筑以及地下結(jié)構(gòu)中有著廣泛的應(yīng)用，例如:明挖地鐵車站結(jié)構(gòu)、高層房屋結(jié)構(gòu)等[1-3]。目前 SAP2000，ANSYS 等程序均可實(shí)現(xiàn)其內(nèi)力計(jì)算，但是單一的軟件應(yīng)用在其結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算時(shí)過程較為復(fù)雜，雖然ANSYS軟件可以采用APDL語言編程實(shí)現(xiàn)其計(jì)算過程[4-5]，但是當(dāng)結(jié)構(gòu)形式改變之后，其程序改寫過程仍較復(fù)雜。在通用程序中，需要判斷結(jié)構(gòu)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(yīng)用的方式，完成框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力通用計(jì)算程序。

1 平面梁單元有限元方程

在框架結(jié)構(gòu)通用內(nèi)力計(jì)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(biāo)系下單元?jiǎng)偠染仃嚍槠渲校琜k]e為局部坐標(biāo)系下單元?jiǎng)偠染仃嚒，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(zhuǎn)換矩陣[T]為

式中，α為梁單元與x軸夾角。

則整體坐標(biāo)系下單元?jiǎng)偠染仃嚍?/p>

其中，[K]e為整體坐標(biāo)系下單元?jiǎng)偠染仃?[T]T為剛度轉(zhuǎn)化矩陣[T]的轉(zhuǎn)置。

匯合所有單元的剛度矩陣即得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的總剛矩陣[K]，得到平衡方程

其中，{δ}為整體結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)位移矩陣;{F}為整體結(jié)構(gòu)的荷載矩陣。

求解出平衡方程即可得到單元內(nèi)力。

2 設(shè)計(jì)思路及流程

ANSYS計(jì)算流程如圖1所示。在建立框架結(jié)構(gòu)模型的過程中需要綜合運(yùn)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(jié)構(gòu)的形式，如圖2所示的四種結(jié)構(gòu)均為框架結(jié)構(gòu)，但如果用通用程序把四種結(jié)構(gòu)全部包含進(jìn)去，又需要跳出結(jié)構(gòu)形式的束縛。考慮到數(shù)值模型是由點(diǎn)和線組成的，因此，在通用處理程序中，只針對點(diǎn)和線進(jìn)行處理，即先建出關(guān)鍵點(diǎn)，存在線的地方再由點(diǎn)連接成線。這樣建模過程中的難點(diǎn)轉(zhuǎn)換為基本參數(shù)的對應(yīng)，例如:建立幾何模型時(shí)，點(diǎn)與線的對應(yīng);劃分單元時(shí)單元類型、實(shí)常數(shù)、材料屬性與結(jié)構(gòu)中構(gòu)件位置的對應(yīng);地基彈簧的范圍及地基彈簧系數(shù)的對應(yīng)等，而APDL語言不能智能化地解決這些問題。

圖1 ANSYS計(jì)算流程

圖2 幾種框架結(jié)構(gòu)示意

設(shè)想有這樣一個(gè)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(yīng)起來，那么實(shí)現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)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(yīng)很好地解決這個(gè)問題。以圖3為例，將點(diǎn)的坐標(biāo)輸入之后，生成線的時(shí)候可以直接將點(diǎn)的坐標(biāo)指定給線，同時(shí)還可以將實(shí)常數(shù)、材料屬性、荷載值直接指定給線。

以圖3中關(guān)鍵點(diǎn)的建立為例，將關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)輸入EXCEL之后，通過VBA語言[7]將關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)輸出到文本文件之中，這樣基本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ANSYS可執(zhí)行的APDL語言，構(gòu)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(zhuǎn)變?yōu)锳PDL語言。進(jìn)而利用ANSYS進(jìn)行計(jì)算，而計(jì)算得到的結(jié)果又可以寫入文件，進(jìn)而再次利用EXCEL讀入這些文件進(jìn)行處理。通過兩種語言的交叉引用，使得原本復(fù)雜的計(jì)算過程變得簡單明了。

圖3 基本信息對應(yīng)示意

通用程序設(shè)計(jì)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(jié)果并處理。

3 通用程序在工程中的應(yīng)用

3.1 通用程序在明挖地鐵車站中的應(yīng)用

某明挖雙層地鐵車站結(jié)構(gòu)如圖4所示，地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。結(jié)構(gòu)采用C35混凝土，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)有復(fù)合防水板，此結(jié)構(gòu)屬于復(fù)合結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)計(jì)算模型如圖5所示。

圖4 明挖雙層地鐵車站結(jié)構(gòu)示意(單位:m)

圖5 計(jì)算模型示意

表1 地層物理力學(xué)參數(shù)

1)基本參數(shù)編號

如圖6所示，根據(jù)力學(xué)模型，先定好點(diǎn)的編號、坐標(biāo)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(gòu)件厚度、地基抗力系數(shù)、材料屬性、點(diǎn)坐標(biāo)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(jié)果。

3)結(jié)果及處理

圖6 基本參數(shù)編號

運(yùn)行ANSYS之后結(jié)果如圖7所示。同時(shí)可將ANSYS運(yùn)行結(jié)果提取到文件，用EXCEL讀入文件處理結(jié)果。

3.2 通用程序在U形槽結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

地下結(jié)構(gòu)中經(jīng)常遇到U形槽結(jié)構(gòu)。某U形槽結(jié)構(gòu)如圖8所示。計(jì)算模型如圖9所示。地質(zhì)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(xué)模型，先定好點(diǎn)的編號、坐標(biāo)以及線的編號。

圖7 雙層三跨地鐵車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力

圖8U形槽結(jié)構(gòu)示意(單位:m)

圖9 計(jì)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(gòu)件厚度、地基抗力系數(shù)、材料屬性、點(diǎn)坐標(biāo)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(jié)果。

3)結(jié)果及處理

運(yùn)行ANSYS之后結(jié)果如圖11所示。

4 結(jié)論

1)提出了EXCEL與ANSYS交叉引用實(shí)現(xiàn)處理復(fù)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(jié)構(gòu)計(jì)算，使得程序具有很強(qiáng)的直觀性、易用性。

圖11 U形槽結(jié)構(gòu)內(nèi)力

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

3)使用通用程序進(jìn)行計(jì)算，可以極大地提高工作效率。

[1]吳能森.地下工程結(jié)構(gòu)[M].武漢:武漢理工大學(xué)出版社，2010.

[2]宋益斌.框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的力學(xué)問題解析[J].新疆化工，2010(1):53.

[3]王祖華.高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社，2008.

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

[5]王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)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(zé)任審編 白敏華)