随着土木工程的日益复杂和工程实践对土木工程分析计算的要求越来越高，有限元技术在土木工程中的应用越来越广泛。 本文主要介绍了国际大型通用有限元软件abaqus在土木工程中的应用，主要包括其在建筑工程、桥梁工程和岩土工程中的应用，以期为相关工程设计人员提供一些参考。
随着土木工程复杂度的日益提高，工程实践对土木工程分析计算的要求越来越高，计算机技术的不断发展，有限元技术在土木工程中的应用和研究也得到了很好的发展。 目前，土木工程行业广泛使用的大型通用有限元软件包括ANSYS、MARC和ABAQUS。 本文基于工程背景，介绍了建筑工程、桥梁工程、岩土工程等中大型通用有限元软件的分析实例，本文的目的不是详细描述有限元的分析过程，而是介绍一些分析实例，希望能为相关设计人员提供参考。
Abaqus 是一款功能强大的有限元软件，用于工程仿真，可解决从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。 Abaqus 包含一个丰富的元素库，可用于对任意几何图形进行建模。 它有一个各种类型的材料模型库，可以模拟典型工程材料的性能，包括金属、橡胶、聚合物、复合材料、钢筋混凝土、可压缩超弹性泡沫以及土壤和岩石等地质材料。 作为一种通用的仿真工具，abaqus可以解决大量的结构（应力-位移）问题，以及其他工程领域的许多问题，如热传导、质量扩散、热电耦合分析、声学分析、岩土工程分析（流体渗透应力耦合分析）和压电介质分析。
Abaqus 为用户提供了广泛的功能，并且使用起来非常简单。 使用不同的选项模块组合可以很容易地模拟大量复杂的问题。 例如，通过将定义每个组件尺寸的选项模块与相应的材料属性选项模块相结合，可以完成复杂多组件问题的仿真。 在大多数仿真中，即使是高度非线性的问题，用户也只需要提供一些工程数据，例如结构的形状、材料属性、边界条件和荷载工况。 在非线性分析中，Abaqus 会自动选择相应的负载增量和收敛极限。 他不仅能够选择合适的参数，而且还能够不断调整参数，以确保在分析过程中有效地获得精确的解决方案。 通过精确定义参数，用户可以很好地控制数值计算结果。 由于其出色的分析能力和模拟复杂系统的可靠性，Abaqus 被广泛应用于各国的工业和研究。
随着建筑结构的不断复杂化，复杂建筑结构节点和柱基的不断涌现，以及罕见条件下结构的动态弹塑性分析，需要有限元软件。
笔者利用abaqus软件对钢筋混凝土构件、混凝土填充钢管构件、钢筋混凝土填充钢管构件、矩形钢管弯曲和扭转构件、棱柱形钢管压缩弯曲构件、空心箱形钢筋混凝土构件、型钢混凝土构件和混凝土填充钢管叠加柱等进行了分析研究，为相关实践提供了很好的参考项目。在此基础上，利用ABAQUS软件对建筑结构用混凝土填充钢管柱-钢筋混凝土环梁接头、矩形混凝土填充钢管T型接头、钢结构铸钢节点、混凝土填充钢柱和柱基进行了有限元分析，为改进相关项目的施工图设计提供了参考。 由于篇幅所限，本文将介绍一些典型的应用实例。
由于钢管与混凝土的相互作用，混凝土填充钢管具有承载力高、塑性和韧性好、施工方便、耐火性好、经济效益好等优点。 模拟混凝土填充钢管构件的关键问题是确定材料的合理本构关系，并处理钢管与混凝土之间的界面接触。 图1为典型混凝土填充钢管在轴向应力作用下的计算曲线和试验曲线的比较，图2为典型圆形混凝土填充钢管构件在纯扭转应力作用下的截面剪应力分布。
图2 纯扭转应力作用下圆形混凝土填充钢管截面剪应力分布图。
笔者利用abaqus软件对复杂应力条件下混凝土填充钢管构件的工作机理进行了深入研究，并取得了良好的效果，相关研究成果已通过福建省工程建设标准《混凝土填充钢管结构技术规程》DBJ13-51-2010、江西省工程建设标准《混凝土填充技术规程》《钢填充钢管结构》DB36 J001-2007和甘肃省工程建设标准《混凝土填充钢管结构技术规程》J11395-2009通过。钢筋混凝土具有强度高、耐火性好、抗震性能优于混凝土结构等优点，在实际工程中得到广泛应用。 在钢筋混凝土构件有限元分析模型中，需要考虑钢筋与混凝土之间的粘结-滑移关系。 ABAQUS软件提供的弹簧单元Spring2用于模拟钢与混凝土之间的接触行为。 钢筋和混凝土节点通过三个Spring2弹簧单元连接，以模拟钢筋和混凝土节点在三维空间中三个方向的接触行为。 采用两个垂直于钢筋方向的弹簧元件，模拟周围混凝土对钢筋的抓握力，弹簧刚度可取为一个大数。 图3显示了典型钢筋混凝土梁的有限元模型以及破坏过程中的应力和应变分布。
