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1、SATWE 与 ABAQUS 的数据转换研究 侯杰 方长建 伍庶 中国建筑西南设计研究院有限公司 摘 要： 近年来, 复杂建筑结构逐渐增多, 基于 ABAQUS 的结构非线性分析越发重要。为进一步促进 ABAQUS 分析技术的工程应用, 本文研究了常规分析软件 SATWE 与ABAQUS 分析模型的数据结构, 介绍了两者之间数据转换的基本方法及注意事项, 并结合虚拟算例及实际工程, 验证了本文编制的转换软件对结构几何特性和动力特性转换的一致性, 并分析了误差产生的可能原因。关键词： SATWE; ABAQUS; 复杂结构; 数据转换; 作者简介：侯杰 (1980-) , 男, 高级工程师, 研
2、究方向:高层结构设计及分析。E-mail:收稿日期：2017-06-09Research on the data conversion from SATWE to ABAQUSHOU Jie FANG Changjian WU Shu China Southwest Architectural Design and Research Institute Co., Ltd.; Abstract： With the rise of complicated structure, nonlinear structure analysis based on ABAQUS is becoming more
3、 and more important.To improve the application of ABAQUS on structure analysis, the data structures for analysis model of SATWE and ABAQUS are studied. Basic methods and key problems are illustrated about the data conversion from SATWE to ABAQUS. Then with the virtual and real analysis model, the co
4、nversion consistency of geometric and dynamic property between SATWE and ABAQUS is verified. And the reason of conversion error is also displayed.Keyword： SATWE; ABAQUS; complicated structure; data conversion; Received： 2017-06-090 引言近年来, 超高、超限的复杂建筑结构日益增多, 不断挑战结构工程师的设计理念。对于该类建筑结构, 几何非线性、材料弹塑性越发突出, 一
5、般需要进行性能化设计, 而传统的线弹性分析理论及构造措施往往难以满足实际工程需求。SATWE 是目前各设计院广泛使用的高层结构分析与设计的主力软件, 其用户界面友好, 计算建模 (借助 PMCAD) 及后处理方便快捷, 对我国的建筑结构工程设计做出了重要贡献。但该软件基于线性叠加的反应谱理论, 虽然能够考虑一定程度的几何非线性 (如 P- 效应) , 但仍不能有效考虑大变形、大转动及材料塑性行为。ABAQUS 是一套功能强大的用于工程模拟的有限元软件, 其解决几何非线性、材料弹塑性及接触非线性的能力出众, 已得到国内外众多结构分析同行的广泛认可。但该软件也有诸多不足之处:建模能力有限, 手工建
6、模时仅能满足构件层次的分析研究, 对于比较复杂的实际结构往往力不从心;荷载工况设置比较繁琐, 难以快速形成满足规范要求的分析工况;虽然可以对构件进行配筋处理, 但需要用户手工设置, 比较费时、费力, 难以满足实际工程需求;在后处理部分, 分析结果难以整理, 不易形成与规范条文相对应的分析指标。为发挥 SATWE 和 ABAQUS 各自的优点, 可以把两者整合起来, 针对超高、超限的复杂结构, 前者主要用于建立模型, 后者主要用于计算分析, 从而可以实现优势互补、一模多用, 使 ABAQUS 更好地服务于工程实践, 为超高、超限的复杂结构分析寻找一条合理、便捷的途径。目前, 针对 ABAQUS
7、在结构分析中的应用, 广州数力科技有限公司1、中国建筑科学研究院2-3、北京市建筑设计研究院4、中建技术中心等少数单位已经开展了不同程度的理论研究、软件开发和工程实践, 形成了以广州数力科技有限公司 BEPTA 为代表的二次开发软件。为了降低 ABAQUS 软件使用难度, 进一步促进 ABAQUS 分析技术的工程应用, 提高复杂结构的分析效率, 本文研究了 SATWE 与 ABAQUS 分析模型的数据结构 (感谢中建技术中心提供 ABAQUS 分析服务) , 介绍了两者之间数据转换的基本方法及注意事项, 结合虚拟算例及实际工程, 验证了本文转换软件对结构几何特性和动力特性转换的一致性, 并分析
8、了产生误差的可能原因。1 SATWE 与 ABAQUS 的数据转换在 SATWE 模型中有楼层、梁、板、柱、支撑等工程概念, 适合工程人员快速理解, 即使不熟悉有限元分析的基本原理也能很好地操作此软件。SATWE 在完成分析后, 提供了一系列关于分析模型及分析结果的数据文件 (如DATA.SAT、WMASS.OUT、WZQ.OUT、WPJ*.OUT 等) , 可以通过研究这些文件的数据结构, 把 SATWE 分析模型转换到 ABAQUS 中。但 SATWE 与 ABAQUS 的模型数据并非完全一一对应, 需要转换软件及用户事先干预, 如单元转换、截面转换等。1.1 单元转换SATWE 中对于梁
9、、柱、支撑、墙的分析提供了梁单元、杆单元、壳单元等单元模型。在 ABAQUS 中也有多种单元选择, 如杆单元有 T2D3、T3D3, 梁单元有B31、B32、B33 等, 壳单元有 S4、S4R 等3。基于当前结构单元的常用划分尺度和前辈专家的实际工程经验, 综合考虑分析精度与分析时间, 本文数据转换时对梁、柱、支撑统一采用 B31 梁单元, 对墙、楼板统一采用 S4R 壳单元。对于单元划分, 墙、楼板以及与楼板相连的中梁和边梁、与墙相连的柱的网格划分均采用 SATWE 中已有的单元划分结果, 不与楼板相连的梁、不与墙相连的柱及支撑可根据构件长度自行划分单元。1.2 截面转换普通的截面形式如矩
10、形、箱形、圆形、圆管、工字形等在 SATWE 及 ABAQUS 中都可以很方便地定义使用, 属于共有数据, 但有些特殊的截面形式在 ABAQUS 中难以表达3。在高层建筑结构中, 钢管混凝土、型钢混凝土等组合截面构件用得较多, 在本文数据转换中, 将此类组合截面拆成混凝土单元和钢材单元 (钢管、型钢等) 两部分, 分别用梁单元模拟, 再通过两端节点及内部剖分节点的耦合近似模拟组合截面构件。目前, 本文数据转换所支持的 SATWE 截面类型见表1。1.3 质量转换在地震分析中, 结构总质量及质量分布对分析结果影响较大。质量除了来自于结构构件本身外, 还应包括外加恒载和活载的准永久部分的等效质量3
11、。因此, 在从 SATWE 至 ABAQUS 进行质量转换时, 除了应考虑构件本身分布质量外, 还要把外加恒载及 0.5 倍活载转换成质量施加到相应的构件和节点上 (可通过关键字*Nonstructural Mass 及*MASS 施加) 。表 1 目前本文数据转换所支持的 SATWE 截面类型5Tabe 1 Sections in SATWE supported by the conversion software 下载原表 1.4 荷载转换构件的自重在 ABAQUS 中通过质量分布密度自动计算, 构件自重及外加恒载和活载可在分析步中施加。在本文数据转换中, 把 SATWE 外加恒载及 0.
