Midas/Gen 與ABAQUS 的復雜建筑結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換程序開發(fā)

王杰

（中南建筑設計院股份有限公司，武漢 430071）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，建筑復雜程度日益增加，出現(xiàn)了大量超高層建筑以及平面、立面特別復雜的建筑，而這些建筑結(jié)構(gòu)往往需要進行復雜的非線性分析，如超高層建筑結(jié)構(gòu)大震動力彈塑性時程分析、大跨空間結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定分析、基于多尺度的復雜節(jié)點受力分析以及考慮行波效應的超長結(jié)構(gòu)動力分析等。ABAQUS 軟件作為一款通用有限元分析軟件，憑借其豐富的材料庫、單元庫以及強大的非線性功能，在復雜建筑結(jié)構(gòu)非線性分析方面具有顯著優(yōu)勢，且已經(jīng)在許多實際工程中得到檢驗【1】。但對于這些復雜的建筑結(jié)構(gòu)，若直接采用ABAQUS軟件手動建立有限元分析模型，工作量將十分巨大且煩瑣，嚴重影響工程師的工作效率。

Midas/Gen 作為一款通用的結(jié)構(gòu)分析設計軟件，具有良好且完善的建模功能，能夠方便、快速地建立結(jié)構(gòu)設計模型，適用于高層建筑、空間結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)類型，在國內(nèi)眾多設計院廣泛使用。

為此，本文開發(fā)了一款從Midas/Gen 軟件到ABAQUS 軟件的模型轉(zhuǎn)換程序。該程序能夠直接將Midas/Gen 設計模型轉(zhuǎn)換為ABAQUS 有限元分析模型，并進行非線性分析，避免了重復建模，節(jié)省了大量的前處理時間，有效地提高了結(jié)構(gòu)分析效率。

2 模型轉(zhuǎn)換流程

模型轉(zhuǎn)換程序是以AutoCAD 2010 為圖形處理平臺，采用面向?qū)ο蟮南到y(tǒng)開發(fā)技術(shù)，利用AutoCAD 2010 二次開發(fā)工具ObjectArx【2】以及 C++語言研發(fā)的。程序通過讀取 Midas/Gen 軟件的設計模型信息文件（.mgt 文件），然后通過簡單編輯，直接導出生成ABAQUS INP 有限元模型分析文件。模型轉(zhuǎn)換程序流程如圖1 所示。

圖1 程序編寫流程圖

目前，程序能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能如下：

1）轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)樓層信息

2）轉(zhuǎn)換節(jié)點、單元信息；

3）轉(zhuǎn)換構(gòu)件截面、材料信息；

4）轉(zhuǎn)換荷載信息；

5）轉(zhuǎn)換約束信息。

3 模型轉(zhuǎn)換程序關(guān)鍵技術(shù)

3.1 模型信息讀取

Midas/Gen 的模型信息文件（.mgt 文件）通過關(guān)鍵字存儲結(jié)構(gòu)設計模型信息，關(guān)鍵字與模型信息對應關(guān)系如表1 所示。轉(zhuǎn)換程序根據(jù)模型信息類別，利用C++語言建立相應模型信息結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，如材料信息、截面信息、殼元截面信息、單元信息以及荷載信息等，程序代碼實現(xiàn)如下所示：

表1 Midas/Gen 關(guān)鍵字與模型信息對應關(guān)系

轉(zhuǎn)換程序讀取Midas/Gen 模型信息文件時，首先根據(jù)關(guān)鍵字將讀取的信息存入上述結(jié)構(gòu)體，然后根據(jù)模型信息相互間的邏輯關(guān)系在轉(zhuǎn)換程序重新建立結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換模型，從而實現(xiàn)Midas/Gen 結(jié)構(gòu)設計模型的導入。程序模型導入對話框如圖2 所示。

圖2 模型導入對話框

點擊“導入 Midas/Gen 模型”的“瀏覽”按鈕，選擇.mgt 文件。點擊“導入”按鈕，程序?qū)⒆詣訉隡idas/Gen 模型，并在對話框右側(cè)列表，顯示當前模型導入內(nèi)容。

3.2 構(gòu)件配筋設置

Midas/Gen 模型信息文件主要包含了結(jié)構(gòu)的幾何信息及荷載信息，不包含混凝土構(gòu)件配筋信息，結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋無法通過模型導入實現(xiàn)。而構(gòu)件配筋信息的準確性直接影響結(jié)構(gòu)非線性分析結(jié)果。為此，轉(zhuǎn)換程序研發(fā)了相應的結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋設置功能。以剪力墻為例，轉(zhuǎn)換程序根據(jù)剪力墻配筋的特點，開發(fā)的剪力墻配筋設置對話框如圖3 所示。用戶可以根據(jù)結(jié)構(gòu)施工圖中剪力墻實際配筋情況，按墻厚度指定剪力墻水平或豎向配筋率，以便在后續(xù)非線性分析中真實考慮結(jié)構(gòu)配筋對分析結(jié)果的影響。

