提要：OpenSees作為當(dāng)今最為流行的非線性分析軟件，具有開發(fā)源代碼，單元庫與功能強(qiáng)大的特點(diǎn)。本文運(yùn)用OpenSees與一箱形鋼柱在往復(fù)荷載作用下的試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，OpenSees分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，能放映出鋼柱的強(qiáng)度與剛度的退化。
　　關(guān)鍵詞：OpenSees，非線性分析，鋼柱，往復(fù)荷載。
　　1引言
　　OpenSees(OpenSystemforEarthquakeEngineeringSimulation)是由美國國家自然科學(xué)基金(NationalScienceFoundation，簡(jiǎn)稱NSF)資助，太平洋地震工程研究中心(PacificEarthquakeEngineeringResearchCenter，簡(jiǎn)稱PEER)牽頭，由加州大學(xué)伯克利分校為主導(dǎo)研發(fā)，主要用于模擬結(jié)構(gòu)或巖土在地震作用下反應(yīng)的計(jì)算平臺(tái)。
　　2OpenSees概述與特點(diǎn)
　　OpenSees的組件框架如圖1，其特點(diǎn)[1]主要有：1）正如其名，OpenSees是完全免費(fèi)且開放源代碼的計(jì)算平臺(tái)，太平洋地震工程研究中心(PEER)把它應(yīng)用于基于性能的地震工程研究領(lǐng)域中。最初的OpenSees項(xiàng)目的核心開發(fā)小組都是太平洋地震工程研究中心(PEER)的成員，隨著軟件框架的發(fā)展，項(xiàng)目也支持其他科研工作者和工程技術(shù)人員的參與，因此也包含了許多其他學(xué)者的成果。2）OpenSees由C++語言開發(fā)，采用面向?qū)ο蟮能浖�開發(fā)技術(shù)，易于擴(kuò)展。它具有集成己有程序庫和分析組件的能力，它易于改進(jìn)和協(xié)同開發(fā)，研究人員可以通過協(xié)作開發(fā)來適時(shí)反映單元、材料和計(jì)算技術(shù)等新的發(fā)展。引入了許多業(yè)已成熟的Fortran庫文件為己所用(如FEAP，F(xiàn)EDEAS材料，drain系列)。3）OpenSees命令由解釋器來解釋,它的解釋器是Tcl/Tk腳本語言的擴(kuò)展。OpenSees解釋器把有關(guān)有限元分析的命令增加到Tcl/Tk中，每一個(gè)命令和一個(gè)C++程序相聯(lián)系，這樣當(dāng)解析器將命令解析后就會(huì)調(diào)用相應(yīng)的程序。用腳本語言Tcl/Tk作為其接口，Tcl/Tk可以看作是輸入命令和OpenSees之間的外殼，OpenSees允許用戶創(chuàng)建新的命令（如：建立模型、定義單元和節(jié)點(diǎn)等）增加到Tcl/Tk解釋器中，由Tcl/Tk解釋器解析后調(diào)用相應(yīng)的OpenSees功能模塊。4）分析功能強(qiáng)大，數(shù)值模擬精度高。OpenSees目前具有的分析功能有：靜力和動(dòng)力線彈性分析，模態(tài)分析，靜力非線性分析，動(dòng)力非線性分析等，還可用于結(jié)構(gòu)和巖土體系在地震作用下的可靠度及靈敏度的分析。具有高效實(shí)用的運(yùn)算法則和收斂判斷準(zhǔn)則，己廣泛用于太平洋地震工程研究中心(PEER)和美國其它一些大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)的科研項(xiàng)目中，較好的模擬了包括鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、橋梁、巖土工程在內(nèi)眾多的實(shí)際工程和振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)項(xiàng)目，證明其具有較好的非線性數(shù)值模擬精度，正在引起世界各國結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域眾多研究人員的關(guān)注和重視。5）發(fā)展為具有并行計(jì)算，分布式計(jì)算和網(wǎng)格計(jì)算能力，可以解決大型和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的計(jì)算問題。
　　6）OpenSees的官方網(wǎng)站為其研究、交流使用經(jīng)驗(yàn)和再開發(fā)提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。
　　OpenSees中強(qiáng)大的材料、單元庫和多元化的分析方法是它被廣泛應(yīng)用于研究和分析領(lǐng)域的重要原因。