12、5 倍活载等效转换为梁分布质量、墙分布质量和节点集中质量, 再采用关键字*Dload 以重力荷载形式施加。目前, 本文数据转换仅支持 SATWE 手册附录 B 中编号为2、4、11、21、22 的 5 种形式的荷载, 但对于编号 11 的荷载, 仅支持竖向集中力作用情况。本文数据转换暂不支持编号为 1、3、12、31 形式的荷载。对于地震荷载作用需另建分析步来模拟, 可采用*Boundary 关键字对底部节点组施加地震波荷载, 并注意释放底部节点组在地震波作用方向的自由度。1.5 钢筋转换在 ABAQUS 的隐式计算中, 对于混凝土梁、柱及支撑中的钢筋一般采用*Rebar关键字模拟。但对于实际
13、工程项目进行弹塑性时程分析时, 由于规模较大, 一般需要用到 ABAQUS 显式分析模块, 由于 ABAQUS 自身原因, 此模块并不支持*Rebar 关键字。所以, 分析混凝土梁、柱及支撑构件时, 需对相应配筋进行简化。在本文的数据转换中, 混凝土梁、柱及支撑的配筋均采用内插自定义箱形钢截面近似模拟, 通过箱形钢截面的位置、形状及壁厚的不同来体现不同的配筋形式。对于面单元 (楼板及剪力墙) 中的分布钢筋, 则用*Rebar Layer 关键字通过铺钢筋层来模拟。1.6 楼板转换通常情况下, 楼板的平面内刚度非常大, 小震下一般可按照刚性楼板假定来参与结构整体分析。但采用 ABAQUS 软件进
14、行弹塑性分析, 主要是为了考察大震下包含楼板在内的各结构构件的性能表现。振动台试验及大量分析实例证明, 大震下不应采用刚性楼板假定, 必须采用弹塑性楼板才能比较客观地反映结构真实性能。在采用 SATWE 进行反应谱分析时, 取消刚性楼板假定并定义弹性楼板 (弹性膜、弹性板 3 或弹性板 6 均可) 后, 生成的结构模型文件中就会包含楼板的单元划分信息。本文数据转换中可将楼板信息转换至 ABAQUS 分析模型中, 并且用户可以通过切换材料类型, 自主选择采用弹性楼板还是弹塑性楼板。实际工程中楼板顶一般与梁顶平齐, 则在模型转换时应充分重视梁板相对位置问题。针对 SAT-WE 中大部分梁截面类型,
15、 在 ABAQUS 中通过向下偏置梁单元 (仅个别截面类型不支持, 如圆形截面) , 本文数据转换基本实现了板顶与梁顶的平齐。1.7 分析工况转换在 ABAQUS 分析模型中, 分析工况可由 1 个或若干个*Step 组成。对于 SATWE 分析模型, 经本文软件转换后可形成 3 个 ABAQUS 输入文件 (INP 文件) , 分别对应 3 个分析工况:模态分析 (1 个*Step) 、施工模拟分析 (隐式分析, 可选择弹性或弹塑性, 若干个*Step) 和弹塑性时程分析 (显式分析, 1 个*Step) 。由于 ABAQUS 中*Step 控制比较灵活, 因此用户可根据实际工程需要, 按照
16、ABAQUS 的 INP 文件格式, 任意手动添加或修改相关*Step。施工模拟分析工况结束后, 可通过*Import 命令把该分析工况最后状态导入弹塑性时程分析工况, 作为后者的初始状态。在此过程中必须充分保证两分析工况衔接正确, 即保证质量及荷载等的一致性, 否则容易导致弹塑性时程分析的初始状态误差较大, 引起后续计算结果严重失真。2 数据转换验证本文基于对 SATWE 与 ABAQUS 之间的数据转换研究, 编制了面向实际工程应用的转换软件, 当前本文软件能够较为方便、准确、快速地把 SATWE2010 (已经测试 2012 年 3 月版、6 月版、V2.1 版、V2.2 版、V3.1 版) 模型转换成 ABAQUS 模型, 可以便捷地进行模态分析、施工模拟分析及弹塑性时程分析。基本使用流程为:整理 SATWE 模型, 补充数据, 把 SATWE 模型转换至 ABAQUS, 基于 ABAQUS进行结构分析、后处理。本文转换软件于 2013 年首次正式应用于实际工程 (贵
