复杂高层结构从SAP2000到A_省略_模型转换的关键问题及.pdf

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1、第 43 卷 第 6 期2013 年 3 月下建筑结构Building StructureVol 43 No 6Mar 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

2、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)06-0054-04Critical issues and software development research on model conversionfrom SAP2000 to

3、ABAQUS for complex high-rise structuresZhang 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 elast

4、ic and elastic-plastic analysis It normally takes two or morecommercial software for analysis and comparison But for the lack of different software corresponding model transformationinterfaces，there is problem of modeling repetition when using different software to calculate and analyze In order to

5、savemodeling time and improve the work efficiency，through analyzing the internal logic of SAP2000 to ABAQUS model dataconversion，the model data was transformed from SAP2000 to ABAQUS automatically by MTR1.0 program In programprocess，the difficulty of bar cross-section orientation was solved by the m

6、athematical modeling methods At the same time，through practical engineering application of Shanghai Tower，it has been proved that MTR1.0 program is feasible andefficient，and it could provide references for future engineering applicationsKeywords:high-rise structure;FEM;SAP2000;ABAQUS;model conversio

7、n;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:zhangyueqiang0228163 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

8、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

9、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 TRANFORMATION 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MT

10、R1.0 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

11、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

12、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 2ABAQUS 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

13、类杆件所代表的空间位置意义。根据 x，y 和 z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xyz空间杆件位置特点000和 x，y，z 轴都不垂直也不平行=000和 x 轴垂直，且和 y，z 轴不平行0=00和 y 轴垂直，且和 x，z 轴不平行00=0和 z 轴垂直，且和 x，y 轴不平行=0=00和 z 轴平行=00=0和 y 轴平行0=0=0和 x 轴平行=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，

14、z()1，Bx2，y2，z()2。则有:x=x2 x1，y=y2 y1，z=z2 z1(1)所以杆件的局部切线方向向量:t=xL，yL，z()L=coscoscos()(2)式中 L=()x2+()y2+()z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

15、由下式计算得到:n2=ijkcoscoscos001=icos jcos(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 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

16、 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:x3y3z3=cos sin0sincos0001x3y3z3=1 000cos1 000sin0(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，

17、求解过程如下:X3Y3Z3=Tx3y3z3(6)其中:T=cosX，()xcosY，()xcosZ，()xcosX，()ycosY，()ycosZ，()ycosX，()zcosY，()zcosZ，()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

18、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=XL，YL，Z()L=n1x，n1y，n()1z(7)式中:L=()X2+()Y2+()Z槡2，X=X3 X1，Y=Y3 Y1，Z=Z3 Z1。根据 式(7)求 出 向 量 n1，然 后 输 入*BeamSection 命令中就可确定杆件截面方向

19、。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

20、 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AB

21、AQUS 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

22、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);34-392 DENNIS C K POON，LING-EN HSIAO，ZHU YI，et alFinite element analyses of super composite column and itsconnections for Ping An International F

23、inancial CenterTowerJ Structures Congress，ASCE，2011:918-9283 北京金土木软件技术有限公司 SAP2000 中文版使用指南M 北京:人民交通出版社，20064ZUO ZHIJIANG，LI YAO ABAQUS based finite elementmodeling thin walled ring rollingM Beijing:TsinghuaPress，20095庄茁，由小川，廖剑晖，等 基于 ABAQUS 的有限元分析和应用M 北京:清华大学出版社，20096 曹金凤，石亦平 ABAQUS 有限元分析常见问题解答M 北京:机械工业出版社，20097 董石麟 新型空间结构分析、设计与施工M 北京:人民交通出版社，20068 刘展 ABAQUS6.6 基础教程与实例详解M 北京:水利水电出版社，20089 JIA JIAN，XIE XIAOLIN，LIU CHUANPING，et alDesign and research of circular diaphragm wall for deepexcavation of Shanghai TowerC/Proceedings of the2010GeoShanghaiInternationalConference2010:24-3675