基于ABAQUS高層結(jié)構(gòu)施工過程模擬分析

劉明洲　仝宗良

(1.中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島　266071;2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州　510230)

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基于ABAQUS高層結(jié)構(gòu)施工過程模擬分析

劉明洲1仝宗良2

(1.中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計(jì)分公司，山東 青島266071;2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州510230)

基于INP文件建模的方法，利用ABAQUS有限元軟件的“生死單元”功能，模擬了高層結(jié)構(gòu)施工過程，并通過某一算例簡述了INP文件的編寫過程，將計(jì)算結(jié)果與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一次加載法的計(jì)算結(jié)果作了對比，指出對高層結(jié)構(gòu)進(jìn)行考慮施工過程模擬分析是十分有必要的。

高層結(jié)構(gòu)，INP文件，ABAQUS,施工模擬

1　概述

高層結(jié)構(gòu)是由逐層施工建造完成的，其豎向荷載和豎向剛度矩陣隨著樓層變化而變化。如圖1所示的方法比較符合結(jié)構(gòu)的施工過程和實(shí)際的受力情況，因此，能夠準(zhǔn)確的反映出高層結(jié)構(gòu)豎向荷載效應(yīng)的變化，我們把這種分析方法稱為精確施工模擬法[1]。

圖1　精確施工模擬法

本文采用ABAQUS有限元軟件的“生死單元”功能來模擬高層結(jié)構(gòu)施工的動態(tài)過程。在ABAQUS的INP命令流文件中，通過關(guān)鍵詞“*MODEL CHANGE，REMOVE”“殺死”施工過程中還沒有建造的單元；而通過關(guān)鍵詞“*MODEL CHANG，ADD”“激活”施工過程中正在建造的單元[2，3]。下文將闡述如何在ABAQUS中實(shí)現(xiàn)高層結(jié)構(gòu)的施工過程模擬。

2　ABAQUS中高層結(jié)構(gòu)施工模擬的實(shí)現(xiàn)過程

INP命令流文件由模型數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)兩部分構(gòu)成。模型數(shù)據(jù)的作用是定義一個有限元模型，包括節(jié)點(diǎn)、單元、材料屬性等；歷史數(shù)據(jù)定義的是事情的進(jìn)展，模型響應(yīng)的載荷，歷史被分成一系列的時間步。INP文件必須以一個*Heading開頭引領(lǐng)整個文件，其他關(guān)鍵詞也必須以*開始，后面接相應(yīng)的選項(xiàng)名字和選項(xiàng)內(nèi)容以及所需的數(shù)據(jù)行[4-7]。

本文通過編寫INP文件建立高層結(jié)構(gòu)分析模型，設(shè)置分析步來實(shí)現(xiàn)高層結(jié)構(gòu)的施工過程模擬，主要的建模過程及分析過程所對應(yīng)的命令流如下所示：

1)INP文件開頭。

*Heading

*Preprint,echo=NO,model=NO,history=NO,contact=NO

2)定義模型的節(jié)點(diǎn)和單元信息。

*Node

1，0，0，0

……

*Element， type=B31

1，1，2

……

*Element， type=S3(S4)

1，11，12，13，(14)

……

3)定義材料和截面，賦予材料屬性。

*Material,name=C35

……

*Beam Section,elset=JZ,material=C45,temperature=GRADIENTS,section=RECT

……

*Shell Section,elset=JLQ-300,material=C50

……

4)模型組裝。

*Assembly,name=Assembly

*Instance,name=Part-1-1,part=Part-1

*End Instance

5)定義施工樓層，方便模擬施工順序。

*Elset, elset=EXT1

1,2,3,4,5,6,7,24,25,57,58,76,77,78,

*Elset,elset=INT1

8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23

6)定義邊界約束條件。

*Boundary

_PICKEDSET4, 1, 1

……

7)生死單元法模擬施工過程。

*Model Change,remove

_PICKEDSET5,

*Model Change,add

Part-1.INT2,

根據(jù)具體的施工情況，要?dú)⑺赖膯卧喜捎藐P(guān)鍵詞*Model Change，remove；如果要激活單元就采用關(guān)鍵詞*Model Change, add。因此，利用生死單元方法可以準(zhǔn)確的模擬高層結(jié)構(gòu)的施工過程。

