隨著土木工程的日益複雜和工程實踐對土木工程分析計算的要求越來越高，有限元技術在土木工程中的應用越來越廣泛。 本文主要介紹了國際大型通用有限元軟體abaqus在土木工程中的應用，主要包括其在建築工程、橋梁工程和岩土工程中的應用，以期為相關工程設計人員提供一些參考。
隨著土木工程複雜度的日益提高，工程實踐對土木工程分析計算的要求越來越高，計算機技術的不斷發展，有限元技術在土木工程中的應用和研究也得到了很好的發展。 目前，土木工程行業廣泛使用的大型通用有限元軟體包括ANSYS、MARC和ABAQUS。 本文基於工程背景，介紹了建築工程、橋梁工程、岩土工程等中大型通用有限元軟體的分析例項，本文的目的不是詳細描述有限元的分析過程，而是介紹一些分析例項，希望能為相關設計人員提供參考。
Abaqus 是一款功能強大的有限元軟體，用於工程模擬，可解決從相對簡單的線性分析到許多複雜的非線性問題。 Abaqus 包含乙個豐富的元素庫，可用於對任意幾何圖形進行建模。 它有乙個各種型別的材料模型庫，可以模擬典型工程材料的效能，包括金屬、橡膠、聚合物、複合材料、鋼筋混凝土、可壓縮超彈性泡沫以及土壤和岩石等地質材料。 作為一種通用的模擬工具，abaqus可以解決大量的結構（應力-位移）問題，以及其他工程領域的許多問題，如熱傳導、質量擴散、熱電耦合分析、聲學分析、岩土工程分析（流體滲透應力耦合分析）和壓電介質分析。
Abaqus 為使用者提供了廣泛的功能，並且使用起來非常簡單。 使用不同的選項模組組合可以很容易地模擬大量複雜的問題。 例如，通過將定義每個元件尺寸的選項模組與相應的材料屬性選項模組相結合，可以完成複雜多元件問題的模擬。 在大多數模擬中，即使是高度非線性的問題，使用者也只需要提供一些工程資料，例如結構的形狀、材料屬性、邊界條件和荷載工況。 在非線性分析中，Abaqus 會自動選擇相應的負載增量和收斂極限。 他不僅能夠選擇合適的引數，而且還能夠不斷調整引數，以確保在分析過程中有效地獲得精確的解決方案。 通過精確定義引數，使用者可以很好地控制數值計算結果。 由於其出色的分析能力和模擬複雜系統的可靠性，Abaqus 被廣泛應用於各國的工業和研究。
隨著建築結構的不斷複雜化，複雜建築結構節點和柱基的不斷湧現，以及罕見條件下結構的動態彈塑性分析，需要有限元軟體。
筆者利用abaqus軟體對鋼筋混凝土構件、混凝土填充鋼管構件、鋼筋混凝土填充鋼管構件、矩形鋼管彎曲和扭轉構件、稜柱形鋼管壓縮彎曲構件、空心箱形鋼筋混凝土構件、型鋼混凝土構件和混凝土填充鋼管疊加柱等進行了分析研究，為相關實踐提供了很好的參考專案。在此基礎上，利用ABAQUS軟體對建築結構用混凝土填充鋼管柱-鋼筋混凝土環梁接頭、矩形混凝土填充鋼管T型接頭、鋼結構鑄鋼節點、混凝土填充鋼柱和柱基進行了有限元分析，為改進相關專案的施工圖設計提供了參考。 由於篇幅所限，本文將介紹一些典型的應用例項。
由於鋼管與混凝土的相互作用，混凝土填充鋼管具有承載力高、塑性和韌性好、施工方便、耐火性好、經濟效益好等優點。 模擬混凝土填充鋼管構件的關鍵問題是確定材料的合理本構關係，並處理鋼管與混凝土之間的介面接觸。 圖1為典型混凝土填充鋼管在軸向應力作用下的計算曲線和試驗曲線的比較，圖2為典型圓形混凝土填充鋼管構件在純扭轉應力作用下的截面剪應力分布。
圖2 純扭轉應力作用下圓形混凝土填充鋼管截面剪應力分布圖。
筆者利用abaqus軟體對複雜應力條件下混凝土填充鋼管構件的工作機理進行了深入研究，並取得了良好的效果，相關研究成果已通過福建省工程建設標準《混凝土填充鋼管結構技術規程》DBJ13-51-2010、江西省工程建設標準《混凝土填充技術規程》《鋼填充鋼管結構》DB36 J001-2007和甘肅省工程建設標準《混凝土填充鋼管結構技術規程》J11395-2009通過。鋼筋混凝土具有強度高、耐火性好、抗震效能優於混凝土結構等優點，在實際工程中得到廣泛應用。 在鋼筋混凝土構件有限元分析模型中，需要考慮鋼筋與混凝土之間的粘結-滑移關係。 ABAQUS軟體提供的彈簧單元Spring2用於模擬鋼與混凝土之間的接觸行為。 鋼筋和混凝土節點通過三個Spring2彈簧單元連線，以模擬鋼筋和混凝土節點在三維空間中三個方向的接觸行為。 採用兩個垂直於鋼筋方向的彈簧元件，模擬周圍混凝土對鋼筋的抓握力，彈簧剛度可取為乙個大數。 圖3顯示了典型鋼筋混凝土梁的有限元模型以及破壞過程中的應力和應變分布。
