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SAP2000 到ABAQUS 及NASTRAN 的模型转换程序SAPTRANS 介绍


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SAP2000 到 ABAQUS 及 NASTRAN 的模型转换 程序 SAPTRANS 介绍
杨先桥,傅学怡,黄用军/中建国际深圳设计顾问有限公司,深圳 518048
0 引言 随着计算机软硬件的发展,通用有限元软件 ABAQUS 在复杂高层建筑结构的动力弹塑性计算中

的应用日趋广泛。 为此, 研制了从 SAP2000 模型转到 ABAQUS 模型的数据接 口程序。另外,为了研究长周期高柔结构的地震响应,采用 了随机振动的方法,在这期间也研制了从 SAP2000 模型转 到 NASTRAN 模型的数据接口程序。这两个转换模块都包 含在程序 SAPTRANS 中。下面详细介绍 SAPTRAN 程序的 相关细节及实际应用。 1 SAPTRANS 程序介绍 SAPTRANS 程序采用 VC++结合数据库访问技术编制, 以 SAP2000 V14.0 导出的 MDB 数据库为输入接口。 根据不 同的要求,将输入模型转换成为 ABAQUS 的 inp 输入文件 或 NASTRAN 的 bdf 输入文件。SAPTRANS 的界面见图 1。 2 SAPTRANS 程序技术细节 SAPTRANS 采用 ADO(ActiveX Data Object)数据库访 问技术,在文[1]中已有介绍,在此不再赘述。 2.1 对应于 SAP2000 输入信息的关键词映射 表 1 列出了与 SAP2000 模型定义表信息相对应的 ABAQUS 及 NASTRAN 关键词。
与 SAP2000 输入信息对应的 ABAQUS 及 NASTRAN 关键词映射 SAP2000 模型定义表 Joint Coordinates ABAQUS 关键词 *NODE,NSET=…, SYSTEM=… NASTRAN 备注 关键词 GRID 节点坐标 梁单元 定义 表1

图 1 SAPTRANS 程序界面

转换至 ABAQUS 模型的界面有两个出口,区别在于型 钢混凝土构件的处理上:一种方法是将型钢和混凝土分开, 按两根杆件输入,当计算中需要考虑不同材料的本构关系 时,可用这种方法;另一种方法是按通用截面考虑,仅输出 截面特性,如果只作弹性分析,不考虑材料本构关系,可用 这种方法。转换至 NASTRAN 模型的界面也有两个出口: 一个用于模态分析, 为校核模型的正确性; 另一个用于频率 响应分析, 为随机振动分析做准备。 这两种分析的命令语句 有所不同, 前者只需指定要输出文件包含的内容即可, 后者 还需要指定频域响应的范围。界面中的 GetFrameForce 按钮 用于处理 PATRAN 的 RANDOM 模块执行随机振动分析后 的结果,将其转换成构件内力。

[Connectivity–Frame], *ELEMENT,ELSET= [Frame Section CBEAM …,TYPE=B32 Assignments] *ELEMENT, ELSET=…,TYPE=S3 [Connectivity – Area], R CTRIAR, [Area Section Assignments] *ELEMENT, CQUADR ELSET=…,TYPE=S4 R *Material,Name=… Material Properties 02 - *Elastic MAT1 Basic Mechanical Properties *Density *Damping, alpha= *BEAM SECTION, Frame Section Properties 01 SECTION=…,ELSET PBEAM - General =…,Material=… *SHELL SECTION, Area Section Properties ELSET=…,Material= PSHELL … Joint Restraint Assignments *BOUNDARY SPC *NONSTRUCTURAL MASS,ELSET=…, Frame Loads - Distributed NSM UNITS=MASS PER LENGTH *ELEMENT, ELSET=…,TYPE=M Joint Loads - Force CMASS2 ASS *MASS, ELSET=… *NONSTRUCTURAL MASS,ELSET=…,UN Area Loads - Uniform NSM ITS=MASS PER AREA

壳单元 定义

材料定义 杆件截面 定义 壳截面 边界条件 杆件荷载

节点荷载

面荷载

表 1 中, 有些关键词的定义所需要的信息单个 SAP2000 模型定义表不能全部提供,需要若干项 SAP2000 模型定义 表经 SQL 查询得到。 ABAQUS 在定义梁单元时, 如 除了需 要杆端节点信息外, 还需要指定杆件截面及用于定义杆件横 截面方向的附加节点编号,而 NASTRAN 在定义梁单元时, 除了 ABAQUS 定义梁单元所需要的信息外,还要指定杆端 释放信息。 需要注意的是, SAP2000 V14 版可以支持 5 节点及更多