3　算例

3.1工程概況

某鋼框架—混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，共36層，總高度為136.8 m，層高3.8 m，如圖2所示，外圍框架由4根截面尺寸為2.8 m×2.8 m的巨型型鋼混凝土柱構(gòu)成，混凝土采用C45，核心筒厚度分別為300 mm，600 mm，900 mm，混凝土采用C50，樓板厚度為200 mm，混凝土采用C35，連梁的混凝土采用C40，鋼材采用Q345，結(jié)構(gòu)平面圖如圖3所示。

圖2　三維有限元模型　　　　　　　圖3　結(jié)構(gòu)平面圖　

3.2分析方法

本文采用以下兩種分析方法：1)結(jié)構(gòu)一次加載法；2)精確施工模擬法，根據(jù)施工安排及進(jìn)度，混凝土核心筒超前施工6層，核心筒一層7 d施工完成，外圍鋼框架一層6 d施工完成。

3.3計(jì)算結(jié)果與分析

對比結(jié)構(gòu)一次加載法和精確施工模擬法的計(jì)算結(jié)果，得到A點(diǎn)型鋼混凝土柱、B點(diǎn)核心筒的豎向變形以及豎向變形差(B點(diǎn)-A點(diǎn))分別如圖4～圖6所示。

從圖4可以看出：結(jié)構(gòu)一次加載法得到的A點(diǎn)型鋼混凝土柱的豎向變形明顯偏大，且豎向變形隨著樓層的增加呈遞增趨勢，在最高層達(dá)到最大值；精確施工模擬法得到的A點(diǎn)型鋼混凝土柱的豎向變形隨著樓層的增加呈現(xiàn)出先遞增后減少的趨勢，最大值出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)中間某一層。從圖5可以看出：結(jié)構(gòu)一次加載法和精確施工模擬法得到的B點(diǎn)核心筒的豎向變形曲線變化趨勢與A點(diǎn)型 鋼混凝土柱的豎向變形曲線變化趨勢是一致的。從圖6可以看出：變化趨勢同圖4，圖5，兩種分析方法中，B點(diǎn)核心筒的豎向變形都要比A點(diǎn)型鋼混凝土柱的豎向變形大。

圖4　A點(diǎn)型鋼混凝土柱豎向變形　　　圖5　B點(diǎn)核心筒豎向變形

圖6　豎向變形差(B點(diǎn)-A點(diǎn))

4　結(jié)語

本文主要介紹了利用生死單元法在有限元軟件ABAQUS中模擬高層結(jié)構(gòu)的施工順序及過程，以及INP數(shù)據(jù)文件的命令流編寫格式和要點(diǎn)說明；對比分析了結(jié)構(gòu)一次加載法和精確施工模擬法兩種計(jì)算方法對某鋼框架—混凝土核心筒結(jié)構(gòu)豎向變形的影響。在精確施工模擬法中考慮了施工順序以及混凝土核心筒超前施工對結(jié)構(gòu)豎向變形和內(nèi)力的影響，因此計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，對實(shí)際高層結(jié)構(gòu)的施工過程有一定的指導(dǎo)作用。

[1]毛蓉萍.建筑結(jié)構(gòu)豎向荷載下施工模擬計(jì)算[J].工程力學(xué)(增刊),1997(A02):709-712.

[2]ABAQUS6.10 Documentation:Abaqus Keywords Reference Manual[Z].

[3]ABAQUS6.10 Documentation:Abaqus Analysis User’s Manual [Z].

[4]王玉鐲，傅傳國.ABAQUS結(jié)構(gòu)工程分析及實(shí)例詳解[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2010.

[5]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[6]曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析常見問題解答[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[7]張建華.ABAQUS基礎(chǔ)入門與案例精通[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

Analysis of construction process simulation of high-rise structure based on ABAQUS

Liu Mingzhou1Tong Zongliang2

(1.EastChinaDesignBranch,ChinaPetroleumEngineeringConstructionCompany,Qingdao266071,China;2.CCCCFourthHarborEngineeringResearchInstituteLimitedCompany,Guangzhou510230,China)

In this paper, using “birth-and-death elements” of the large finite element analysis software ABAQUS can implement simulation of the construction process of high-rise structure based on the modeling approach of INP files. The command stream compiled of INP files is introduced with a high-rise structure. The analysis result, comparing with that calculated by the load method of traditional structure, indicates that it is very necessary to carry out the analysis considering construction process for a high-rise building structure.

high-rise structure, INP files, ABAQUS, construction simulation

1009-6825(2016)21-0059-02

2016-05-17

劉明洲(1988- )，男，助理工程師

TU973

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