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        Midas/Gen 與ABAQUS 的復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換程序開(kāi)發(fā)

        2020-11-09 01:49:22王杰
        工程建設(shè)與設(shè)計(jì) 2020年21期
        關(guān)鍵詞:剪力墻構(gòu)件程序

        王杰

        (中南建筑設(shè)計(jì)院股份有限公司,武漢 430071)

        1 引言

        隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,建筑復(fù)雜程度日益增加,出現(xiàn)了大量超高層建筑以及平面、立面特別復(fù)雜的建筑,而這些建筑結(jié)構(gòu)往往需要進(jìn)行復(fù)雜的非線性分析,如超高層建筑結(jié)構(gòu)大震動(dòng)力彈塑性時(shí)程分析、大跨空間結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定分析、基于多尺度的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)受力分析以及考慮行波效應(yīng)的超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析等。ABAQUS 軟件作為一款通用有限元分析軟件,憑借其豐富的材料庫(kù)、單元庫(kù)以及強(qiáng)大的非線性功能,在復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)非線性分析方面具有顯著優(yōu)勢(shì),且已經(jīng)在許多實(shí)際工程中得到檢驗(yàn)【1】。但對(duì)于這些復(fù)雜的建筑結(jié)構(gòu),若直接采用ABAQUS軟件手動(dòng)建立有限元分析模型,工作量將十分巨大且煩瑣,嚴(yán)重影響工程師的工作效率。

        Midas/Gen 作為一款通用的結(jié)構(gòu)分析設(shè)計(jì)軟件,具有良好且完善的建模功能,能夠方便、快速地建立結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型,適用于高層建筑、空間結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)類(lèi)型,在國(guó)內(nèi)眾多設(shè)計(jì)院廣泛使用。

        為此,本文開(kāi)發(fā)了一款從Midas/Gen 軟件到ABAQUS 軟件的模型轉(zhuǎn)換程序。該程序能夠直接將Midas/Gen 設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)換為ABAQUS 有限元分析模型,并進(jìn)行非線性分析,避免了重復(fù)建模,節(jié)省了大量的前處理時(shí)間,有效地提高了結(jié)構(gòu)分析效率。

        2 模型轉(zhuǎn)換流程

        模型轉(zhuǎn)換程序是以AutoCAD 2010 為圖形處理平臺(tái),采用面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)開(kāi)發(fā)技術(shù),利用AutoCAD 2010 二次開(kāi)發(fā)工具ObjectArx【2】以及 C++語(yǔ)言研發(fā)的。程序通過(guò)讀取 Midas/Gen 軟件的設(shè)計(jì)模型信息文件(.mgt 文件),然后通過(guò)簡(jiǎn)單編輯,直接導(dǎo)出生成ABAQUS INP 有限元模型分析文件。模型轉(zhuǎn)換程序流程如圖1 所示。

        圖1 程序編寫(xiě)流程圖

        目前,程序能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能如下:

        1)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)樓層信息

        2)轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)、單元信息;

        3)轉(zhuǎn)換構(gòu)件截面、材料信息;

        4)轉(zhuǎn)換荷載信息;

        5)轉(zhuǎn)換約束信息。

        3 模型轉(zhuǎn)換程序關(guān)鍵技術(shù)

        3.1 模型信息讀取

        Midas/Gen 的模型信息文件(.mgt 文件)通過(guò)關(guān)鍵字存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型信息,關(guān)鍵字與模型信息對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。轉(zhuǎn)換程序根據(jù)模型信息類(lèi)別,利用C++語(yǔ)言建立相應(yīng)模型信息結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù),如材料信息、截面信息、殼元截面信息、單元信息以及荷載信息等,程序代碼實(shí)現(xiàn)如下所示:

        表1 Midas/Gen 關(guān)鍵字與模型信息對(duì)應(yīng)關(guān)系

        轉(zhuǎn)換程序讀取Midas/Gen 模型信息文件時(shí),首先根據(jù)關(guān)鍵字將讀取的信息存入上述結(jié)構(gòu)體,然后根據(jù)模型信息相互間的邏輯關(guān)系在轉(zhuǎn)換程序重新建立結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模型,從而實(shí)現(xiàn)Midas/Gen 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模型的導(dǎo)入。程序模型導(dǎo)入對(duì)話框如圖2 所示。

        圖2 模型導(dǎo)入對(duì)話框

        點(diǎn)擊“導(dǎo)入 Midas/Gen 模型”的“瀏覽”按鈕,選擇.mgt 文件。點(diǎn)擊“導(dǎo)入”按鈕,程序?qū)⒆詣?dòng)導(dǎo)入Midas/Gen 模型,并在對(duì)話框右側(cè)列表,顯示當(dāng)前模型導(dǎo)入內(nèi)容。

        3.2 構(gòu)件配筋設(shè)置

        Midas/Gen 模型信息文件主要包含了結(jié)構(gòu)的幾何信息及荷載信息,不包含混凝土構(gòu)件配筋信息,結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋無(wú)法通過(guò)模型導(dǎo)入實(shí)現(xiàn)。而構(gòu)件配筋信息的準(zhǔn)確性直接影響結(jié)構(gòu)非線性分析結(jié)果。為此,轉(zhuǎn)換程序研發(fā)了相應(yīng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋設(shè)置功能。以剪力墻為例,轉(zhuǎn)換程序根據(jù)剪力墻配筋的特點(diǎn),開(kāi)發(fā)的剪力墻配筋設(shè)置對(duì)話框如圖3 所示。用戶可以根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖中剪力墻實(shí)際配筋情況,按墻厚度指定剪力墻水平或豎向配筋率,以便在后續(xù)非線性分析中真實(shí)考慮結(jié)構(gòu)配筋對(duì)分析結(jié)果的影響。

        圖3 剪力墻配筋修改對(duì)話框

        3.3 導(dǎo)出ABAQUS INP 模型文件

        在導(dǎo)出ABAQUS INP 模型時(shí),轉(zhuǎn)換程序?qū)τ诓煌臉?gòu)件類(lèi)型選取不同的單元類(lèi)型。對(duì)梁柱構(gòu)件,ABAQUS 提供了B31、B32 和 B33 3 種單元類(lèi)型,其中,B31 和 B32 是鐵木辛科梁?jiǎn)卧?,B33 為歐拉梁?jiǎn)卧?。但在高等非線性分析中,B33 單元收斂性較差,且計(jì)算速度相對(duì)較慢。因此,程序僅支持B31 或B32 梁?jiǎn)卧獙?dǎo)出。

        對(duì)于剪力墻及樓板單元,采用ABAQUS 提供的縮減積分的殼單元S4R 和S3R 來(lái)模擬。S4R 單元性能穩(wěn)定,而S3R 作為通用殼單元,適用范圍廣,采用2 種單元可以模擬任意形狀的剪力墻或樓板。

        對(duì)于連接信息,比如,大跨屋蓋彈簧支座以及節(jié)點(diǎn)剛性約束等,轉(zhuǎn)換程序選用CONN3D2 連接單元進(jìn)行模擬。

        對(duì)于結(jié)構(gòu)荷載,在進(jìn)行動(dòng)力彈塑性分析時(shí),程序自動(dòng)等效為節(jié)點(diǎn)集中質(zhì)量,在ABAQUS 中通過(guò)*Mass 實(shí)現(xiàn)。

        另外,對(duì)于梁柱構(gòu)件鋼筋,程序采用等效纖維截面法進(jìn)行模擬【3】。該方法與實(shí)體單元中插入鋼筋的方法類(lèi)似,即將梁截面鋼筋等效為箱型或圓管形鋼梁,并通過(guò)共節(jié)點(diǎn)的方法實(shí)現(xiàn)混凝土與鋼梁之間的共同作用。同樣,對(duì)于型鋼混凝土構(gòu)件,轉(zhuǎn)換程序也采用類(lèi)似方法進(jìn)行模擬,如圖4 所示。