图3 典型钢筋混凝土梁模型及应力和应变分布。
对于大跨度空间结构，上部屋顶为钢结构，下部通常为混凝土结构体系。 为了将上部结构荷载安全地传递到混凝土结构（混凝土柱和剪力墙）中，设计中应使用可靠的节点支撑。 由于柱基接头荷载大，关键部位受力复杂，其可靠的设计直接关系到整个结构的安全性。 但是，对下面复杂结构的铸钢接头和混凝土顶盖进行力学性能分析和承载力检查没有明确的依据，为了保证结构的安全可靠，柱基的有限元分析由abaqus进行。 对于这种复杂的三维实体模型，直接使用abaqus软件进行建模，效率低，通常土木工程技术人员使用aut0cad软件进行实体建模，aut0cad软件也是大多数土木工程师熟悉的软件。 图4为复杂柱基的分析结果，对结构设计起到了很好的指导和改进作用。
在桥梁结构分析中，平面杆系统分析软件和空间有限元软件一般有两种，主要有G**S、**X、BRIDGE DOCTOR、MIDAS、ABAQUS、ANSYS、SAP2000、ALGOR等。 目前，平面分析软件的开发比较完善，解决了大量的实际工程问题，但不能很好地模拟结构的空间作用、局部应力和接触模拟。
随着社会经济的不断发展和交通基础设施的不断完善，在交通枢纽中发挥重要作用的桥梁结构提出了“轻量化、高强度、大跨度、环保美观”的要求。 目前，用常用的桥梁专用软件对这种桥进行分析和计算是很困难的，采用有限元软件abaqus对这种新型桥进行建模分析，典型实例前两个阶的振型模态如图6所示。
图6 典型的钢腹板-混凝土组合桥示例。
波纹钢腹板PC复合箱梁桥是20世纪80年代在法国应用的一种新型桥梁结构。 该结构以波纹铜板代替混凝土作为箱梁腹板，采用外预应力技术，实现主梁轻巧，增加桥梁的跨度，符合当今桥梁的发展趋势。 由于结构的理论研究成果不能完全满足工程设计的需要，所以用一般的平面杆系统分析软件来设计结构是不安全的，而使用abaqus软件可以更好地满足我们的设计要求。 图7为深圳市市政设计研究院设计的深圳南山大桥（采用波纹钢腹板PC复合箱梁）效果图和算盘有限元模型。
由于abaqus软件提供了真实反映土体特性的本构模型，如土体的产量特性和膨胀特性，并且abaqus软件具有强大的接触面处理功能，因此可以很好地处理土体与结构之间的相互作用。 此外，ABAQUS提供了无限元单元，可以模拟地基无穷大处的边界条件，因此ABAQUS软件在岩石工程中具有良好的适应性。 下面是一个典型的分析示例。
边坡稳定性分析是最早的经典力学试验中尚未得到圆满解决的课题之一，采用有限元法分析边坡稳定性问题，克服了传统极限平衡法将土条视为刚体的缺点，并可考虑土的弹塑性本构关系， 以及模拟边坡的失稳过程和滑移面的形状，得到了越来越广泛的应用。强度折减弹塑性有限元法是一种在边坡稳定性分析中应用广泛且具有良好前景的数值分析方法，它将强度折减技术与弹塑性有限元法相结合，在给定的评价指标下通过调整折减系数来分析边坡稳定性，从而得到边坡的最小稳定性安全系数。 笔者利用abaqus软件和强度折减技术对某路基边坡的稳定性进行了分析，得到了较好的分析结果，分析结果还得到了专业岩土分析软件plaxs的验证，相关类型和分析结果如图8所示。
图8 路基边坡有限元分析
桩土相互作用是一个相当复杂的工程问题，为了确定单桩的完整荷载-沉降关系，即p-s曲线，传统的方法是对桩进行破坏性荷载试验，但对于大直径桩进行这种试验，无论是从荷载工况还是从试验技术上都有很大的难度， 所以可以通过有限元分析的手段。如上所述，abaqus提供了较为完整的土体本构模型和较好的考虑桩土接触功能，因此更便于进行桩土相互作用分析。 初始原应力和侧向力系数在*初始条件下设定，在地静力条件下可以达到平衡。 图 12 显示了典型桩在垂直荷载作用下的土应力分析。 为了消除分析边界对分析结果的影响，将桩端向下延伸1倍桩长，水平方向取为桩径的20倍。
图9 桩**相同工作分析。
本文主要介绍了国际大型通用有限元软件abaqus在土木工程中的应用，主要包括建筑工程、桥梁工程、岩土工程等领域的典型应用实例，以期为相关工程设计人员提供一些参考，希望能起到“砸砖引玉”的作用。