复杂高层结构从SAP2000到ABAQUS模型转换的关键问题及软件开发研究.pdf

第 43 卷 第 6 期 2013 年 3 月下 建筑结构 Building Structure Vol． 43 No． 6 Mar． 2013 复杂高层结构从 SAP2000 到 ABAQUS 模型 转换的关键问题及软件开发研究 * 张月强 1， 焦春节1， 丁洁民1， 2 1 同济大学土木工程学院，上海 200092;2 同济大学建筑设计研究院，上海 200092 ［摘要］复杂高层结构通常都需要进行弹性和弹塑性等计算分析， 一般需要两个或者两个以上商业软件进行对比 分析计算。但不同软件间缺乏相应的模型转换接口， 使用不同软件计算分析时， 存在重复建模的难题。为节省建 模时间， 提高工作效率， 通过分析 SAP2000 和 ABAQUS 软件之间内在模型数据的转换逻辑， 编制 MTR1. 0 程序来完 成模型数据的自动转换。编制过程中， 通过数学建模方法解决了杆件截面方向定位的难点。同时在上海中心大厦 的实际工程中应用， 证明了编制的 MTR1. 0 程序具有可行性和高效性， 对以后的工程应用有一定的借鉴意义。 ［关键词］高层结构;有限元方法;SAP2000;ABAQUS;模型转换;截面方位 中图分类号 TU17文献标识码 A 文章编号 1002- 848X 2013 06- 0054- 04 Critical issues and software development research on model conversion from SAP2000 to ABAQUS for complex high- rise structures Zhang Yueqiang1，Jiao Chunjie1，Ding Jiemin1 ， 2 1 College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092， China; 2 Architecture Design ＆ Research Institute of Tongji University，Shanghai 200092，China Abstract Complex high-rise structures generally require elastic and elastic-plastic analysis． It normally takes two or more commercial software for analysis and comparison． But for the lack of different software corresponding model transation interfaces，there is problem of modeling repetition when using different software to calculate and analyze． In order to save modeling time and improve the work efficiency，through analyzing the internal logic of SAP2000 to ABAQUS model data conversion，the model data was transed from SAP2000 to ABAQUS automatically by MTR1. 0 program． In program process，the difficulty of bar cross-section orientation was solved by the mathematical modeling s． At the same time， through practical engineering application of Shanghai Tower，it has been proved that MTR1. 