第五届全国大学生结构设计大赛 结构设计方案书

作品名称 凌 霄

参赛单位 天津大学

队伍名称 302

指导老师 韩庆华教授 李宁讲师

参赛队员 李天宇 薛子洲 陆洋

2011 年 10 月

目录

一、结构选型.................................................................................................... 1

1.1 赛题分析..................................................................................................... 1

1.2 灵感来源...................................................................................................... 1

1.3 模型效果...................................................................................................... 3

1.4 结构选型及创新点 ..................................................................................... 6

二、结构建模及主要计算参数 ..................................................................... 10

2.1 建模效果轴测图 ....................................................................................... 10

2.2 模型尺寸.................................................................................................... 10

2.3 材料力学性能及主要计算参数 ............................................................... 11

三、受荷分析.................................................................................................. 13

四、节点构造.................................................................................................. 32

4.1 柱子与主梁的结点 ................................................................................... 32

4.2 井字形楼板的连接 ................................................................................... 32

五、模型材料表及注水高度 ......................................................................... 33

六、铁块荷载布置方式 ................................................................................. 33

附录一：振动台试验室实验 ......................................................................... 34

附录二：TLD减震技术手段 .......................................................................... 35

附录三：Ansys时程分析命令流 ................................................................... 37

1

一、结构选型

1.1 赛题分析

本届结构设计大赛旨在设计一座高耸结构，满足强地震作用下的结构使用功能，

真正做到高层建筑结构小震不坏大震不倒，进而推动高层建筑逐步成为未来建筑业中

的主流发展方向。与此同时，还要利用 TLD 减震手段，通过调节结构自身自震频率

与水箱自震频率，使得二者达到一个最佳状态，更加完善的达到减震作用。 本次结构设计大赛的荷载模式采取自由设定铁块的方式，有效承载重量是铁块重

量的高度加权值。由于最后的计算公式中，主要涉及有效承载能力结构自身质量台面

响应加速度这三项参数指标，因此，如何做出较为轻质的结构，尽可能的提升承载能

力成为了本届结构赛的关键。与此同时，充分利用 TLD，使得水箱的自震频率接近甚

至等于结构在施加铁块之后的自震频率，在一定程度上可以帮助起到减震的效用。结

构自身质量主要是来自于竹皮用量以及 502 胶水的使用量，虽然 502 可以增重较大，

但是 502 胶水滴注过的竹皮强度会有一个很大的提升，我们团队在制作结构的时候，

通过这种方法，对一些关键的部位滴注胶水，提升结构的承载力。结构的有效承载力

是按照铁块重量乘以所在高度进行加权值求和，虽然体块在高处可以得到更多的有效

承载力分数，但是，不可盲目追求而忽视结构自身的承载规律特性，尽量做到铁块均

布在结构上。关于台面响应加速度 I，我们在查阅一些资料后发现，越是轻质的大柔

度结构可以获得更大的加速度值，因此，这也又一次佐证了我们之前的设计思路——

在保证结构自身质量较低时，再追求承载能力。换句话说，如果我们为了获得了较大

的承载能力而牺牲了结构自身质量的话，是得不偿失的。所以，我们致力于用最少的

材料做出具有一定承载能力的结构后，再去根据结构自身的特性，通过大量实验和有

限元模拟分析，设计铁块的合理分布形式以及水箱的水的高度，使得结构的最终表现

达到最优化。 高层抗震体系结构主要要能够承担由于地震带来的底部很大的剪力以及结构晃

动对基层较大的弯矩所带来的对基层的很大的应力，同时还要兼顾结构本身自震频率

不要和外荷载频率过于接近而导致共振。在抵抗剪力方面，我们打算设计一个起到剪

力墙作用的保护墙体，同时利用竹皮纵向纤维受拉能力较大的特点，可以在很大程度

上限制晃动导致的侧向位移，降低了结构整体应力水平。虽然我们的结构选型没有太

多的创新，但是我们综合利用构件的不同承载特性，使得结构整体的抗震性能得到保

证。

1.2 灵感来源

2

目前，高层建筑已经俨然成为建筑工程领域一个新的值得开发的方向。由于地球

人口激增，有效使用土地去承载更多的人口是一个不可避免的问题，而高层建筑以其

及其高的使用效率逐渐成为当今建筑开发的新宠儿。然而，随之而来的高层建筑应对

风荷载地震荷载的能力，也面临很大的挑战。

高层建筑，不仅仅可以增加人口居住使用效率，还可以成为一个城市一个国家的

象征：迪拜高层 828 米屹立于西亚之湾，如今人们只要想到阿联酋迪拜，就会想到这

样一个剑指天空的世界第一高层！

3

所以，高层建筑是建筑未来的灵魂，是人类值得挑战的极限，是一个国家一个民

族的综合实力的最直观体现。作为未来的土木结构工程师的我们，身担着这样的任务

和使命。

1.3 模型效果

4

取景自北京央视新台址

5

建筑轴测图

6

1.4 结构选型及创新点

我们团队所设计的结构是异形柱框架体系，相比于一般的框架，我们在四周设定

一定宽度的保护性墙体（如下图所示）。这样的设计旨在降低框架结构本身抗剪能力

差的特点。一开始的模型我们把保护墙体设置了很高，但是通过实际震动发现，上部

的保护墙起到的作用不是很大，因为结构的震动振型主要是如下图所示的一种震动形

式。

7

结构的上三层主要是刚体平动，对柱子的弯折力不是很大，同时，考虑结构自身

质量的重要性，我们仅仅在基层设置了这种保护墙，但是，这足以防止框架中的四根

支撑柱被剪切破坏。结构体系如下图所示：

我们的框架的设计也充分考虑了结构抗震性能要求较高的特点。在二三四层，我

们设置了 X 型的斜向支撑组合拉条杆件(如下图所示)

