預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在ABAQUS中自動化建模方法

0 引言

由于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)能有效地降低結(jié)構(gòu)高度、提高抗裂性能、擴(kuò)大柱網(wǎng)，近年來在大跨度結(jié)構(gòu)中得到較為廣泛的應(yīng)用。但預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)延性較差，在抗震設(shè)防烈度較高的地區(qū)應(yīng)用時，其抗震能力應(yīng)予以重視。2020年實施的《預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)采用靜力彈塑性分析方法或彈塑性時程分析方法，驗算其抗震能力，但目前缺乏有效的分析手段。

大型通用有限元軟件ABAQUS非線性分析能力強(qiáng)大，近年來已被廣泛用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動力彈塑性分析，但其建模困難、使用復(fù)雜。為此諸多學(xué)者對ABAQUS二次開發(fā)，以解決大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模困難的問題。王玄玄[1]開發(fā)了Revit軟件到ABAQUS軟件的框架結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換接口，最終生成ABAQUS的INP有限元模型文件。楊律磊[2]開發(fā)了將SAP2000和MIDAS結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)化為ABAQUS模型的接口程序，以用于結(jié)構(gòu)的動力彈塑性分析。王強(qiáng)等[3-5]開發(fā)了PKPM軟件到ABAQUS軟件的建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模軟件PA-TRANS，可以生成結(jié)構(gòu)的CAE模型，用于建筑結(jié)構(gòu)動力彈塑性分析與倒塌過程模擬。

以往的研究成果均未能實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在ABAQUS中的自動化建模，因此基于ABAQUS進(jìn)行預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的非線性分析是極為困難的。為實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的高效建模分析，本文對預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型的復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行深入研究，將結(jié)構(gòu)幾何模型和配筋信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合與匹配，進(jìn)而探索預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在ABAQUS中的自動化建模技術(shù)。

1 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)自動化建模整體思路

PKPM是我國建筑設(shè)計中常見的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件，擁有PMSAP和SATWE兩大設(shè)計計算核心。PMSAP主要用于復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)設(shè)計分析，并以開放的文本形式提供較為完備的結(jié)構(gòu)幾何模型和構(gòu)件配筋信息，但目前尚不能進(jìn)行預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計分析。SATWE主要用于多、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)的幾何模型和構(gòu)件配筋信息可以導(dǎo)出至SQLITE數(shù)據(jù)庫。對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計，PKPM是通過調(diào)用SATWE核心計算，但預(yù)應(yīng)力筋信息保存至封閉的數(shù)據(jù)文件中。

鑒于PMSAP數(shù)據(jù)的開放性、完備性，課題組開發(fā)的PA-TRANS轉(zhuǎn)換程序是采用Python語言編程，首先讀取PMSAP設(shè)計計算的結(jié)構(gòu)模型信息，隨后調(diào)用ABAQUS提供的建模函數(shù)庫，實現(xiàn)了普通結(jié)構(gòu)在ABAQUS中參數(shù)化建模。對于預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)而言，其幾何模型信息、非預(yù)應(yīng)力筋配筋信息、預(yù)應(yīng)力筋配筋信息的數(shù)據(jù)來源不同，使得數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異較大、信息不匹配。為使PA-TRANS能夠進(jìn)行預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的自動化建模，本文首先研究預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的配筋數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)獲取方式以及各類數(shù)據(jù)的匹配關(guān)系，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型信息的數(shù)據(jù)融合。在ABAQUS中建立預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型，可以在普通結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的受力特點進(jìn)一步開展預(yù)應(yīng)力筋的建模、預(yù)應(yīng)力施加。具體流程如圖1所示。

圖1 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)建模流程

2 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)獲取

2.1 幾何模型數(shù)據(jù)

在PA-TRANS程序中可根據(jù)分析需求，參數(shù)化轉(zhuǎn)換PMSAP模型為ABAQUS軟件的有限元模型?，F(xiàn)階段在PKPM中以PMSAP和SATWE進(jìn)行計算設(shè)計時，結(jié)構(gòu)的幾何模型信息具有通用性，因此本文仍采用原有的研究成果獲取預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的幾何模型數(shù)據(jù)。

2.2 非預(yù)應(yīng)力筋數(shù)據(jù)

