Abaqus在建筑结构领域的创新应用

摘要： Abaqus在建筑结构领域的应用主要集中在大震弹塑性时程分析上；另外，在钢结构复杂节点的设计和验算以及抗火计算等方面，Abaqus也是主要的计算软件之一.实际上Abaqus丰富多样的功能，可以在建筑结构设计方面找到更多的用途.将其静力和线性动力计算功能用于结构设计以及将其网格划分功能用于结构布置，是较为创新的应用，希望这些工作能够抛砖引玉，使Abaqus更好地服务于建筑结构的研究和设计工作.

关键词： 结构设计； 网格； 结构布置； Abaqus

中图分类号： TU31；TB115.1文献标志码： B

引言

Abaqus是通用有限元计算软件之一，十分适合在建筑结构领域应用.在面向设计的软件所不擅长的大震弹塑性分析[1]、节点计算以及较为超前的抗火计算[2]领域，Abaqus凭借其丰富的功能、严谨的算法，有着广泛的应用.

相对于这些较为传统的应用，Abaqus的创新应用之一是将其应用于建筑结构设计，特别是钢结构设计.为实现这点，需要在Abaqus中找出与结构设计相应的诸多概念，如多工况计算、载荷组合、质量指派、刚度调整以及按设计规范[34]设置诸多与校核标准有关的概念（如计算长度系数、长细比和应力比等）.

在Abaqus中进行结构设计有一定的优势.除计算结果更为严谨、精准外，Abaqus特别适用于几何外形复杂、受力体系新颖的结构；此外，方便、快捷的视图操作，也有相当大的吸引力.

Abaqus的创新应用之二，是将其用于结构布置.随着经济发展，技术手段和人们的审美观日益变化，使得异形结构的应用越来越多.这类结构的构件布置往往不能使用传统的平面方法，其结构外形变化多端，空间走向的扭曲复杂，要在这样的外形上布置出一定的纹理，靠手工或简单的投影往往无能为力.有限元网格划分技术特别适用于这种情况，Abaqus中的网格划分有诸多参数控制，可以帮助设计人员方便、快捷地实现复杂的结构布置.

1Abaqus用于结构设计

Abaqus本身支持多工况计算，后处理中支持多工况结果叠加.由于建筑结构设计中往往只涉及小变形计算，故这一内置支持对于绝大多数的设计工作已经足够.如果需要考虑大变形有影响，那么可以通过多次计算实现多工况.Abaqus支持将多次计算自动化，通过开发，还可将多次计算的结果叠加自动化.

这样一来，多工况和载荷组合的问题迎刃而解.事实上，由于Abaqus支持多步接续计算，可以实现非线性叠加，得到比设计中常用的多工况简单叠加更为精准的结果，更有助于在设计中准确了解结构的受力状态.Abaqus中有质量单元，可以很方便地调配结构各部分的质量.Abaqus中的杆件截面支持直接输入各截面参数，可以对截面刚度进行各种调节.至于按照规范进行校核，只要利用后处理的开发接口，实现若干公式的自动判别即可.

将上述技术路线用于某工程，得到的楼板在地震工况下的应力云图见图1，该计算结果可用于随后的配筋、验算等.与常用的设计软件相比，Abaqus的图形显示更为准确、快捷和直观，有助于更好地观察设计计算的结果.（a）恒载工况

（b）1.2恒+1.3X向地震组合

图 1Abaqus中的楼板应力云图

2Abaqus用于结构布置

将有限元网格划分技术用于结构布置，是由异形结构的蓬勃发展带来的新思路.如在某小型建筑雕塑的设计中，在结构构件同时承担建筑造型的情况下，结构设计人员获得完全决定建筑造型的自，同时也面临空间关系复杂、空间定位困难等障碍.

引入Abaqus的网格划分技术，得到外观与受力均较为合适的结构布置，成为设计工作的关键一环.Abaqus中对异形雕塑曲面划分网格见图2.再辅以若干数据格式转换工具，将Abaqus生成的网格转换成杆件结构模型，就可用于下一步的结构设计.

图 2Abaqus中对异形雕塑曲面划分网格

在Abaqus中可以划分三角形和四边形，对四边形划分提供Medial Axis和Advancing Front等2种算法，并且可以较随意地调整各部分的网格尺寸，这些功能都是结构布置的强大武器.

这种方法不仅可以用于小型结构.事实上，在外形复杂的大型结构中，其准确、快捷的显示会带来更大的收获.某大型结构使用Abaqus进行结构布置，见图3，其是一个占地近7 000 m2的钢结构场馆，长150 m，宽70 m，高40 m，由2万多根构件组成.

（a）立体单线图

（b）Abaqus中的网格图

图 3使用Abaqus进行结构布置的某大型结构

这一结构的外形由多重体系组成，相互之间纵横交错，连接关系极为复杂，结构连接关系细节见图4.如果依靠传统的手段进行结构布置，不仅费时费力，而且在这样走向复杂、连接复杂的外形上也是不可能的.引入Abaqus的网格划分功能，对快捷地完成这一工作至为关键.

4结束语

Abaqus的功能十分丰富，在建筑结构设计工作中，尚有不少可以挖掘其潜力的地方.相信随着技术的不断进步，Abaqus在建筑结构领域会有更大的用途.

参考文献：

[1]陆新征. 建筑抗震弹塑性分析[M]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2009： 105107.

[2]李国强. 钢结构及钢混凝土组合结构抗火设计[M]. 北京： 中国建筑工业出版社， 2006： 2122.

[3]GB 50017—2003钢结构设计规范[S].

[4]GB 50010—2010混凝土结构设计规范[S].（编辑陈锋杰）