基于ANSYS/APDL在高层建筑反应谱分析中的应用

摘要：本文作者通过ANSYS的APDL语言二次开发，建立钢筋混凝土框架剪力墙三维模型，进行结构动力特性和地震反应谱分析，计算各层最大层间位移以及位移角，从而反应结构位移形态，为结构设计提供依据。同时，为今后基于ANSYS软件平台开发和研制建筑结构分析软件提供一个新的思路和途径。

关键词：ANSYSAPDL动力特性反应谱

中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：

引言

ANSYS是世界上著名的大型有限元软件，它包括热、流体、电磁和结构等诸多模块，具有完备的前、后处理的能力，强大的求解器以及多种方便而实用的二次开发技术，被广泛用于核工业、铁道、石油化工、航天航空、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、水利水电等一般工业及科学研究。与其它有限元软件一样ANSYS包括三个部分：前处理模块、分析模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模和网格划分工具，用户可以方便的构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、一般非线性分析和高度非线性分析)、流体力学分析、电磁场分析、声场分析及多物理耦合分析，可模拟多种介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线、梯度、矢量、粒子流迹、立体切片，透明及半透明等图形方式显示出来，也可以将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。本文作者通过ANSYS的APDL语言二次开发，建立钢筋混凝土框架剪力墙三维模型，进行结构动力特性和地震反应谱分析，计算各层最大层间位移以及位移角，以反应结构位移形态，提供结构设计依据。同时，为今后基于ANSYS软件平台开发和研制建筑结构分析软件提供一个新的途径。

2 参数化程序设计技术APDL

ANSYS程序设计时，命令后往往带有参数，当结构状态改变时，命令后参数也会有所改变，这时需要用户重新输入命令。对于简单结构可以直接更改命令，但是对于大型复杂结构，要完全正确的更改并不容易。故ANSYS提供参数化程序设计技术语言APDL（ANSYS Parametric Design Language），以更方便的方式进行程序编辑。ANSYS参数化程序设计技术语言APDL是一种解释性语言，可以用来自动完成一些通用性很强的任务，也可以根据参数建立与修改模型。此外，APDL还包括其它许多特性,如重复某条命令宏、条件语句、DO循环以及标量、矢量和矩阵运算等。其别值得一提的就是用APDL作为命令式语言创建宏给用户带来了极大的方便。用户可以将经常使用的一些ANSYS命令组成一个宏。当用户执行该宏时,就相当于执行了那些ANSYS命令。宏中除了可以填写ANSYS命令外，还可以调用GUI函数，给变量赋值以及调用另一个宏。因此，宏的灵活运用会给用户在处理复杂问题时提供极大的方便。

三维模型建立

某大学综合实验教学楼共18层，结构形式为框架剪力墙结构，柱网及剪力墙布置如图1所示。

图1（a） 底层柱网与剪力墙布置图 图1（b）标准层柱网与剪力墙布置图

目前，用于结构动力分析的主要模型有剪切型模型，弯剪型模型，杆系模型和单柱模型。其中，杆系模型能够较好的分析结构受力和破坏状态。本文以杆系模型为基础，引入ANSYS软件中三维梁单元（BEAM188）和壳单元（SHELL63）。

在建立钢筋混凝土框架剪力墙三维模型过程中，梁、柱全部采用三维梁单元，楼板和剪力墙采用壳单元模型。

结构动力特性分析

结构的地震反应分析是由地震动的特性和结构的特性两方面决定的，结构采用无阻尼自由振动的频率和相应振型是结构系统的重要特性。本文采用ANSYS软件中缩减自由度方法进行求解。同时，通过国内专业软件PKPM—TAT进行计算，结构自振周期如上表1所示。

两种计算方法计算的基本周期均接近0.630秒，表明ANSYS软件的计算结果满足精度要求。ANSYS计算的前四阶振型如下：第一振型为Y方向“倒三角形”平移，第二与第三振型均为扭转振型，第四振型为Y方向平移振型；同时计算发现：第五阶以上振型均为竖向垂直振型，但振型参与系数均很小。

结构地震反应谱分析

反应谱曲线

本文按照GB50011-2010《建筑抗震设计规范》给出的反应谱曲线。西安地处Ⅱ类场地,抗震设防烈度为8度，反应谱最大地震影响系数，特征周期取，结构阻尼取0.05。

反应谱分析

根据结构反映谱理论，多自由度体系可以按照振形分解为若干个广义等效单自由度体系的组合，每个等效广义单自由度体系的地震最大反应,等于各个等效单自由度体系地震最大反应,按照SRSS,即“平方和开方”的原则求得综合反应。结构地震反应谱分析的ANSYS命令流如下：

ANTYPE, SPECTR

SPOPT, SRSS, YES

FREQ,1/6,1/5.4,1/4.8,1/4.2,1/3.6,1/3,1/2.4,1/1.8

FREQ, 1/1.5,1/1.2,1/0.9,1/0.6,1/0.3,1/0.1,1e6

SV, 0.023188, 0.025108, 0.027028, 0.028948, 0.030868, 0.032788, 0.034708, 0.036628

SV, 0.037588, 0.045948, 0.059527, 0.08574, 0.16, 0.16, 0.072

SRSS, DISP

根据振型叠加法可计算出该框架剪力墙结构的弯矩图和剪力图,

层间位移与位移角

本文作者根据ANSYS的APDL语言的二次开发技术可计算该18层框架剪力墙结构的各层位移和层间位移包络图。程序命令流如下所示：

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*DIM, CENG, TABLE, 18, 1

*DIM, CENGJIAN, TABLE, 17, 1

*DO, I, 1,18,1

CENG(I,1)=UX(NODE(KX(I*60+36),KY(I*60+36),KZ(I*60+36)))

CENG (I, 0) =I

*ENDDO

*VPLOT, CENG (1, 0), CENG (1, 1)

*DO, J, 2,18,1

*VOPER, CENGJIAN (J-1), CENG (J), SUB, CENG (J-1)

CENGJIANJ-1, 0) =J-1

*ENDDO

*VPLOT, CENGJIAN (1, 0), CENGJIAN (1, 1)

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从上位移包络图可以看出：第一层与第六层楼层屈服强度系数小于其他层；原因是本框架剪力墙结构是典型的“上刚下柔”结构，第一层与第二层结构刚度发生明显的突变，故其应采取一定的措施进行抗震加固，以满足规范设计要求。

结论

本文利用大型通用软件ANSYS及其强大的二次开发APDL语言，对高层建筑进行三维地震反应谱分析，可得出并绘出结构各层位移和层间位移角包络图，以反应结构的位移形态，提供结构设计的参考依据。

参考文献

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[2] 李杰，李国强著，地震工程学导论[M]，北京：地震出版社，1992

[3] 朱伯芳，有限单元法原理与应用[M]，北京：中国水利水电出版社，1998

[4] 龚曙光，谢桂兰，ANSYS操作命令与参数化编程[M]，北京，机械工业出版社，2004

[5] ANSYS Inc. ANSYS APDL Programmer’s Guide Release 7.0