圖3 典型鋼筋混凝土梁模型及應力和應變分布。
對於大跨度空間結構，上部屋頂為鋼結構，下部通常為混凝土結構體系。 為了將上部結構荷載安全地傳遞到混凝土結構（混凝土柱和剪力牆）中，設計中應使用可靠的節點支撐。 由於柱基接頭荷載大，關鍵部位受力複雜，其可靠的設計直接關係到整個結構的安全性。 但是，對下面複雜結構的鑄鋼接頭和混凝土頂蓋進行力學效能分析和承載力檢查沒有明確的依據，為了保證結構的安全可靠，柱基的有限元分析由abaqus進行。 對於這種複雜的三維實體模型，直接使用abaqus軟體進行建模，效率低，通常土木工程技術人員使用aut0cad軟體進行實體建模，aut0cad軟體也是大多數土木工程師熟悉的軟體。 圖4為複雜柱基的分析結果，對結構設計起到了很好的指導和改進作用。
在橋梁結構分析中，平面杆系統分析軟體和空間有限元軟體一般有兩種，主要有G**S、**X、BRIDGE DOCTOR、MIDAS、ABAQUS、ANSYS、SAP2000、ALGOR等。 目前，平面分析軟體的開發比較完善，解決了大量的實際工程問題，但不能很好地模擬結構的空間作用、區域性應力和接觸模擬。
隨著社會經濟的不斷發展和交通基礎設施的不斷完善，在交通樞紐中發揮重要作用的橋梁結構提出了“輕量化、高強度、大跨度、環保美觀”的要求。 目前，用常用的橋梁專用軟體對這種橋進行分析和計算是很困難的，採用有限元軟體abaqus對這種新型橋進行建模分析，典型例項前兩個階的振型模態如圖6所示。
圖6 典型的鋼腹板-混凝土組合橋示例。
波紋鋼腹板PC復合箱梁橋是20世紀80年代在法國應用的一種新型橋梁結構。 該結構以波紋銅板代替混凝土作為箱梁腹板，採用外預應力技術，實現主梁輕巧，增加橋梁的跨度，符合當今橋梁的發展趨勢。 由於結構的理論研究成果不能完全滿足工程設計的需要，所以用一般的平面杆系統分析軟體來設計結構是不安全的，而使用abaqus軟體可以更好地滿足我們的設計要求。 圖7為深圳市市政設計研究院設計的深圳南山大橋（採用波紋鋼腹板PC復合箱梁）效果圖和算盤有限元模型。
由於abaqus軟體提供了真實反映土體特性的本構模型，如土體的產量特性和膨脹特性，並且abaqus軟體具有強大的接觸面處理功能，因此可以很好地處理土體與結構之間的相互作用。 此外，ABAQUS提供了無限元單元，可以模擬地基無窮大處的邊界條件，因此ABAQUS軟體在岩石工程中具有良好的適應性。 下面是乙個典型的分析示例。
邊坡穩定性分析是最早的經典力學試驗中尚未得到圓滿解決的課題之一，採用有限元法分析邊坡穩定性問題，克服了傳統極限平衡法將土條視為剛體的缺點，並可考慮土的彈塑性本構關係， 以及模擬邊坡的失穩過程和滑移面的形狀，得到了越來越廣泛的應用。強度折減彈塑性有限元法是一種在邊坡穩定性分析中應用廣泛且具有良好前景的數值分析方法，它將強度折減技術與彈塑性有限元法相結合，在給定的評價指標下通過調整折減係數來分析邊坡穩定性，從而得到邊坡的最小穩定性安全係數。 筆者利用abaqus軟體和強度折減技術對某路基邊坡的穩定性進行了分析，得到了較好的分析結果，分析結果還得到了專業岩土分析軟體plaxs的驗證，相關型別和分析結果如圖8所示。
圖8 路基邊坡有限元分析
樁土相互作用是乙個相當複雜的工程問題，為了確定單樁的完整荷載-沉降關係，即p-s曲線，傳統的方法是對樁進行破壞性荷載試驗，但對於大直徑樁進行這種試驗，無論是從荷載工況還是從試驗技術上都有很大的難度， 所以可以通過有限元分析的手段。如上所述，abaqus提供了較為完整的土體本構模型和較好的考慮樁土接觸功能，因此更便於進行樁土相互作用分析。 初始原應力和側向力係數在*初始條件下設定，在地靜力條件下可以達到平衡。 圖 12 顯示了典型樁在垂直荷載作用下的土應力分析。 為了消除分析邊界對分析結果的影響，將樁端向下延伸1倍樁長，水平方向取為樁徑的20倍。
圖9 樁**相同工作分析。
本文主要介紹了國際大型通用有限元軟體abaqus在土木工程中的應用，主要包括建築工程、橋梁工程、岩土工程等領域的典型應用例項，以期為相關工程設計人員提供一些參考，希望能起到“砸磚引玉”的作用。