PKPM預(yù)應(yīng)力模塊調(diào)用SATWE核心進(jìn)行預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計，結(jié)構(gòu)模型信息被存儲至封閉的PDB文件中。借助PKPM提供的數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能，非預(yù)應(yīng)力配筋數(shù)據(jù)可被導(dǎo)出至開放的SQLITE數(shù)據(jù)庫Calc.jwd文件中。

SQLITE是一種輕量級嵌入式數(shù)據(jù)庫，不需要在系統(tǒng)中配置，且數(shù)據(jù)訪問查詢極為方便。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型中不同類型的數(shù)據(jù)存儲在相應(yīng)的表格中，其中梁、柱構(gòu)件的非預(yù)應(yīng)力筋信息數(shù)據(jù)表分別為pkpmRCBeamDsn、pkpmRCColumDsn。每行數(shù)據(jù)完整存儲了一個構(gòu)件的非預(yù)應(yīng)力筋信息，包括構(gòu)件號、PmID、頂部鋼筋面積、底部鋼筋面積、軸壓比等。其中，PmID號作為PKPM軟件輸出結(jié)構(gòu)信息時構(gòu)件獨有的索引號，同一構(gòu)件在PMSAP和SATWE計算模型中具有唯一的PmID號。按照相同PmID號為同一根構(gòu)件的原則，將SATWE中構(gòu)件配筋信息和PMSAP幾何構(gòu)件模型信息匹配。經(jīng)對配筋數(shù)據(jù)內(nèi)容轉(zhuǎn)化、格式整理后，將SATWE的構(gòu)件配筋信息融入到PA-TRANS程序原有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)不同來源的結(jié)構(gòu)幾何模型信息和配筋信息匹配融合。

2.3 預(yù)應(yīng)力筋數(shù)據(jù)

PKPM軟件中預(yù)應(yīng)力筋數(shù)據(jù)的存儲方式同非預(yù)應(yīng)力筋數(shù)據(jù)存儲方式存在較大差異，預(yù)應(yīng)力筋數(shù)據(jù)信息為獨立且封閉的存儲文件PRECPM.PRE、PCABLE.PRE，且不能被導(dǎo)出至SQLITE數(shù)據(jù)庫。依據(jù)PKPM約定的數(shù)據(jù)存儲格式，可以從預(yù)應(yīng)力筋數(shù)據(jù)文件中獲取預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計參數(shù)、預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的布置、預(yù)應(yīng)力筋的線型等信息，并在PA-TRANS中增加相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過預(yù)應(yīng)力構(gòu)件布置信息數(shù)據(jù)中的構(gòu)件號能夠?qū)崿F(xiàn)與結(jié)構(gòu)幾何模型的數(shù)據(jù)匹配。

3 預(yù)應(yīng)力筋參數(shù)化建模程序

本文在原有的PA-TRANS轉(zhuǎn)換程序基礎(chǔ)上接力開發(fā)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的預(yù)應(yīng)力筋建模模塊。通過利用數(shù)據(jù)融合規(guī)則將多源異構(gòu)[6]數(shù)據(jù)建立預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型，通過Python語言編程，實現(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋模塊的自動化建模。預(yù)應(yīng)力筋的參數(shù)化建模包括繪制預(yù)應(yīng)力筋線、施加張拉控制應(yīng)力、網(wǎng)格劃分、節(jié)點約束等建模步驟。

3.1 預(yù)應(yīng)力筋及材料建模

在PKPM軟件中有四段拋物線、三段拋物線、三段折線等8種線型，在保證應(yīng)力筋模型的準(zhǔn)確性，本文將預(yù)應(yīng)力筋線型簡化為直線、兩段折線、三段折線、弧曲線4種類型。通過預(yù)應(yīng)力筋線型數(shù)據(jù)以及預(yù)應(yīng)力筋所匹配的幾何構(gòu)件模型可以獲得線型關(guān)鍵點坐標(biāo)。通過調(diào)用ABAQUS內(nèi)置函數(shù)WirePolyLine、WireSpline分別建立分離式的預(yù)應(yīng)力筋線型，完成預(yù)應(yīng)力筋的幾何布置。

