1. 簡介

通用有限元軟件Abaqus憑借其強(qiáng)大的非線性功能和顯式計算分析，以及在復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)彈塑性分析中的應(yīng)用，已得到較多實際工程的檢驗。但Abaqus前處理建模工作繁瑣，難以 滿 足 工 程 師 的 需 求，并且其后處理功能有限，分析結(jié)果難以整理，不易形成與規(guī)范條文相對應(yīng)的結(jié)果指標(biāo)。

 

針對Abaqus前處理和后處理的不足，開發(fā)了復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)非線性分析集成軟件CSEPA，其主要包含前處理和后處理模塊。

 

CSEPA的前處理功能利用AutoCAD 的開發(fā)工具 ObjectArx 提供的類庫，運用面向?qū)ο?/span>的開發(fā)平臺 VS2008 開發(fā)。其能夠?qū)⒊Ｓ媒Y(jié)構(gòu)設(shè)計軟件（YJK、PKPM/SATWE、MidasGen、SAP2000等） 模型直接轉(zhuǎn)換成 Abaqus的精細(xì)有限元模型。

 

CSEPA的后處理功能利用Python 對Abaqus 進(jìn)行二次開發(fā)，將Abaqus 計算結(jié)果進(jìn)行分析，整理成結(jié)構(gòu)設(shè)計中所需的基底剪力、層間位移角、樓層剪力等數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存入自定義SQLite 數(shù)據(jù)庫文件。根據(jù)SQLite 數(shù)據(jù)庫文件自動生成超限建筑工程抗震設(shè)防專項審查報告。

 

通過CSEPA軟件，能夠極大地提高建立有限元分析模型、分析結(jié)果整理的效率，為采用Abaqus 軟件對超限復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力彈塑性分析提供了合理、便捷的方法。

 

2. CSEPA 前處理開發(fā)

2.1 總體構(gòu)架設(shè)計

本軟件在 AutoCAD 界面下，通過少量的人機(jī)交互，即可快速建立 ABAQUS 精細(xì)有限元模型。軟件從功能上大致可分為導(dǎo)入模塊、編輯模塊、導(dǎo)出模塊三個模塊，三個模塊有不同的功能，并且相互銜接，成為一個完整的系統(tǒng)，軟件的總體構(gòu)架見圖 1。

 

( 1) 導(dǎo)入模塊。通過讀取 PKPM/SATWE 模型數(shù)據(jù)，包括節(jié)點、單元、材料、截面、荷載以及樓層信息等，即可在 前處理軟件 CSEPA 中生 成相 應(yīng) 的CSEPA 模型。

 

( 2) 編輯模塊。根據(jù) ABAQUS 軟件彈塑性時程分析的要求，在前處理軟件 CSEPA 平臺上對導(dǎo)入模型進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和編輯，包括邊緣構(gòu)件生成、單元網(wǎng)格劃分、模型檢查以及定義關(guān)鍵構(gòu)件、耗能構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件的抗震性能等，從而生成 ABAQUS模型。

 

( 3) 導(dǎo)出模塊。直接讀取編輯處理好的 CSEPA模型 信息，并導(dǎo)出生 成 ABAQUS /INP計 算 文 件。CSEPA 軟件主界面采用樹形菜單模式，方便用戶操作，如圖 2 所示。

 

 

圖 1. CSEPA 前處理總體架構(gòu)設(shè)計圖

 

 

圖 2. CSEPA 前處理界面

 

2.2 單元網(wǎng)格劃分

程序在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，先劃分剪力墻和梁柱單元，然后再劃分樓板單元，如圖 3所示。在樓板與剪力墻相交邊界，樓板以剪力墻網(wǎng)格點為約束邊界進(jìn)行網(wǎng)格劃分，從而保證樓板在該邊界上生成的樓板網(wǎng)格點與剪力墻網(wǎng)格點重合，即共節(jié)點，從而實現(xiàn)節(jié)點的自由度協(xié)調(diào)。

 

對于剪力墻網(wǎng)格劃分，CSEPA軟件根據(jù)ABAQUS有限元模型的特點，采用格柵法，利用墻-墻交點、墻-梁交點以及網(wǎng)格尺寸確定墻各邊的網(wǎng)格劃分點，然后以網(wǎng)格劃分點數(shù)較多的兩條邊為基準(zhǔn)生成劃分網(wǎng)格，最后根據(jù)墻邊界點情況對邊界網(wǎng)格進(jìn)行調(diào)整。該方法網(wǎng)格劃分速度較快，能夠保證在墻-墻交點、墻-梁交點處生成墻元，從而避免單元虛接的情況。目前，CSEPA 軟件只能對矩形剪力墻進(jìn)行網(wǎng)格劃分，具體劃分流程如圖4 所示。

 

梁柱單元的網(wǎng)格劃分比較簡單，CSEPA 軟件提供了最大單元劃分?jǐn)?shù)和最大單元尺寸兩個參數(shù)控制單元的網(wǎng)格劃分，從而在控制單元尺寸的情況下，確保合適的單元數(shù)。