　　在材料非線性中，OpenSees具有不同層次的材料非線性模式，有材料層次上的非線性、截面層次上的非線性和單元層次上的非線性。OpenSees集合了多種常用的，在工程界和學(xué)術(shù)界被廣泛認(rèn)可的的材料本構(gòu)關(guān)系，而且隨著研究的深入，它還在不斷的豐富中。OpenSees中具有多種截面形式，有簡(jiǎn)單的彈性截面，有常用的纖維單元截面，也有復(fù)雜的彎矩－軸力－剪力耦合的截面形式。在單元上，OpenSees有彈性單元，集中塑性單元和分布塑性單元，能很好的模擬不同的材料，也能滿足不同用戶在精度與計(jì)算時(shí)間上的要求。從不同的積分方法上分，既有傳統(tǒng)的應(yīng)用位移插值函數(shù)的基于力的單元，也有改進(jìn)了的有更好收斂性的應(yīng)用力插值函數(shù)的基于位移的單元。在幾何非線性中，OpenSees有能考慮P－delta效應(yīng)和大變形的功能。OpenSees具有零長度單元，用于分析材料的力－位移關(guān)系；二維和三維的節(jié)點(diǎn)單元，可更好的模擬整體結(jié)構(gòu)在作用下的反應(yīng)。更重要的是，OpenSees作為一個(gè)開放性的平臺(tái)，它的發(fā)展與進(jìn)步并不局限依靠于少數(shù)的開發(fā)人員，而是面對(duì)所有的使用者，使用者都可以把最先進(jìn)的理論加入到OpenSees中，這就是OpenSees區(qū)別于其他分析軟件的最大優(yōu)勢(shì)。
　　2OpenSees分析結(jié)果與試驗(yàn)的對(duì)比
　　該試驗(yàn)為箱形鋼柱在往復(fù)荷載作用下的性能試驗(yàn)，所用的鋼材為BCR295鋼，其最小屈服強(qiáng)度為295N/mm2，鋼柱截面為300mm×300mm，壁厚為9mm的箱形截面，試驗(yàn)加載設(shè)備如圖2。
　　試驗(yàn)加載以位移（）控制，分別在0°和45°方向加載，兩個(gè)方向的加載時(shí)程見圖3和圖4。
　　
　　
　　圖1OpenSees的組件框架                             圖2試驗(yàn)加載設(shè)備
　　
　　圖30°方向的加載時(shí)程                                                                                圖445°方向的加載時(shí)程
　　利用Steel02材料對(duì)鋼柱進(jìn)行模擬，Steel02材料是單軸各向同性應(yīng)變硬化的Giuffre-Menegotto-Pinto材料[2]，專門用于模擬鋼材。Steel02材料的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5。
　　
　　圖5Steel02材料的應(yīng)力－應(yīng)變曲線               圖60°方向的加載時(shí)程                       圖745°方向的加載時(shí)程
　　（實(shí)線為試驗(yàn)結(jié)果，虛線為OpenSees分析結(jié)果）
　　柱截面采用纖維模型(FiberSection)，纖維模型的主要思路是將分析截面細(xì)化為若干個(gè)小單元，即纖維，并在假定整個(gè)截面符合平截面的情況下認(rèn)為每根纖維均處于單軸應(yīng)力狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)相應(yīng)纖維材料的單軸應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系來計(jì)算整個(gè)截面的力－變形的關(guān)系。在構(gòu)件的選擇上，選用了應(yīng)用柔度算法的非線性梁柱單元(NonlinearBeamColumnElement)，該非線性梁柱單元具有分布塑性的特征[2][3]。試驗(yàn)主要測(cè)量出B點(diǎn)的轉(zhuǎn)角與彎矩的關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果與OpenSees分析結(jié)果的對(duì)比見圖6和圖7。
　　從圖6和圖7可看出，OpenSees分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，能反映出鋼柱在往復(fù)力作用下的強(qiáng)度和剛度的退化。
　　3結(jié)論
　　本文基于OpenSees平臺(tái)，采用Steel02材料，纖維單元截面和非線性梁柱單元建立了箱形鋼柱在往復(fù)荷載作用下的計(jì)算模型，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。OpenSees作為當(dāng)今最為流行的非線性分析軟件平臺(tái)，其計(jì)算理論和結(jié)果是可信的，而且分析精度比較好，與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。OpenSees作為一個(gè)開發(fā)性的軟件平臺(tái)，因其面向所有的使用者，開發(fā)、發(fā)展的任務(wù)并不集中在少數(shù)的軟件開發(fā)者身上，故其發(fā)展較一般的商業(yè)軟件要好。當(dāng)然，OpenSees的功能還有待完善，還要開發(fā)其他更多的非線性有限元組件。
　　參考文獻(xiàn)
　　[1]凌炯.面向?qū)ο箝_放程序OpenSees在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)非線性分析中的應(yīng)用與初步開發(fā)[碩士論文].重慶大學(xué)，2004.
　　[2]OpenSeesUserCommand-LanguageManual.Version1.7.3.PacificEarthquakeEngineeringResearchCenter,UniversityofCalifornia,Berkeley.
　　[3]OpenSeesExamplesManual.Version1.7.3.PacificEarthquakeEngineeringResearchCenter,UniversityofCalifornia,Berkeley.