0 program is feasible and efficient，and it could provide references for future engineering applications． Keywords high-rise structure;FEM;SAP2000;ABAQUS;model conversion;cross-section orientation * 上海市科委科技攻关计划 09dz1207704 。 作者简介 张月强， 博士研究生， 工程师，Email zhangyueqiang0228 163． com。 0引言 成熟的商业分析软件在现代结构设计中已经得 到了广泛的应用， 它在很大程度上推动了现代结构 设计技术的发展， 大大减少了设计人员的计算工作 量， 并且使结构设计更加准确可靠。但是分析软件 并不是完美无缺的 一方面， 不同分析软件具有不同 的数值计算缺陷; 另一方面， 同一个软件无法满足结 构不同方面分析计算要求， 如弹性下的设计和大震 弹塑性分析等。因此， 需要借助不同的结构分析软 件进行对比分析计算。但是， 对于像上海中心这样 复杂的结构 ［1， 2］， 用有限元软件建模的工作量巨大， 用 ABAQUS 建模需要花上半个月甚至一个月的时 间。为了方便建模， 可以把三维 CAD 结构图直接导 入到 SAP2000 中， 在 SAP2000 中赋截面和施加约 束， 进行结构的弹性分析计算， 然后再把 SAP2000 的模型通过程序直接导入 ABAQUS 中进行弹塑性 分析， 从而节省了大量的建模时间。 平面或者立面不规则的复杂超高层结构和空间 结构在由 SAP2000 的模型导入 ABAQUS 时， 非圆管 截面的结构构件会出现构件定位的问题。一般把惯 性矩大的方向放在荷载大的方向， 从而合理利用材 料。但模型从 SAP2000 到 ABAQUS 转换时， 杆件截 面方向定位是一个难点。解决此问题的一种可行方 法为 首先要清楚 SAP2000 和 ABAQUS 各自模型数 据文件中截面方位定位规则; 然后建立它们之间的 转换法则; 最后通过程序来实现转换过程。 1模型转换流程 为 实 现 SAP2000 结 构 模 型 能 快 速 导 入 ABAQUS 中 进 行 计 算， 开 发 出 了 模 型 转 换 软 件 MTR1. 0 MODEL TRANATION 1. 0 。编制原 理遵循结构建模的一般步骤， 软件的计算流程见图 1。 第 43 卷 第 6 期张月强， 等． 复杂高层结构从 SAP2000 到 ABAQUS 模型转换的关键问题及软件开发研究 图 1软件编制流程 MTR1. 0 软件分析中的难点在于空间杆件单元 截面的定位。对于复杂的空间结构， 其构件的放置 一般很不规则， 除了圆截面构件外， 软件默认的构件 放置位置一般都不是其需要的位置。为了实现构件 从 SAP2000 到 ABAQUS 导入过程中的准确定位， 必 须事先了解 SAP2000 和 ABAQUS 中构件截面定位 的规则， 并建立截面方位定位转换法则， 为程序编制 做好理论准备。 2构件定位的理论方法 2. 1 SAP2000 中构件截面方位定位准则 SAP2000 建模中， 程序会对杆件截面赋予一个 默认的方向， 但是默认方向往往不能满足实际情况， 需要人为地绕杆件轴线转动一个角度 ［3］。以工字 形钢为例， 其默认的强轴 n2向量为在整体坐标系下 杆件轴线向量与整体坐标系 Z 轴向量的叉积， 为了 得到需要的截面定位， 往往需要再绕杆件轴线方向 旋转一个角度来实现定位。 2. 2 ABAQUS 中构件截面方位定位准则 在 ABAQUS 中必须在整体笛卡尔坐标系中定 义杆件横截面方向， 从杆件单元的第一个节点到下 一节点的矢量被定义为沿着杆件单元的局部切线方 向 t， 杆件的横截面垂直于这个局部切线矢量。矢量 n1和 n2分别代表了构件截面上的弱轴和强轴向 量。3 个轴线 t， n1， n2构成了局部笛卡尔坐标系。 在 ABAQUS 中有两种方法来定位构件截面的具体 位置。 2. 3 两种软件中工字形钢各轴对应关系 ABAQUS 中轴线包含 t， n1和 n2， 分别为杆件局 部切线方向、 截面弱轴和强轴方向。SAP2000 中轴 线包含 n1， n2和 n3， 分别为杆件轴线方向、 截面强轴 和弱轴方向。 2. 