 

 

劃分墻 劃分梁柱 劃分樓板

圖3. 網(wǎng)格劃分過程示意圖

 

 

圖4. 矩形剪力墻網(wǎng)格劃分流程圖

 

根據(jù)有限元模型特點，樓板網(wǎng)格劃分與梁及墻的網(wǎng)格相一致，有限元節(jié)點的自由度協(xié)調(diào)。為此，CSEPA 軟件首先遍歷所有樓板，查找位于樓板各邊上的節(jié)點，這些節(jié)點即為樓板各邊的網(wǎng)格劃分點； 然后根據(jù)網(wǎng)格劃分點，按映射法[3]生成網(wǎng)格節(jié)點，為避免生成小尺寸單元，考察生成網(wǎng)格節(jié)點之間的距離，對于距離不滿足要求的網(wǎng)格節(jié)點進(jìn)行凝聚最后，根據(jù)凝聚后的網(wǎng)格節(jié)點生成板元。但目前編寫的這種算法只適用于三邊形或四邊形樓板，對于任意多邊形樓板，CSEPA 軟件采用加權(quán)剖分[4]的方法將多邊形分割三邊形或四邊形樓板，然后再按上述方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分。樓板網(wǎng)格劃分具體如圖5所示。

 

 

圖5. 樓板網(wǎng)格節(jié)點凝聚示意

 

3. CSEPA 后處理開發(fā)

3.1 總體構(gòu)架設(shè)計

軟件總體架構(gòu)如圖 6 所示，分為三個模塊：

（1）生成自定義數(shù)據(jù)庫文件模塊：利用 Python 語言從 ABAQUS 海量級的 ODB 數(shù)據(jù)庫中提取需要的數(shù)據(jù)表重組成輕量級的 SQLite 數(shù)據(jù)庫。SQLite 數(shù)據(jù)庫文件包含結(jié)構(gòu)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)周期、基底剪力、樓層剪力、層間位移角、頂部位移、構(gòu)件損傷信息等結(jié)果。

 

（2）結(jié)果查詢模塊：根據(jù)已添加的 SQLite 數(shù)據(jù)庫文件以及用戶設(shè)置的抗震性能目標(biāo)，快速查詢結(jié)構(gòu)關(guān)鍵構(gòu)件、普通豎向構(gòu)件、耗能構(gòu)件的抗震性能，將不滿足抗震性能目標(biāo)的構(gòu)件以列表形式列出并在界面中予以高亮顯示。

 

（3）生成專項審查報告模塊：根據(jù)多個SQLite數(shù)據(jù)庫文件自動生成專項審查報告，實現(xiàn)多個彈塑性時程分析結(jié)果的自動對比；自動判斷基底剪力、層間位移角、構(gòu)件性能等是否滿足規(guī)范要求；自動繪制表格、圖片等。

 

 

圖6. CSEPA后處理總體架構(gòu)設(shè)計圖

 

3.2 用戶界面設(shè)計

用戶界面作為軟件與用戶之間交互的媒介，具有重要的意義。ABAQUS 中 RSGDialog Builder 提供了許多 ABAQUS GUI 工具包的簡化接口[5]。首先通過 RSG DialogBuilder 創(chuàng)建簡單對話框，然后修改腳本命令創(chuàng)建豐富的界面。

 

對話框的創(chuàng)建使用了ABAQUS GUI Toolkit中的類。非模態(tài)對話框和模態(tài)對話框分別通過AFXDataDialog類、AFXDialog類派生。對話框控件通過在初構(gòu)函數(shù)__init__(self，form)中使用AFXTable，AFXComboBox，AFXTextField等類添加。對話框控件與相應(yīng)函數(shù)之間通過FXMAPFUNC(object，messageType，messageId，method)建立消息響應(yīng)。

 

 

圖7. 生成數(shù)據(jù)庫文件對話框

 

 

圖8. 設(shè)置報告內(nèi)容對話框

 

3.3 生成專項審查報告

win32com 模塊是 Python 的擴(kuò)展包之一，可以方便地操作 word 文檔，實現(xiàn)插入文字、繪制表格、插入圖片等功能。

 

專項審查報告采用win32com調(diào)用word生成。軟件中通過函數(shù)TypeText()插入文字、通過函數(shù)Tables.Add()繪制表格、通過函數(shù)MoveDown()移動單元格中的光標(biāo)。

 

matplotlib是python中功能最完善、最強(qiáng)大的繪圖庫，能夠方便地繪制高質(zhì)量的圖片，并且可以在圖片中繪制一條或多條曲線。報告中的圖片即采用matplotlib庫繪制，如基底剪力時程曲線、層間位移角曲線等。圖片中的數(shù)據(jù)通過win32com調(diào)用Excel，將數(shù)據(jù)保存于Excel文件中以方便用戶查看。

 