8

这种大角度的可以充分提高结构的整体性，使得结构整体充分受力，进而提高结

构的刚度以及强度。在结构振动过程中，这种支撑的存在也在一定程度上可以让我们

有一定的控制结构自身频率的余地，我们可以通过改变他的刚度来改善结构的自震频

率，为后面调频使用 TLD 减震做铺垫。 楼板是我们结构设计的一个创新点。我们考虑到楼板一旦发生较大的挠度的话，

会对结构整体的稳定性以及主梁和次梁的连接处造成很大的破坏，同时大变形也会增

大我们理论软件分析去模拟这种情形的难度，所以，我们设计了如下图所示的组合楼

板来保证楼板的刚度：

我们同时做了构件实验，把楼板单独拿出来做一个承载力的实验，发现楼板具有

9

很大的刚度和强度，在 15kg 左右铁块的压力下，依旧保持较好的强度和变形特性，

如下图所示：

因此，我们充分采用这种楼板，来保证力可以顺利的从次梁传递到主梁，保证其

不会因为楼板过于低强度而导致楼面塌陷。 我们设计的框架是一般的传统框架，所有的支撑柱和主梁都是箱形截面，箱形截

面的好处在于具有轻质高强的特点，充分利用了刚性周边效应来满足我们较大的支撑

力需求.如图所示，为框架柱子的截面图：

主梁截面图

10

二、结构建模及主要计算参数

2.1 建模效果轴测图

2.2 模型尺寸

11

X 方向正立面图 Y 方向正立面图

楼板俯视图

2.3 材料力学性能及主要计算参数

在建模计算时我们采用了赛题所给的竹材力学性能参考值：

12

弹性模量：1.0e4Mpa； 抗拉强度：60Mpa； 考虑到天津和南京的气候差异对竹材性能的影响，我们专门进行了竹材抗拉强度

实验： 材料实验室测定

本次结构设计大赛所用材料是竹皮，针对这种材料，我们需要了解其力学性能，

因此在这里做一个实验来测定它的极限强度和破坏形式，并通过对比实验，分析 502胶水对材料抗拉极限应力的影响情况。

标准试件：参考材料力学实验，我们制作成如下图所示的试件，

针对不同竹皮厚度，我们制作了不同截面宽度的试件，使得整个断面的截面积相

同。然后我们在建筑材料实验室通过实验，经过数理统计，取 95%保证率之后，得出

如下结论：

无 502 胶水滴注的竹皮抗拉强度设计值 61.2Mpa

滴注上 502 胶水之后的竹皮强度设计值 82.3Mpa

竹皮的极限应力值不随着竹皮厚度不同而改变； 由于裂纹而导致的竹皮的撕裂破坏会降低其强度值，破坏极限远远小于纯拉坏时

的应力值。 经实验，赛题所给材料力学性能参数可靠。

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三、受荷分析

该结构的控制荷载为地震作用。故下面主要进行地震作用下的时程分析。 结构针对地震波的抗震计算，目前比较好的办法就是时程分析。时程分析法是世

纪 60 年代逐步发展起来的抗震分析方法。用以进行超高层建筑的抗震分析和工程抗

震研究等。至 80 年代，已成为多数国家抗震设计规范或规程的分析方法之一。 “时程分析法”是由结构基本运动方程输入地震加速度记录进行积分，求得整个时

间历程内结构地震作用效应的一种结构动力计算方法，也为国际通用的动力分析方

法。 “时程分析法”常作为计算高层或超高层的一种（补充计算）方法，也就是说满足

了规范要求的时候是可以不用它计算结构的。规范规定：对于特别不规则的建筑、甲

类建筑及超过一定高度的高层建筑，宜采用时程分析法进行补充计算。所以有较多设

计人员对应用时程分析法进行抗震设计感到生疏。近年来，随着高层建筑和复杂结构

