来源：Nikko结构空间

最近遇上一个逆作法项目施工评审，支护结构为1m厚的地连墙。由于出土方量巨大，且工期紧张，施工单位提出把原来逐层开挖的方案调整为跳仓一次开挖至承台面。同时，为了最大限度减小对出土流线的影响，约11.5m高的地连墙不设置水平支撑，通过局部预留反压土堆减小地连墙的临空长度。

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网络图片非本文描述项目

在查看施工方案和相应计算书后，小编给出的主要意见是“计算假定有误，支护结构验算偏不安全，建议局部增设临时水平支撑”。收到意见后，施工单位的Y工就来电沟通了，以下是对话摘录。

Y工：我们是采用了专业有限元软件PLAXIS进行分析的，结果是通过精细化有限元计算得出。

小编：哪模型本构参数是如何取值呢？这些数值是否适用于本项目岩土情况？

Y工：本构模型采用经典的莫尔库仑模型，参数取值后续补充给你。这是目前最常用的模型。

小编：项目靠近江边，地下常水位很高，这个模型里面是如何考虑呢？

Y工：(沉默30秒……)这个我再查查，好像没有考虑。

小编：有限元模型边界条件不对啊！地连墙顶怎么能按固接考虑呢？顶板压根受不了这弯矩？

Y工：(沉默30秒……)这个回去查查。

小编：计算模型中地连墙长度取值也有问题。留一个小土堆（3m高，6m长）作为反压措施，就起到约束作用？

Y工：(沉默中……)

★ 有限单元法的其中一个特点是：“只要原问题的数学模型（基本变量、基本方程、求解域和边界条件等）是正确的，同时求解的有限元方程算法是稳定、可靠的，则随着单元数目增加，或者随着单元自由度数目增加及插值函数阶次提高，有限元解的近似程度将不断被改进。”

● 本构模型及其参数

在有限元分析中，本构模型用于模拟材料受到外界激励时的反应（主要为应力-应变关系）。根据材料试验，人们建立本构数学模型，它们一般是由带参数的数学式来表示。大部分本构模型需使用者对其参数进行定义，有的参数要求在某个范围内取值，有的会建议经验值，而有些参数则仅有数学形式意义，没有物理意义。

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Giuffre-Menegotto-Pinto钢筋本构模型

（形状参数R取值不同时应力-应变曲线会有不同形态）

● 连接与接触

无论是连接定义，还是接触定义，它们都是反映节点之间、单元之间的相互作用。采用不同的连接方式（自由度的约束和释放）或接触方式（不同接触算法，如罚函数法、拉格朗日乘子法等），主要影响到应力或内力在分析对象中的大小分布。

例如混凝土与钢筋之间粘结滑移问题，采用不同粘结滑移关系定义，直接影响钢筋混凝土构件进入非线性状态后的滞回性能表现。又例如主次梁刚铰接定义，直接影响到主次梁的弯矩和扭矩的大小与分布。

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ABAQUS中采用硬接触算法模拟两刚体相对运动

● 荷载与边界条件

荷载作用大小、分布形式对计算结果的影响是显然易见的，而边界条件的影响同样不能忽视。边界条件是指分析对象与外界之间的相互关系。在结构工程中，主要涉及结构支座是固定、铰支、滑动等等。

以本文开篇讲述的地连墙验算为例，若计算分析中考虑反压土堆的约束作用，地连墙临空长度将减少1/4。无论是承载力，还是变形、裂缝均能满足要求。但这个反压小土堆（高3m，长6m）对地连墙根本起不了有效的侧限作用。如何合理地、正确地定义分析对象的边界条件，也是影响有限元结果准确性的关键要素之一。

● 单元类型与网格划分

单元类型与网格划分主要影响有限元计算精度，单元类型的选取与网格划分的疏密是有一定联系的。在综合考虑分析对象几何属性、计算精度、计算成本等因素基础上，选取合理的单元类型和合适的单元大小是有限元分析的另一个关键点。

我们需要根据分析对象的物理属性，选用不同维度、不同形式的分析单元，如实体单元、壳单元、膜单元、梁单元等。但不管是什么单元，它们本质区别主要在于构造的单元插值函数不同。如果使用者不了解所使用的单元原理和属性，可能会产生一些不合理的结果。

如ABAQUS中的一阶完全积分单元，对于以弯曲变形为主的分析对象，采用这种单元会出现剪力自锁的数值问题，从而导致分析对象过刚，计算的变形偏小。此时，需选用高阶完全积分单元或者减缩积分单元来解决。

网格划分大小与单元的插值函数有密切关系。一般来说，由插值函数精度高低来确定单元划分疏密程度。如OpenSees中的基于刚度法或柔度法的纤维截面杆系单元。由于刚度法采用的是位移插值函数，只能近似描述变形沿杆长分布情况，因此需对杆件进行细分，以此获得较多单元，减少插值函数与实际变形之间的误差。而柔度法采用的是力插值函数，它能准确描述出力沿杆长分布情况，因此仅需小量单元就可满足计算精度要求。

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某两端固定框架梁的竖向变形-荷载曲线

有限元计算结果的校验一般有两种方式：与理论计算值对比、与试验结果对比。前者多出现在一些通用有限元软件的verification文档中，如ABAQUS、ANSYS。后者多用于进行参数化分析，校验基础数值模型的正确性。除了这两种主流验证方式外，还有就是通过盲测比赛检验各种商用、自编的有限元程序的可靠性。

● 软件自带的验证文件

像ABAQUS、ANSYS这类大型通用有限元软件一般都是提供一些相对简单构件的理论值与计算值的对比。然而实际分析对象往往是十分复杂的，尤其关于抗震性能研究。

这里特别介绍下SeismoStruct软件的验证文档。它不但提供了与理论值的验证结果，还提供了与试验结果的验证对比。它的verification文件内容涵括了混凝土结构、钢结构、桥梁、静力分析、动力分析等等。

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官网SeismoStruct软件介绍

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SeismoStruct自带的verification文档目录

● 盲测比赛

盲测比赛（blind prediction contest）源于日本防灾可研所下属的振动台试验机构E-Defense（专注于大比例尺振动台试验），大概从2005年开始每年都会举办，接受全球的科研团队、工程师、专业软件商、自编程序人员参加。它以先模拟分析、后进行实验的方式检验有限元软件的准确性。随后国内也开始参照该模式举办了多个盲测比赛，其中以清华大学和中国建筑学会抗震防灾分会联合组织得比较好。

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E-Defense网页介绍

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国内盲测比赛网页介绍

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