4 附加节点法 ［4， 5］ 在* Element 数 据 行 中 指 定 一 个 附 加 节 点， ABAQUS 会将梁的第 1 个节点和附加节点间形成矢 量 v 图 2 ， 然后通过 n2 t v 得到向量 n2。在 n2 确定后， ABAQUS 根据 n1 n2 v 定义实际的向量 n1， 上述计算过程确保了局部切线与局部梁截面轴 构成一个正交系。 图 2 ABAQUS 中截面定位规则 2. 4. 1 空间杆件的分类 用附加节点法确定任意空间杆件的截面方向时， 首先要对空间任意杆件位置进行详细的分类， 分析每 类杆件所代表的空间位置意义。根据 Δx， Δy 和 Δz 是否为零， 可区分杆件与各坐标轴的位置关系， 由排 列组合可知共分为 8 种情况 ［6， 7］， 见表 1。 空间杆件分类及空间位置意义表 1 情况 Δx Δy Δz 空间杆件位置特点 ① ≠0 ≠0 ≠0 和 x， y， z 轴都不垂直也不平行 ② 0 ≠0 ≠0 和 x 轴垂直， 且和 y， z 轴不平行 ③ ≠0 0 ≠0 和 y 轴垂直， 且和 x， z 轴不平行 ④ ≠0 ≠0 0和 z 轴垂直， 且和 x， y 轴不平行 ⑤ 0 0 ≠0 和 z 轴平行 ⑥ 0 ≠0 0和 y 轴平行 ⑦ ≠0 0 0和 x 轴平行 ⑧ 0 0 0为一个点 对杆件进行分类以后， 接下来要先求杆件截面 强轴的向量 n2。可以由 n2 t v 得到。假设任意 杆件两端的节点分 别为 Ax1，y1，z 1 ， Bx2，y2，z 2 。 则有 Δx x2－ x1， Δy y2－ y1， Δz z2 － z1 1 所以杆件的局部切线方向向量 t Δx L ， Δy L ， Δz L cosαcosβ cos γ 2 式中 L Δx 2 Δy 2 Δz 槡 2。 ABAQUS 中默认强轴方向 n2实际是向量 t 和 55 建筑结构2013 年 整体坐标系 Z 轴轴向向量的叉积， 表 1 的 8 种情况 中， 第⑤种情况因向量 t 和整体坐标系 Z 轴平行而 不能直接进行叉积运算。第⑧种情况是一个点， 不 予考虑。 2. 4. 2 向量 v 求解 一般情况下， 在除第⑤种情况外的其余 7 种情 况中， 杆件轴向 t 矢量方向同整体坐标系 Z 轴不平 行， 这种情况下的 v 方向向量可由下式计算得到 n2 ijk cosαcosβ cosγ 001 icosβ － jcosα 3 v n2 t 4 特殊情况时， 杆件轴向 t 方向向量同整体坐标 系 Z 轴平行时 第⑤种情况 ， 这种情况下的 v 方向 向量为 0， 0， 1 ， 就是指向整体坐标 Z 轴方向。 2. 4. 3 附加节点坐标求解 杆件截面局部坐标轴往往需要绕杆件轴线转动 θ 角后， 才能符合实际情况。X， Y， Z 为整体坐标系， x， y， z 为局部坐标系， t， n1和 n2为杆件截面转动前 的局部轴向量， t， n1和 n2为杆件截面转动后的局 部轴向量。设定局部坐标系的 z 轴同杆件轴线向量 t 重合， 整体和局部坐标系及杆件转动角度前、 后的 截面局部轴坐标系关系见图 3。 图 3坐标系之间的关系图 首先在向量 n1上建立附加节点 C， 其在整体和 局部 坐 标 系 下 的 坐 标 分 别 记 为X3， Y3， Z 3 和 x3， y3， z 3 ， 取 x3， y3， z 3 为 0，1 000， 0 。杆件绕 轴线转动角度后， 节点 C 变成 C， C在整体和局部 坐 标 系 下 的 坐 标 分 别 为X3， Y3， Z 3 和 x3， y3， z 3 ，x3， y3， z 3 可由下式求得 x3 y3 z         3 cosθ－ sinθ 0 sinθcosθ 0         001 x3 y3 z         3 － 1 000cosθ 1 000sinθ         0 5 转换后的节点 C在局部坐标系下的坐标求出后， 可 以通过坐标转换矩阵求出 C在整体坐标系中的坐 标 X3， Y3， Z 3 ， 求解过程如下 X3 Y3 Z         3 T x3 y3 z         3 6 其中 T cosX， x cosY， x cosZ， x cosX， y cosY， y cosZ， y cosX， z cosY， z cosZ，         z 式中矩阵 T 的各元素是局部坐标系与整体坐标系 之间的方向余弦。 