的发展，时程分析在工程中的应用也越来越广泛了。

建模说明： 在 ansys 时程分析模拟时，我们采取了 beam188link8shell63mass21 这四类单元。

其中，beam188 主要用来模拟柱子和主梁以及次梁；link8 用来模拟支撑；shell63 用

来模拟筒体剪力墙；mass21 来近似模拟铁块荷载。 在建模时，我们简化了一些问题： 关于水箱：水箱可以起到减震的作用，但是考虑到时程分析若加入流体 80 单元

的话，整个计算文件较大，况且软件模拟本身就存在一定误差，因此，在软件模拟时，

暂时不考虑它的减震作用。从另一方面来说，这样分析出的结果是更加不利的，可以

起到一个安全系数的作用。当然，我们也做了真实的实验，这可以在一定程度弥补我

们在软件分析时的不足。 关于铁块荷载：我们在确定了铁块的分布模式之后，利用 mass21 单元来近似模

拟铁块荷载。为了提高我们模拟的精度，我们会在楼板设定四个质量点，使得 mass分布较为接近真实荷载模式，不会采用一个质量点来模拟，这样的误差校对会减小。

关于剪力墙：我们结构主要的抗弯设计就是在剪力墙，因此，剪力墙的计算要求

精度较高。我们利用 shell63 来模拟，可以很精确的模拟出这种效果。

结果分析： 对于我们时程分析的结果，我主要提取了结构的位移时程曲线，最大应力时刻

（vonmises 应力分布云图）这两个结果，分别从刚度和强度两个角度来分析结构在地

14

震波作用下的响应。由于竹材的理论抗拉强度为 60Mpa（实验室测的滴注 502 胶水之

后，竹材的极限应力可以到 80Mpa 以上），我们提取等效应力作为我们判断应力的指

标，认为一旦等效应力值超过理论的极限拉应力，结构就存在破坏的可能。时程分析

之后，关于应力最大时刻，我们设定一个小的程序，从 6400 个数据点所对应的结果

文件中，逐步的查找，找到最大应力时刻结构整体的受力分布图。 位移时程曲线是提取了结构的初始位移为 0 的节点，查看它的位移时程曲线，来

基本了解结构的晃动情况。对于一些侧向位移较大的时刻，结构在该时刻的应变理论

上会比较大，最大应力时刻也理论上应该是在这些时刻中的一个出现。因此，在一定

程度上，我们也参考了位移时程曲线来查找结构潜在的危险时刻，提取这些时刻的应

力结果同样可以找到最大的应力数值。

第一级荷载：每秒钟 200 数据点，历时 32s

竞赛加载所用的基准输入波（什邡八角记录NS方向第10s-42s区间）

-1000

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

0 4 8 12 16 20 24 28 32

时间/s

加速度/gal

分析：200HZ 属于低频大周期震动，虽然台面加速度较小，但是时间间隔较长

（0.005second)，结构在该频率振动下很可能出现较大的侧向位移。针对低频的地震

波，理论上刚度较大的结构较为有优势。 提取初始位置为位移为 0 的某一结点时程位移曲线如下（取自结构中心点），在

赛题所给出的地震波的作用之下，根据时程分析得到的结构响应出来的位移时程曲线

表明，结构在『t=8s---12s』期间的某一个时刻可能存在最大的破坏力。

15

我们遍历所有可能时刻的结果文件，提取最危险时刻 von Mises 应力如图： 时间：9.27 秒最大应力集中 103Mpa 主要构件应力区间 11.5Mpa-46Mpa。

