超高層建筑復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化技術(shù)

中建四局第六建筑工程有限公司 合肥 230011

現(xiàn)代化樓層的結(jié)構(gòu)高度和構(gòu)件的變換越來(lái)越復(fù)雜，設(shè)計(jì)和施工的難度逐步提高，各種有限元軟件各有其特點(diǎn)，ANSYS為通用的最早、功能最強(qiáng)大的有限元仿真軟件，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)分析和施工時(shí)變分析等具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但建模比較復(fù)雜和煩瑣。SAP2000也是目前比較通用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，對(duì)于復(fù)雜模型結(jié)構(gòu)建模非常方便[1-3]。本文主要找到一種轉(zhuǎn)化模型技術(shù)方法，結(jié)合實(shí)際工程將SAP2000結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為ANSYS有限元模型。

1 模型轉(zhuǎn)化技術(shù)原理

目前將SAP有限元模型轉(zhuǎn)化為ANSYS模型的方法很多，但不同的方法各有其不同的方便性，本文主要闡述一種相對(duì)簡(jiǎn)單方便的模型轉(zhuǎn)化技術(shù)方法。主要分為3 個(gè)步驟，即：第一，SAP2000模型轉(zhuǎn)化前處理；第二，ANSYS前期處理工作；第三，ANSYS模型轉(zhuǎn)化后處理，實(shí)現(xiàn)模型的轉(zhuǎn)化。基本結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換具體流程為：SAP2000有限元模型→按截面編號(hào)拆分構(gòu)件→構(gòu)件去單元化（轉(zhuǎn)DXF和IGES）→ANSYS前期處理工作（IGES文件轉(zhuǎn)CDB文件及材料模型APDL語(yǔ)言編程）→按構(gòu)件將不同的截面編號(hào)CDB文件整合→不同構(gòu)件網(wǎng)格劃分→構(gòu)件整合ANSYS結(jié)構(gòu)有限元模型。

1.1 SAP2000模型的前期處理

1）分面處理材料和幾何模型工作；

2）將SAP2000有限元模型進(jìn)行去單元化工作 。

1.2 ANSYS前期工作

1）分化轉(zhuǎn)化IGES格式寫(xiě)入CDB文件工作；

2）前期材料模型整理及編寫(xiě)ADPL程序工作；

3）按同構(gòu)件整合分組CDB文件工作。

1.3 ANSYS模型轉(zhuǎn)化后處理

1）不同構(gòu)件分面CDB文件的幾何模型網(wǎng)格劃分工作；

2）根據(jù)不同單元整合工作和網(wǎng)格劃分工作；

3）不同分面單元的整合工作、材料和約束處理工作。

2 模型轉(zhuǎn)化步驟

貴陽(yáng)雙子塔東塔結(jié)構(gòu)主體為高326 m的超高層混凝土建筑，建筑面積約17萬(wàn) m2，地上65 層、地下5 層。該結(jié)構(gòu)為內(nèi)核心筒、外框架鋼筋混凝土柱，其中20層以下為疊合矩形柱，65層以上為外框架鋼結(jié)構(gòu)柱。圖1為該塔樓SAP2000結(jié)構(gòu)有限元模型，建模過(guò)程中，梁柱子采用Frame框架單元，剪力墻和板采用shell殼單元。

2.1 SAP2000模型的前期處理工作

因SAP2000軟件和ANSYS軟件建模和輸入的方式迥異，根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)模型在SAP2000和ANSYS有限元模型的特點(diǎn)，為保證轉(zhuǎn)化后ANSYS材料模型的APDL編程方便統(tǒng)一，在SAP2000中將整個(gè)結(jié)構(gòu)模型按構(gòu)件截面進(jìn)行分類(lèi)規(guī)整。

首先，按原東塔SAP2000結(jié)構(gòu)有限元模型（圖1）梁柱和墻板截面編號(hào)分類(lèi)選擇各構(gòu)件，本模型在SAP2000中柱子截面分為18 類(lèi)，包括疊合柱編號(hào)SD1～SD11，混凝土柱編號(hào)z1～z6和鋼柱子GLZ1；梁截面有63 類(lèi)，編號(hào)為L(zhǎng)1～L63，有鋼筋混凝土梁、鋼梁和斜桿；剪力墻27 類(lèi)，編號(hào)q1～q27；板10 類(lèi)，編號(hào)ban1～ban10。

其次，進(jìn)行東塔SAP2000結(jié)構(gòu)模型去單元化工作，去單元化的主要原因是考慮不同軟件單元定義和網(wǎng)格劃分的差異性，對(duì)于直接按單元導(dǎo)入ANSYS后處理工作量很大，將按截面編號(hào)分類(lèi)，按截面選擇導(dǎo)出編號(hào)DXF文件。將所有不同構(gòu)件的截面按編號(hào)導(dǎo)出DXF文件。