依據(jù)PKPM所給出的預(yù)應(yīng)力筋材料屬性，本文選用可考慮拉壓不等強(qiáng)的材料本構(gòu)模型，并在ABAQUS中自動建立相應(yīng)的材料模型參數(shù)。預(yù)應(yīng)力筋的有效張拉控制力通過ABAQUS提供的降溫法實現(xiàn)，數(shù)值按式（1）計算。

T：為要給預(yù)應(yīng)力筋施加的溫度；σ：為預(yù)加力施加后預(yù)應(yīng)力筋達(dá)到的應(yīng)力值；E：為預(yù)應(yīng)力筋的彈性模量；α：為預(yù)應(yīng)力筋的膨脹系數(shù)。

3.2 預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的網(wǎng)格劃分及節(jié)點方程約束

鑒于整體結(jié)構(gòu)非線性分析計算工作量的合理性，預(yù)應(yīng)力梁柱構(gòu)件采用梁單元模擬，預(yù)應(yīng)力筋采用桿單元模擬。為準(zhǔn)確描述在構(gòu)件全長內(nèi)預(yù)應(yīng)力筋和構(gòu)件混凝土在橫截面方向的變形協(xié)調(diào)特性，本文采用預(yù)應(yīng)力筋單元與構(gòu)件單元的節(jié)點就近原則對預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使得預(yù)應(yīng)力筋單元節(jié)點和構(gòu)件單元節(jié)點一一對應(yīng)，并形成節(jié)點對。隨后本文采用Equation方法耦合預(yù)應(yīng)力筋單元與構(gòu)件單元節(jié)點對的自由度，對于有粘結(jié)應(yīng)力筋，耦合節(jié)點對的三個平動自由度，來描述預(yù)應(yīng)力筋和混凝土的變形協(xié)調(diào)。對于無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，耦合[7]構(gòu)件端部節(jié)點對的三個平動自由度，中部節(jié)點對在橫截面方向的兩個平動自由度，來描述構(gòu)件中部無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力筋和混凝土沿梁長方向的滑移狀態(tài)。流程圖見圖2。

圖2 Equation約束流程圖

4 實例驗證

為驗證本文預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)建模思想的合理性以及程序編制的正確性，本文對PKPM軟件設(shè)計的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，得到ABAQUS有限元模型。本文對PKPM和ABAQUS模型的結(jié)構(gòu)質(zhì)量、周期、振型結(jié)果進(jìn)行對比，以驗證預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換的正確性。模型的質(zhì)量周期對比如表1所示，1-3階振型圖對比如圖3所示。從圖可以看到，結(jié)構(gòu)在PKPM和ABAQUS中的前三階振型，形態(tài)基本一致。

表1 PKPM模型與ABAQUS模型的質(zhì)量和周期對比

圖3 PKPM與ABAQUS結(jié)構(gòu)模態(tài)分析圖

5 結(jié)論

本文對PKPM預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換為ABAQUS有限元預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型的建模方法深入研究，獲得如下結(jié)論：

①PKPM預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)設(shè)計模型的數(shù)據(jù)內(nèi)容復(fù)雜且多源異構(gòu)，必須采用合適的獲取方式得到數(shù)據(jù)?；赑mID號與構(gòu)件號進(jìn)行數(shù)據(jù)匹配，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的幾何模型信息、非預(yù)應(yīng)力筋信息、預(yù)應(yīng)力筋信息的數(shù)據(jù)融合。從而可形成預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)模型的完整信息。

②采用Equation約束方程，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)應(yīng)力筋桁架單元與構(gòu)件梁單元的位移協(xié)調(diào)。該方法具有建模靈活、計算工作量少的特點，可通用于無粘結(jié)和有粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的建模與分析。

③采用Python語言編程調(diào)用ABAQUS內(nèi)部函數(shù)庫，在已有的建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模軟件PA-TRANS基礎(chǔ)上開發(fā)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)自動化建模模塊，能夠用于ABAQUS預(yù)應(yīng)力框架結(jié)構(gòu)有限元高效建模。

本文所述方法解決了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)在通用有限元軟件ABAQUS中建模復(fù)雜的問題，為進(jìn)一步開展預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)非線性分析奠定了良好的基礎(chǔ)。