结构响应出来的最大应力为 103Mpa，发生应力最大点为四层楼板的次梁如下图

所示，说明在此处，由于应力集中的作用，次梁的节点应该做一个保护，我们在这个

节点添加了一个保护性节点板。

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结构在 200HZ 的地震波激振作用下，其基本震型为沿着加速度方向的晃动。

虽然，理论上结构的第一层剪力会很大，但是由于我们设置了保护墙，使得结构

在震动过程中，基层响应出来的的应力不是很大，基层柱子的应力主要是在

11.5Mpa—23Mpa 不等，如下图所示，这达到了我们预先的目的。

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关于基层与台面粘接处的这些结点，应力集中现象较为明显，最大集中应力达到

了 80.5Mpa，如下图所示，但是考虑到我们在此处会做一个地板来加固，所以基本上

可以保证结构不会在此处撕裂。

一二层节点也是一个应力集中较为明显的区域，如下图所示：结构在此处的最大

应力达到 69Mpa。

18

对结构的楼板，由于承载铁块，其等效应力值如下图所示，在楼板的节点处，我

们设定了节点板，可以提升强度

在楼同时由于楼板的挠曲，主梁与次梁的粘接面对的应力较大，如下图所示，最

大应力达到 46.7Mpa，

19

我们考虑在此处垫片增大主梁次梁之间的有效粘接面积，也可以在一定程度上减

低楼板塌陷的可能。 在高层的上面三层，结构也主要是以刚体平动为主，柱子应力很小，如下图所示：

上层部分的应变也不是很大，如下图所示：（途中蓝色区域表示应变为 0）。

20

因此，在上部减去保护墙是很好的降低自重的办法，因为剪力墙在该处的使用是

一种浪费。关于柱子整体而言，由于保护墙的存在，柱子所受的等效应变处在一个较

小的区间内，如下图所示（隐藏保护墙查看基层住的应变图，天蓝色区域等效应变为

0.0023）。

21

这也是我们经过数次优化之后，把柱子降低到最低尺寸，还能保证结构挺过地震

的结果。 综上所述，虽然结构在 200HZ 作用下的某些结点由于应力集中导致结构的等效

应力超过了极限应力，但是考虑到在节点处 502 胶水会使得结构的抗拉强度提升到

80Mpa，而且结构在节点处，我们都设置了一些加厚的处理办法，所以在结构的应力

集中出应该不会破坏。而结构整体大部分的应力为蓝黄色区域（23Mpa--69Mpa），因

此认为结构可以通过第一级加载。

第二级加载每秒钟 250 个数据点 250HZ 相比于之前，频率有所提高，对于大柔度的结构体系而言，一旦通过了频

率较低的第一级加载，在频率提升之后，结构的自适应性应该会提高许多。同时，在

第一级加载过程中，结构关键部位已经发生屈服，使得结构整体的柔度进一步得到了

提升，应该可以使得结构的抗震性得到进一步改善。 250HZ 地震波作用下，得出结构的位移时程曲线为，如下图所示：

22

可以看到，由于地震波频率的提高，结构激励在后面时刻出现了一个在 200HZ时没有的高峰，这也是由于频率的提升，结构的高频震动特性导致的。

根据位移曲线，遍历所有时刻点，我得到了结构的最大应力时刻所对应的 von Mises 应力云图，如下图所示

时刻：22.384 秒最大应力 113Mpa

结构在 250HZ 的地震波下，其基本阵型依旧是如下图所示的左右摆动

23

结构基层的等效应力为 25.1Mpa，如下图所示

结构基层与底板连接处的结点的应力集中现象依旧存在，如下图所示，最大应力

113Mpa

24

一二层之间的连接处应力值较大，如下图所示，节点应力为 50.21Mpa

楼板依旧承载着较大的负荷，在楼板上的一些地方，应力集中现象较为明显，数

值为 50.21Mpa

25

尤其在节点处，如下图所示，应力最大，达到极限应力数值 113Mpa

和之前的情况一样，结构上部的应力很小，基本上是以刚体位移为主的平动，

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上部结构应变不是很大，进而使得应力值较小。结构基层的柱子的应力值如下所