圖1 SAP2000結(jié)構(gòu)模型

最后，將按不同截面編號(hào)導(dǎo)出的DXF格式文件用SAP2000文件轉(zhuǎn)化為按截面編號(hào)的IGES文件。

2.2 ANSYS前期工作

首先，進(jìn)行ANSYS材料模型APDL語(yǔ)言的前期編寫(xiě)，從SAP2000有限元模型中很容易歸類(lèi)不同材料所設(shè)置的材料屬性相關(guān)數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行APDL語(yǔ)言的編寫(xiě)。但對(duì)于建筑整體模型疊合柱的軸向剛度、剪切剛度和彎曲剛度可以《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（ECEC 188—2005）變形協(xié)調(diào)理論為依據(jù)，按公式5.2.3-1，5.2.3-2和5.2.3-3進(jìn)行手工換算。然后將換算的結(jié)果用APDL語(yǔ)言編寫(xiě)成材料模型。

其次，按構(gòu)件屬性分面整合不同構(gòu)件的幾何模型。首先用ANSYS軟件將所有按截面編號(hào)的IGES文件轉(zhuǎn)化為按截面編號(hào)的CDB文件。在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中注意要去除與構(gòu)件相重合的線或面，通過(guò)設(shè)置容差和面線基本命令進(jìn)行統(tǒng)一處理。將導(dǎo)出的按截面分類(lèi)的CDB文件按構(gòu)件屬性即柱子、梁、墻和板分別在ANSYS前期處理中進(jìn)行讀取和分組整合，如圖2和圖3所示。在按不同構(gòu)件整合的過(guò)程中，按不同的截面編號(hào)進(jìn)行分組命令CMSEL對(duì)構(gòu)件按截面編號(hào)全部的分組，以便于賦予材料模型構(gòu)件的材料屬性。

圖2 東塔柱子和梁的整合幾何模型

圖3 東塔剪力墻和板的幾何模型

2.3 ANSYS模型后處理工作

首先，進(jìn)行不同構(gòu)件分面CDB文件的幾何模型網(wǎng)格劃分工作。在ANSYS模型中，柱子和梁采用beam189梁?jiǎn)卧?，剪力墻和板采用shell93結(jié)構(gòu)殼單元。對(duì)不同構(gòu)件按分組CM命令進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在柱子和梁幾何模型中，要檢查是否有不連續(xù)或沒(méi)有耦合的節(jié)點(diǎn)，用幾何命令處理不連續(xù)的線連接相互重復(fù)的關(guān)鍵點(diǎn)。然后將編寫(xiě)好的材料模型用APDL語(yǔ)言賦予構(gòu)件和構(gòu)件不同的截面，對(duì)于梁柱網(wǎng)格劃分采用線分割分段網(wǎng)格劃分命令。劃分度可以設(shè)為1，對(duì)于剪力墻和板的網(wǎng)格劃分，在網(wǎng)格劃分前確保幾何模型各個(gè)面都重合，面上的線沒(méi)有重復(fù)的。轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的模型往往會(huì)出現(xiàn)這種情況，在不同分組面中通過(guò)BTOL命令設(shè)置合理的容差值，然后對(duì)面中的線用LCSL或LGLUE命令進(jìn)行局部處理。然后設(shè)置合理的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖4、圖5）。

圖4 東塔柱子和梁有限元模型

圖5 剪力墻和板有限元模型

最后，進(jìn)行不同構(gòu)件分面單元的整合工作、材料和約束處理工作。將不同構(gòu)件所劃分好的有限元模型在ANSYS中進(jìn)行整合，進(jìn)一步施加約束和優(yōu)化有限元結(jié)構(gòu)模型。在進(jìn)一步完善材料模型和施加約束后就可以進(jìn)行整體分析及局部分析。例如：東塔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化層的結(jié)構(gòu)剛度變化大、整體協(xié)調(diào)變形復(fù)雜，為了研究結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化層隨著上部結(jié)構(gòu)荷載的逐層增加對(duì)轉(zhuǎn)化層疊合柱的應(yīng)力和應(yīng)變的影響，在已經(jīng)轉(zhuǎn)好的東塔ANSYS模型中依據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選取轉(zhuǎn)化層部分局部整體模型（圖6），然后另寫(xiě)入CDB文件，在該文件中施加約束和荷載就可以進(jìn)行有限元分析。

圖6 ANSYS有限元模型

3 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了在建筑領(lǐng)域復(fù)雜超高層結(jié)構(gòu)有限元模型轉(zhuǎn)化技術(shù)，為日后進(jìn)行大型復(fù)雜建筑設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模型的分析和施工仿真技術(shù)提供一種方便的轉(zhuǎn)化技術(shù)。提出分面分層轉(zhuǎn)化方法，轉(zhuǎn)化后只需簡(jiǎn)單的運(yùn)用APDL簡(jiǎn)單編程，就可實(shí)現(xiàn)將SAP2000有限元模型轉(zhuǎn)化為ANSYS通用有限元模型。