4. 工程實例

4.1 Abaqus 計算模型生成

本項目總建筑面積25248m2，其中地上22381m2，由比賽大廳、熱身館、門廳以及多功能廳組成。建筑房屋屋蓋高度36.15m，建筑局部地下一層，地上主體一層，局部五層，樓層層高分別為4.5m、5.5m、6.0m、4.2m、4.2m以及3.6m。結(jié)構(gòu)平面尺寸124.8m×84.6m，主要柱網(wǎng)尺寸7.8m×8.4m，屋蓋最大跨度約74.4m。其效果圖如圖9所示。

 

 

圖9. 效果圖

 

采用CSEPA軟件將YJK模型轉(zhuǎn)換為Abaqus模型，并對比YJK和Abaqus的質(zhì)量和周期。YJK模型如圖10所示，CSEPA模型如圖11所示，Abaqus模型如圖12所示。

 

根據(jù)計算結(jié)果，Abaqus和YJK的質(zhì)量、周期對比如表1、表2所示，結(jié)構(gòu)振型圖如圖13、圖14所示。兩款軟件的質(zhì)量、周期較為接近，說明CSEPA能夠準(zhǔn)確地將YJK模型的荷載、截面等信息轉(zhuǎn)換成Abaqus模型。

 

 

圖10. YJK模型示意

 

 

圖11. CSEPA模型示意

 

 

圖12. Abaqus模型示意

 

 

 

 

b)第二階振型（Y 向） c）第三階振型（扭轉(zhuǎn)）

圖13. 結(jié)構(gòu)前三階振型（Abaqus）

 

圖14. 結(jié)構(gòu)前三階振型（YJK）

 

4.2 彈塑性時程分析結(jié)果

選取 1組天然波進(jìn)行大震動力彈塑性時程分析，每組波包含三個方向，主次方向及豎向地震波輸入組合系數(shù)為 1：0.85：0.65，其中主向地震波峰值加速度為3125px/s2。

 

 

（a）X向

 

 

圖15. 地震波加速度時程曲線

 

 

圖16. 彈塑性結(jié)果提取示意

 

 

圖17. 層間位移角結(jié)果

 

罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)塔樓層X向最大層間位移角為1/166(7層)，Y向最大層間位移角為1/145 (7層)，小于規(guī)范限值1/138。結(jié)構(gòu)在大震作用下最大層間位移角滿足規(guī)范要求。結(jié)構(gòu)基底剪力時程曲線如圖18所示。

 

 

圖18. 基底剪力時程曲線

 

 

圖19. 結(jié)構(gòu)通高框架柱（關(guān)鍵構(gòu)件）混凝損傷及鋼材塑性應(yīng)變云圖

 

罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)通高框架柱混凝損傷為0，鋼筋塑性應(yīng)變絕大部分為0，僅個別構(gòu)件端部進(jìn)入塑性，且最大塑性應(yīng)變?yōu)?.414e-3，塑性應(yīng)變比0.73<1，處于輕微損壞。由此可見，結(jié)構(gòu)通高框架柱大部分處于彈性，僅個別構(gòu)件處于輕微損壞，滿足預(yù)期性能目標(biāo)。

 

 

圖20. 結(jié)構(gòu)鋼屋蓋支座桿件（關(guān)鍵構(gòu)件）塑性應(yīng)變云圖

 

 

圖21. 結(jié)構(gòu)鋼屋蓋桿件（普通構(gòu)件）塑性應(yīng)變云圖

 

由圖 20 可知，屋蓋支座桿件塑性應(yīng)變均為 0，構(gòu)件處于彈性，滿足預(yù)期性能目標(biāo)要求。由圖 21 可知，屋蓋絕大部分構(gòu)件塑性應(yīng)變均為 0，構(gòu)件處于彈性，僅個別弦桿屈服，且最大塑性應(yīng)變 1.262e-3，塑性應(yīng)變比 1.04，處于輕度損壞。結(jié)構(gòu)屋蓋普通構(gòu)件，滿足預(yù)期性能目標(biāo)要求。

 

5. 結(jié)論

（1）針對復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu)動力彈塑性分析的特點，編制了基于 ABAQUS 技術(shù)平臺快速實現(xiàn)建筑動力彈塑性分析的前處理軟件 CSEPA，極大地減小 了設(shè)計人員的工作量，提高了工作效率和質(zhì)量，對于準(zhǔn)確評估復(fù)雜高層建筑抗震性能具有重要的現(xiàn)實意義。

 

（3）以 AutoCAD 軟件為圖形處理平臺，采用面向?qū)ο蟮能浖_發(fā)技術(shù)，利用ObjectArx 軟件包開發(fā)了CSEPA前處理功能，實現(xiàn)了 常用結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件模型與 ABAQUS 軟件間的可視化轉(zhuǎn)換。

 

（3）采用Python語言，利用ABAQUS二次開發(fā)功能，開發(fā)了CSEPA后處理功能，建立了自定義SQLite數(shù)據(jù)庫，并能對構(gòu)件進(jìn)行性能評價，實現(xiàn)超限審查報告的自動生成，極大地提高了書寫報告的效率。

 

資料來源：達(dá)索官方