将求得的附加节点 C的坐标输入* Element 命 令流中， ABAQUS 会在梁的第 1 个节点和附加节点 间形成矢量 v 图 2 ， 然后确定 n2， 最后定义实际的 向量 n1， 就可确定杆件截面的方位。 2. 5 直接定义 n1方法 直接定义 n1法［8］。用* Beam Section 定义构 件的截面方位。这种方法通过直接给出构件的 n1 方向矢量来定位构件截面的方位; 由于这种方法每 个构件都需要用* Beam Section 来定义一次 n1方向 矢量， 但由于 ABAQUS 对* Beam Section 使用次数 有数量限制， 对像上海中心大厦有大量杆件组成的 结构不适用。 ABAQUS 中可以直接定义 n1的向量值来确定 截面方位。下面用 2． 4 节求得节点 C坐标和杆件 第一个节点来得到向量 n1 n1 →  AC ΔX L ， ΔY L ， ΔZ L n1x， n1y， n 1z 7 式中 L ΔX 2 ΔY 2 ΔZ 槡 2， ΔX X 3 － X1， ΔY Y3－ Y1， ΔZ Z3－ Z1。 根据 式 7求 出 向 量 n1， 然 后 输 入 * Beam Section 命令中就可确定杆件截面方向。 3模型转换程序的验证和工程应用 3. 1 模型转换程序的验证 为了检验所编程序的正确与否， 先建一个小型 的框架结构， 它包含了所有复杂结构会遇到的基本 情况， SAP2000 模型的各个构件赋予截面时构件所 默认的方向如图 4 a 所示。为检验软件的正确性， 把图 4 a 中的某些构件转动了角度， 变成图 4 b 所示的模型， 利用 MTR1. 0 将 SAP2000 模型转换成 ABAQUS 模型， 如图 4 c 所示。图 4 b ， c 中杆 件截面方位一致， 证明 MTR1. 0 程序的正确性。 3. 2 工程应用 上海中心大厦位于上海浦东的陆家嘴金融中心 区 ［9］， 它是一个集酒店、 办公、 商店和观光为一体的 65 第 43 卷 第 6 期张月强， 等． 复杂高层结构从 SAP2000 到 ABAQUS 模型转换的关键问题及软件开发研究 图 4模型转换示意 综合性超高层建筑。该建筑地上 124 层， 地下 5 层， 主体结构高 580m， 塔顶的最顶端高 632m， 建筑总面 积约 573 000m2。其结构体系为巨型框架-伸臂-核 心筒结构。 上海中心大厦的平面和立面极不规则 图 5 ， 因此模型中的结构构件定位十分困难。原来未使用 模型转化软件， 直接在 ABAQUS 中进行建模， 四五 个人同时建模， 大约花了一个月的时间， 最终某些梁 的定位还是不理想。现在直接用模型转化软件， 只 需十 几 分 钟 就 可 以 把 SAP2000 中 的 模 型 导 入 ABAQUS 中， 并且结构构件的定位完全符合预先设 计的要求。转换后的结构模型如图 6 所示。 图 5上海中心大厦的平面和立面示意 图 6转换后的上海中心大厦结构模型 4结论 1 通过小型框架结构和上海中心大厦的模型 转换， 证明了 MTR1. 0 软件的可行性与高效性。把 MTR1. 0 软件应用到实际工程设计中可以大大节省 建模的时间， 并能保证所建结构模型的一致性和正 确性。 2 通过文中的运算法则来确定杆件定位中的 附加节点坐标， 然后用以杆件截面的定位， 这种转化 方法也同样适用于其他软件的杆件截面方位定位， 可为其他软件模型转换时参考使用。 3 目前的复杂结构设计， 需要多个软件的计 算结 果 进 行 对 比 分 析， 但 MTR1. 0 现 仅 可 以 将 SAP2000 的模型转换为 ABAQUS 模型， 为了使更多 软件的模型可以相互转换， 将会进一步对 MTR1. 0 进行升级， 对提高结构特别是复杂结构的设计效率 有一定的意义。 参考文献 ［1］ 刘军进， 肖从真， 王翠坤， 等． 复杂高层与超高层建筑 结构设计要点［J］． 建筑结构，2011， 41 11 ; 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