圖3 剪力墻配筋修改對話框

3.3 導出ABAQUS INP 模型文件

在導出ABAQUS INP 模型時，轉(zhuǎn)換程序?qū)τ诓煌臉?gòu)件類型選取不同的單元類型。對梁柱構(gòu)件，ABAQUS 提供了B31、B32 和 B33 3 種單元類型，其中，B31 和 B32 是鐵木辛科梁單元，B33 為歐拉梁單元。但在高等非線性分析中，B33 單元收斂性較差，且計算速度相對較慢。因此，程序僅支持B31 或B32 梁單元導出。

對于剪力墻及樓板單元，采用ABAQUS 提供的縮減積分的殼單元S4R 和S3R 來模擬。S4R 單元性能穩(wěn)定，而S3R 作為通用殼單元，適用范圍廣，采用2 種單元可以模擬任意形狀的剪力墻或樓板。

對于連接信息，比如，大跨屋蓋彈簧支座以及節(jié)點剛性約束等，轉(zhuǎn)換程序選用CONN3D2 連接單元進行模擬。

對于結(jié)構(gòu)荷載，在進行動力彈塑性分析時，程序自動等效為節(jié)點集中質(zhì)量，在ABAQUS 中通過*Mass 實現(xiàn)。

另外，對于梁柱構(gòu)件鋼筋，程序采用等效纖維截面法進行模擬【3】。該方法與實體單元中插入鋼筋的方法類似，即將梁截面鋼筋等效為箱型或圓管形鋼梁，并通過共節(jié)點的方法實現(xiàn)混凝土與鋼梁之間的共同作用。同樣，對于型鋼混凝土構(gòu)件，轉(zhuǎn)換程序也采用類似方法進行模擬，如圖4 所示。

圖4 等效纖維模截面意圖

轉(zhuǎn)換程序?qū)С鯝BAQUS 模型信息如表2 所示。

4 轉(zhuǎn)換程序驗證

4.1 算例1：簡單框剪結(jié)構(gòu)

本算例為一簡單框架結(jié)構(gòu)，其中柱子截面500mm×500mm、400mm×400mm，梁截面 200mm×400mm、250mm×500mm、300mm×600mm，墻厚 200mm、300mm，設置結(jié)構(gòu)構(gòu)件存在30°和45°不同的截面轉(zhuǎn)角。利用開發(fā)模型轉(zhuǎn)換程序?qū)idas/Gen 導入ABAQUS 軟件，2 軟件模型如圖5 所示。從圖中可以看出2 模型完全保持一致。

表2 ABAQUS 模型信息

圖5 框剪結(jié)構(gòu)模型

表3 為2 軟件模型結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比，從表中可以看出，2 款軟件模型質(zhì)量基本相同。表4 列出了2 軟件模型前6 階振型的周期對比。從對比結(jié)果可以看出，2 軟件模型的周期基本保持一致，研發(fā)的模型轉(zhuǎn)換程序準確可靠。

表3 框剪結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量比較

表4 框剪結(jié)構(gòu)模型周期比較

4.2 算例2：空間結(jié)構(gòu)

該空間結(jié)構(gòu)為某體育場館大型看臺雨棚。雨棚采用空間桁架結(jié)構(gòu)體系，為平衡雨棚懸挑側(cè)的傾覆彎矩，在雨棚另一側(cè)設置預應力拉索。雨棚高度40.2m，最大跨度181.5m，最大懸挑長度37.6m，主受力框架柱截面800mm×1 200mm、PIPE 920mm×25mm 以及PIPE 720mm×18mm，桁架構(gòu)件采用PIPE 245mm×10mm、PIPE 299mm×12mm 等，拉索采用 D50mm。利用開發(fā)模型轉(zhuǎn)換程序?qū)idas/Gen 導入ABAQUS 軟件，2 軟件模型如圖6 所示。從圖中可以看出兩模型完全保持一致。

圖6 空間結(jié)構(gòu)模型

表5 為2 軟件模型結(jié)構(gòu)質(zhì)量對比，從表中可以看出，2 款軟件模型質(zhì)量基本相同。表6 列出了2 軟件模型前6 階振型的周期對比。從對比結(jié)果可以看出，2 軟件模型的周期基本保持一致，研發(fā)的模型轉(zhuǎn)換程序準確可靠。

表5 空間結(jié)構(gòu)模型質(zhì)量比較

表6 框剪結(jié)構(gòu)模型周期比較

5 結(jié)語

1）ABAQUS 作為大型通用有限元軟件，具有強大的非線性功能，但對于復雜建筑結(jié)構(gòu)，其前處理建模煩瑣復雜。為此，本文以AutoCAD 2010 為圖形處理平臺，利用C++研發(fā)了復雜建筑結(jié)構(gòu)從Midas/Gen 到ABAQUS 的模型轉(zhuǎn)換程序，極大地提高了工作效率和質(zhì)量，對復雜建筑非線性分析具有重要意義。

2）本文介紹了模型轉(zhuǎn)換程序的關(guān)鍵技術(shù)，包括模型信息導入方法、結(jié)構(gòu)構(gòu)件配筋定義以及ABAQUS INP 模型導出等，并通過2 個不同的典型結(jié)構(gòu)算例驗證了轉(zhuǎn)換程序的準確性、可靠性，為其他類似模型轉(zhuǎn)換程序的研發(fā)提供參考。