示，与 200HZ 相比，柱子的应力有所提高，但是，由于保护墙的存在，柱子还是得

到了很好的保护，在 250HZ 下依旧保持较高的安全储备。

综上所述，结构在 250HZ 下的应力情况相比于之前有一定不同，在地震波的后

部时刻出现了一个较大的峰值点。结构在此时刻的应力图如下所示，大部分区域为（蓝

绿黄）的应力值分布在 25--75Mpa 之间，因此也认为结构可以通过第二级加载。

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第三级加载 300HZ 每秒钟 300 个数据点 时程分析位移时程曲线：

在高频振动下，结构的唯一会相应的减小，结构发生高频的震动，依旧是遍历所

有时刻，得到 von Mises 应力最大时刻的应力云图为： 时间：8.019 秒最大应力：104Mpa

结构在 300HZ 下，震动形式依旧是左右晃动，只不过震动幅度会降低，如下图

所示，侧向位移数值为 4.3cm

28

考察结构基层的等效应力，其受力分布与之前大体相同，如图所示，主要构建应

力（蓝色区域）为 34.8Mpa，部分应力集中点的应力可以达到 69.5Mpa，

底板基层粘接处应力集中现象较为明显，集中应力数值为 92.7Mpa

29

一二层连接处，最大应力数值达到了 59.7Mpa，主梁在节点处容易发生破坏，如

下图所示：

四层楼板应力很大，同时由于地震波作用的影响，结构的主梁有横向弯折的趋势。

如下图所示，楼板的应力 34.8Mpa，结构处在安全区域之内

30

再考察柱子的等效应力，可以看到随着频率的提高，柱子等效应力值的有所上升，

更多的区域达到 34.8Mpa，，柱子应力提升许多，但是我们考虑了这一点，对在基层

柱子做一些保护措施，可以防止柱子脆断现象的发生，如下图所示：

综上所述，结构在 300HZ 下依旧保持着有效承载，其整体受力分布图如下：

31

除了我们之前讨论过的一些危险点以外，结构整体基本上处在一个 11.6--46.3Mpa

的应力区间范围内，因此认为可以通过第三级加载。

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四、节点构造

4.1 柱子与主梁的结点

为了保证柱子的整体性，在制作模型时，我们直接制作了 1m 长度的柱子，把主

梁粘接在柱子上，同时为了增大粘接面积，我们在主梁端部加了一个板，增大了主梁

与柱子的粘接面积，如下图所示；同时，我们还设计了三角形节点板粘贴在节点处，

增大了节点的安全储备

4.2 井字形楼板的连接

井字形楼板是由四条箱形次梁组成在节点处，我们打断其中的两根，把未打断的

穿过去，在结点上加厚垫片，用 502 粘接上。楼板与主梁之间，我们为了防止结点的

破坏，采取直接搭接的办法；把楼板直接搭载在主梁上，并且在主梁与次梁之间垫片

增大粘接面积。

井字形楼板俯视图楼板节点

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楼板节点次梁与主梁节点

五、模型材料表及注水高度

构件 尺寸（mm） 数量 柱 1000*8*8 4 主梁 200*5*9 16 楼板次梁 220*4*8 16 拉条 300*4（二、三、四层）

265*6（一层） 32 8

柱加强条 320*15 8 柱脚 底面直角边边长 20mm 的等腰

直角三棱柱，柱高约 8mm 8

节点板 直角边边长为 28mm 的等腰直

角三角形； 直角边边长为 20mm 的等腰直

角三角形

16 8

设计注水高度：10cm

六、铁块荷载布置方式

为了充分利用结构的承载能力，我们设定了如下的承载方案： 在模型的每一层，我们设置了五个大铁块，采取 3+2 的方式摞在一起，这样，我

们每一层的有效承载面积为 12cm×6cm×3=216cm2； 总的承载面积为 648cm2 符合赛题规定的范围如下图所示：

34

附录一：振动台试验室实验

在作出理论分析之后，我们又在天津大学水利仿真实验室做了真是模型的振动试

验。在指导教师李宁的带领之下，我们对结构模型做了与比赛一样的模拟，经过三级

加载之后，模型没有发生破坏，通过了三级加载。

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附录二：TLD 减震技术手段

TLD 是一种固定在结构楼层上的水箱，当结构在地震作用下发生振动时，将带动

水箱一起运动，使水箱中的水晃动起来产生波浪，此波浪对水箱壁的动水压力就构成

