多元软件交叉应用的框架结构内力求解通用程序

高云龙，张永冠，张明强

(中交第二公路勘察设计院有限公司，湖北武汉 430056)

多元软件交叉应用的框架结构内力求解通用程序

高云龙，张永冠，张明强

(中交第二公路勘察设计院有限公司，湖北武汉 430056)

目前有多种计算框架结构内力的软件，例如SAP2000，ANSYS等，但是单一的采用这些软件计算框架结构内力时，过程复杂，并且很难得到直观、易用的通用计算程序。本文通过EXCEL与ANSYS两种软件的交叉应用，联合使用VBA语言以及APDL语言，编写了直观、易用的框架结构内力通用计算程序。结合明挖地铁车站和U形槽两种典型结构的工程实例，本文给出了通用程序的详细算例，可以极大地提高工作效率。此通用程序可为从事相关研究与设计人员提供参考。

框架结构 VBA语言 APDL语言

框架结构的基本构件为柱、梁、板，在地面建筑以及地下结构中有着广泛的应用，例如:明挖地铁车站结构、高层房屋结构等[1-3]。目前 SAP2000，ANSYS 等程序均可实现其内力计算，但是单一的软件应用在其结构内力计算时过程较为复杂，虽然ANSYS软件可以采用APDL语言编程实现其计算过程[4-5]，但是当结构形式改变之后，其程序改写过程仍较复杂。在通用程序中，需要判断结构的形式和地基弹簧分布在什么范围内，荷载大小及分布形式等诸多问题。本文通过EXCEL与ANSYS交叉应用的方式，完成框架结构内力通用计算程序。

1 平面梁单元有限元方程

在框架结构通用内力计算程序中主要采用的单元为link10单元和beam3单元，以平面梁单元为例简介有限元方程的建立[6]。

平面梁单元局部坐标系下单元刚度矩阵为其中，[k]e为局部坐标系下单元刚度矩阵。E，A，I，l分别为杆件的弹性模量，截面面积，截面惯性矩和单元长度。

刚度转换矩阵[T]为

式中，α为梁单元与x轴夹角。

则整体坐标系下单元刚度矩阵为

其中，[K]e为整体坐标系下单元刚度矩阵;[T]T为刚度转化矩阵[T]的转置。

汇合所有单元的刚度矩阵即得到整个结构的总刚矩阵[K]，得到平衡方程

其中，{δ}为整体结构的节点位移矩阵;{F}为整体结构的荷载矩阵。

求解出平衡方程即可得到单元内力。

2 设计思路及流程

ANSYS计算流程如图1所示。在建立框架结构模型的过程中需要综合运用“自下而上”和“自上而下”两种建模方法。一般而言建模过程中首先要考虑结构的形式，如图2所示的四种结构均为框架结构，但如果用通用程序把四种结构全部包含进去，又需要跳出结构形式的束缚。考虑到数值模型是由点和线组成的，因此，在通用处理程序中，只针对点和线进行处理，即先建出关键点，存在线的地方再由点连接成线。这样建模过程中的难点转换为基本参数的对应，例如:建立几何模型时，点与线的对应;划分单元时单元类型、实常数、材料属性与结构中构件位置的对应;地基弹簧的范围及地基弹簧系数的对应等，而APDL语言不能智能化地解决这些问题。

图1 ANSYS计算流程

图2 几种框架结构示意

设想有这样一个软件能够直观地输入这些基本参数，并且能将这些基本参数相互对应起来，那么实现框架结构内力计算通用程序变得易如反掌。EXCEL恰恰就是这样的软件，它能通过单元格的相互对应很好地解决这个问题。以图3为例，将点的坐标输入之后，生成线的时候可以直接将点的坐标指定给线，同时还可以将实常数、材料属性、荷载值直接指定给线。

以图3中关键点的建立为例，将关键点的坐标输入EXCEL之后，通过VBA语言[7]将关键点的坐标输出到文本文件之中，这样基本数据转换为ANSYS可执行的APDL语言，构件的厚度、材料属性、地基弹簧抗力系数也可以采用同样的方法转变为APDL语言。进而利用ANSYS进行计算，而计算得到的结果又可以写入文件，进而再次利用EXCEL读入这些文件进行处理。通过两种语言的交叉引用，使得原本复杂的计算过程变得简单明了。

图3 基本信息对应示意

通用程序设计流程为①基本参数编号;②基本参数输入 EXCEL工作表;③执行 VBA代码;④执行ANSYS宏命令;⑤提取结果并处理。

3 通用程序在工程中的应用

3.1 通用程序在明挖地铁车站中的应用

某明挖双层地铁车站结构如图4所示，地层物理力学参数见表1。结构采用C35混凝土，在围护结构与主体结构之间设有复合防水板，此结构属于复合结构。结构计算模型如图5所示。

图4 明挖双层地铁车站结构示意(单位:m)

图5 计算模型示意

表1 地层物理力学参数

1)基本参数编号

如图6所示，根据力学模型，先定好点的编号、坐标以及线的编号。

2)基本参数输入EXCEL并执行程序

如图3中所示，将构件厚度、地基抗力系数、材料属性、点坐标等基本参数按顺序输入EXCEL表中。执行VBA程序代码及ANSYS宏命令即可得到结果。

3)结果及处理

图6 基本参数编号

运行ANSYS之后结果如图7所示。同时可将ANSYS运行结果提取到文件，用EXCEL读入文件处理结果。

3.2 通用程序在U形槽结构中的应用

地下结构中经常遇到U形槽结构。某U形槽结构如图8所示。计算模型如图9所示。地质资料如3.1中表1所示。

1)基本参数编号

如图10所示，根据力学模型，先定好点的编号、坐标以及线的编号。

图7 双层三跨地铁车站结构内力

图8U形槽结构示意(单位:m)

图9 计算模型

图10 基本参数编号

2)基本参数输入EXCEL

如图3所示，将构件厚度、地基抗力系数、材料属性、点坐标等基本参数按顺序输入EXCEL表中。执行VBA程序代码及ANSYS宏命令即可得到结果。

3)结果及处理

运行ANSYS之后结果如图11所示。

4 结论

1)提出了EXCEL与ANSYS交叉引用实现处理复杂程序的方法，由于基本参数均在EXCEL中输入，即使不会使用ANSYS，也能完成结构计算，使得程序具有很强的直观性、易用性。

图11 U形槽结构内力

2)得出了通用框架结构内力计算程序，该程序跳出结构形式的限制，把结构作为点和线处理，增强了其适用范围，既可以解决地铁车站及明挖隧道中的复合结构、叠合结构的内力计算，又可以解决隧道出入段线U形槽结构的计算，还可用于地面框架结构的内力计算。

3)使用通用程序进行计算，可以极大地提高工作效率。

[1]吴能森.地下工程结构[M].武汉:武汉理工大学出版社，2010.

[2]宋益斌.框架结构设计中的力学问题解析[J].新疆化工，2010(1):53.

[3]王祖华.高层建筑结构设计[M].广州:华南理工大学出版社，2008.

[4]龚曙光.ANSYS操作命令与参数化编程[M].北京:机械工业出版社，2003:1-105.

[5]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社，2007:230-293.

[6]赵奎.有限元简明教程[M].北京:冶金工业出版社，2009:21-27.

[7]彭彬译.办公宝典——Excel 2003/2002/2000 VBA 大全[M].北京:人民邮电出版社，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

高云龙(1985— )，男，山东莱芜人，工程师。

(责任审编 白敏华)