        圖4 等效纖維模截面意圖

        轉(zhuǎn)換程序?qū)С鯝BAQUS 模型信息如表2 所示。

        4 轉(zhuǎn)換程序驗(yàn)證

        4.1 算例1:簡(jiǎn)單框剪結(jié)構(gòu)

        本算例為一簡(jiǎn)單框架結(jié)構(gòu),其中柱子截面500mm×500mm、400mm×400mm,梁截面 200mm×400mm、250mm×500mm、300mm×600mm,墻厚 200mm、300mm,設(shè)置結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在30°和45°不同的截面轉(zhuǎn)角。利用開(kāi)發(fā)模型轉(zhuǎn)換程序?qū)idas/Gen 導(dǎo)入ABAQUS 軟件,2 軟件模型如圖5 所示。從圖中可以看出2 模型完全保持一致。

        表2 ABAQUS 模型信息

        圖5 框剪結(jié)構(gòu)模型

        表3 為2 軟件模型結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)比,從表中可以看出,2 款軟件模型質(zhì)量基本相同。表4 列出了2 軟件模型前6 階振型的周期對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果可以看出,2 軟件模型的周期基本保持一致,研發(fā)的模型轉(zhuǎn)換程序準(zhǔn)確可靠。

        表3 框剪結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量比較

        表4 框剪結(jié)構(gòu)模型周期比較

        4.2 算例2:空間結(jié)構(gòu)

        該空間結(jié)構(gòu)為某體育場(chǎng)館大型看臺(tái)雨棚。雨棚采用空間桁架結(jié)構(gòu)體系,為平衡雨棚懸挑側(cè)的傾覆彎矩,在雨棚另一側(cè)設(shè)置預(yù)應(yīng)力拉索。雨棚高度40.2m,最大跨度181.5m,最大懸挑長(zhǎng)度37.6m,主受力框架柱截面800mm×1 200mm、PIPE 920mm×25mm 以及PIPE 720mm×18mm,桁架構(gòu)件采用PIPE 245mm×10mm、PIPE 299mm×12mm 等,拉索采用 D50mm。利用開(kāi)發(fā)模型轉(zhuǎn)換程序?qū)idas/Gen 導(dǎo)入ABAQUS 軟件,2 軟件模型如圖6 所示。從圖中可以看出兩模型完全保持一致。

        圖6 空間結(jié)構(gòu)模型

        表5 為2 軟件模型結(jié)構(gòu)質(zhì)量對(duì)比,從表中可以看出,2 款軟件模型質(zhì)量基本相同。表6 列出了2 軟件模型前6 階振型的周期對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果可以看出,2 軟件模型的周期基本保持一致,研發(fā)的模型轉(zhuǎn)換程序準(zhǔn)確可靠。

        表5 空間結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量比較

        表6 框剪結(jié)構(gòu)模型周期比較

        5 結(jié)語(yǔ)

        1)ABAQUS 作為大型通用有限元軟件,具有強(qiáng)大的非線性功能,但對(duì)于復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu),其前處理建模煩瑣復(fù)雜。為此,本文以AutoCAD 2010 為圖形處理平臺(tái),利用C++研發(fā)了復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)從Midas/Gen 到ABAQUS 的模型轉(zhuǎn)換程序,極大地提高了工作效率和質(zhì)量,對(duì)復(fù)雜建筑非線性分析具有重要意義。

        2)本文介紹了模型轉(zhuǎn)換程序的關(guān)鍵技術(shù),包括模型信息導(dǎo)入方法、結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋定義以及ABAQUS INP 模型導(dǎo)出等,并通過(guò)2 個(gè)不同的典型結(jié)構(gòu)算例驗(yàn)證了轉(zhuǎn)換程序的準(zhǔn)確性、可靠性,為其他類(lèi)似模型轉(zhuǎn)換程序的研發(fā)提供參考。

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