了对结构的减振力。 为了达到最优的抗震减震效果，所设计的结构的第一阶自震频率应该去接近水箱

中水的自震频率。对于水箱中水的自震频率，主要理论推导如下。被动控制装置 TLD

36

就是利用容器中液体免动产生的动压力差，给结构施加一控制力，以达到减小结构振

动的目的。如何准确计算出这个控制力，是求解 TLD 对结构振动控制作用的关键。

研究者们对这个问题做了大最的理论及试验研究，提出了不同的计算方法。将结合集

中质量法，根据浅水波动理论，我们可以得到矩形 TLD 中水的自振频率和运动方程： 矩形 TLD 中水晃动的自振颇率的计算公式为：

1 tanh2 2w

g hfA Aπ π

π =

(1)

对模型理论基频计算： 基于 ansys，通过模态分析，得到结构的前十阶自震频率结果文件如下所示：

*****INDEXOFDATASETSONRESULTSFILE***** SETTIME/FREQLOADSTEPSUBSTEPCUMULATIVE 13.5334111 23.5337122 35.9500133 46.1391144 57.4399155 68.2702166 78.2704177 810.186188 910.186199 1010.48811010

与此同时，我们还考虑到模型与理论计算可能会存在一定的误差，所以我们还做

结构自震频率实验，由于结构的节点并不是绝对的刚性，结构的柔度比理论计算要大

很多，我们在实验室测得的带荷载状态下的结构的第一阶自震频率为 3.1HZ.鉴于实验

室测值与理论分析存在误差，我们又采取实际实验的手段对模型的水箱中水的高度进

行不断的尝试，最终发现，在水的高度是 10cm 时，对结构的抗震最有利。 实验振动台试验照片

37

结构自振频率的测定实验

水箱水高度优化实验过程

附录三：Ansys 时程分析命令流 第一级加载： *dim，tjx，array，2，6400，0，，， *create，ansuitmp

38

*vread，tjx(1，1)，'1'，'txt'，''，6400，，，，，， (e13.6，e15.6) *end /input，ansuitmp fini /config，nres，20000 /solu antype，4 trnopt，full timint，off outres，basic，all kbc，1 time，1e-10 nsub，4，8 acel，0，9.8，0 alls solve timint，on *do，t，1，6400，1 time，0.005*t kbc，0 nsub，1 alphad，0.88 betad，2.1e-3 acel，tjx(2，t)，0，0 alls solve *enddo save fini 第二级加载： *dim，tjx，array，2，6400，0，，， *create，ansuitmp *vread，tjx(1，1)，'2'，'txt'，''，6400，，，，，， (e13.6，e15.6) *end /input，ansuitmp fini /config，nres，20000 /solu antype，4

39

trnopt，full timint，off outres，basic，all kbc，1 time，1e-10 nsub，4，8 acel，0，9.8，0 alls solve timint，on *do，t，1，6400，1 time，0.004*t kbc，0 nsub，1 alphad，0.88 betad，2.1e-3 acel，tjx(2，t)，0，0 alls solve *enddo save fini 第三级加载： *dim，tjx，array，2，6400，0，，， *create，ansuitmp *vread，tjx(1，1)，'3'，'txt'，''，6400，，，，，， (e13.6，e15.6) *end /input，ansuitmp fini /config，nres，20000 /solu antype，4 trnopt，full timint，off outres，basic，all kbc，1 time，1e-10 nsub，4，8 acel，0，9.8，0 alls

40

solve timint，on *do，t，1，6400，1 time，0.003333*t kbc，0 nsub，1 alphad，0.88 betad，2.1e-3 acel，tjx(2，t)，0，0 alls solve *enddo save fini