【STKO助力OpenSEES系列】上部结构-桩-土动力相互作用离心机试验模拟

非常感谢张同学的投稿，分享STKO 在解决结构-桩-土相互作用下的模拟经验。也可让大家了解STKO 在解决复杂研究问题中的便利性。

1 前言

OpenSEES（the Open System for Earthquake Engineering Simulation）是美国国家自然科学基金资助、太平洋地震工程学会主导的开放式软件框架。大量与时俱进的材料、单元和分析命令库使其成为模拟非线性结构特性和岩土工程的强大工具。但是由于OpenSEES的图形用户界面（GUI）并不完善，提高了其学习和使用的门槛。针对OpenSEES软件存在的上述问题，意大利软件公司ASDEA开发了一款基于OpenSEES求解器的新一代有限元软件STKO （Scientific ToolKit for OpenSees）。该软件允许用户通过图形界面对模型进行直接的前处理操作，并且对部分OpenSEES中繁琐的命令进行了优化；并且支持对计算结果进行后处理，呈现各种位移、应力、应变云图等。本文基于STKO软件，对某上部结构-桩-土系统的动力离心机案例进行了模拟，以说明软件的便利性。

2 案例

案例信息如图1所示，结构部分主要包括3×3群桩、承台和上部结构，岩土场地部分包括离心机试验采用的土层。由于模型具有对称性，为了节约分析时间，在垂直于振动方向取实际模型的一半进行分析。桩和承台、上部结构柱与承台间为刚性连接，连接采用了STKO软件中提供的beamSoildCoupling功能。该功能能够自动在梁单元和实体单元间建立连接，极大简化了建模过程。

图1 模型概况

OpenSEES中自带的zeroLengthContact单元可以用于模拟点-点间的接触，但是其需要通过局部坐标设定单元的方向，模拟桩-土接触较为不便。STKO提供了解决办法，如图2所示：通过STKO中提供的zeroLengthContactASDimplex单元，在承台-土和桩-土间设定该接触。在STKO GUI界面中可以调整单元指向类型，对于承台-土接触，由于承台与土接触面是沿坐标轴方向，因此可以在STKO中设定局部坐标，接触单元指向类型选取为’From local axes’；对于桩-土接触，由于桩的截面为圆形，桩与土的接触面单元连线呈放射状，此时可以在STKO中设定接触单元指向类型为’From Link Direction’，这样可以有效模拟桩-土的界面。除去上述操作上的简化外，STKO团队在算法上也进行了改进，提高了模型的收敛性。

图2 前处理-接触面设定

对于模型后处理，STKO支持各类云图，矢量图，和结构内力等的直接展示（图3，图4）。对于上述模型，结构变形图如下（放大50倍），可以观察到由于结构和土间存在沉降差异，桩-土，承台-土间的接触面发生了分离，有效模拟了实际情况。

图3 后处理-位移云图

图4 后处理-结构内力图

研究结果的直观展示是提高研究的传播能力的一种方式。对于计算结果的动态展示，STKO也给出了办法，在后处理程序中可以方便记录模型云图的动态变化，如图5所示。

图5 后处理-模型动态响应

最后，在STKO软件后处理模块提取了计算结果数据，并与离心机试验结果进行了比较，如图6所示。可以看到，不管是对于土表的加速度响应，以及上部结构的加速度响应，通过STKO建立的有限元模型都完成了合理的复现。

图6 STKO计算与实测对比

3 结语

OpenSEES软件具有强大的模拟结构和岩土非线性的计算能力，但其可视化程度较低以及部分繁琐命令对软件的易用性产生了一定限制。STKO软件提供了一种解决上述问题的方案。基于STKO软件，使用者可以充分发掘OpenSEES的潜力，更多将注意力转移到问题本身而不是建模过程上，更好地服务于工程、服务于科研、服务于社会。

以上为笔者本人的使用感悟，如有理解不对、不当之处，敬请批评指正。