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节点的壳单元,ABAQUS 及 NASTRAN 还没有直接与之对 应的面单元。 此种情况下需先行将 5 节点及更多节点的壳单 元划分成 3 节点或 4 节点的壳单元。 SAP2000 软件中,节点、单元编号都是字符型数据,而 ABAQUS 及 NASTRAN 对应的数据均为长整型,SAP2000 软件中的节点、 单元编号可以含有非数字的字符, 如“F103” 在 SAP2000 模型中也是合理的节点、单元编号。因此需要 利用 SAP2000 的 Edit\Change Labels 菜单功能将模型中的节 点、单元编号改为长整型数据。 与 CSI 系列的 ETABS 软件具有自动线约束功能不同的 是,ABAQUS 及 NASTRAN 需要人为指定相关节点的自由 度耦合,转换程序实现这个功能比较困难。因此,程序要求 确保 SAP2000 模型单元间有正确的连接关系,避免相邻单 元变形不协调的情形出现, 并且, 单元网格划分也不能太粗, 一般壳单元大小在 2m 左右,杆单元在节点处打断即可。 2.2 杆件横截面方向的定义 ABAQUS 及 NASTRAN 在定义梁单元时都需要指定横 截面方向。SAP2000 模型中,三维梁单元的 2 方向默认在 1-Z 平面内,但对柱而言,2 方向与 X 方向平行,见图 2。
2

单元的数据行中指定一个附加的节点, 用从梁单元的第一个 节点到这个附加节点的矢量作为初始的近似 n1 方向。 由前面所得到的矢量 VTnor 可以很容易得到 NASTRAN 及 ABAQUS 模型中梁单元用于定义横截面方向的附加节点 坐标。 2.3 杆端释放及刚域的定义 SAPTRANS 程序中定义了一个结构 s_BeamInfo,用于 存储每根杆件的杆端释放及刚域信息。 s_BeamInfo 定义如下: struct s_BeamInfo{ BOOL bHasRelease, HasRigidZone, bHasLocalAngle; //是否存在杆端释放、刚域、转角指定 double LengthI, LengthJ; double Angle; //两端刚域长度 //梁局部坐标轴2轴绕1轴的转角;

//以下变量为“YES”时代表对应的自由度有释放 CString PI, V2I, V3I, TI, M2I, M3I, PJ, V2J, V3J, TJ, M2J, M3J, PartialFix; int IReleaseCode, JReleaseCode; }; //NASTRAN 中 的I、J端杆端释放信息,用123456表示自由度 SAPTRANS 程序中的 GetBeamInfo 函数读入 SAP2000 模型定义表[Frame Offset Along Length Assignments] 、 [Frame Local Axes Assignments 1 - Typical]、 [Frame Release Assignments 1 - General]的内容,并将其赋予每根杆件的 s_BeamInfo 结构。 由于 ABAQUS 与 NASTRAN 对杆端释放的定义有所不 同,GetBeamInfo 函数写入杆件的杆端释放信息时,是按 NASTRAN 的格式所写,SAPTRANS 程序中另有一个函数 ConvertReleaseInfotoAbaqus, NASTRAN 格式的杆端释放 将 信息转换成为 ABAQUS 的杆端释放信息。 ABAQUS 模 型 中 的 杆 端 释 放 信 息 由 关 键 词 “*RELEASE”定义,NASTRAN 模型中的杆端释放信息则直 接在杆单元的定义中描述。 对于刚域的处理,SAPTRANS 程序的做法是在刚域与 杆件相接的一端另外插入一个节点, 将梁打断。 隐式分析时, 刚域段单独定义一段刚性材料构成的梁单元, 其弹性模量取 原杆件材料弹性模量的 102~104 倍, 过高会导致计算不收敛。 显式分析时, 仍用普通材料, 将梁两端的节点定义自由度耦 合,模拟刚域的作用。 3 SAPTRANS 程序测试算例 SAPTRANS 程序在研制的过程中,针对单个杆单元、 面单元及单层单跨框架都进行了测试,以验证程序的正确 性。在此,介绍 SAPTRANS 转换 12 层框架及框架-剪力墙 结构的两个算例。

VTnor

1

n1
3 1 2

n2
2

梁 3

t
梁 1
图 3 ABAQUS 及 NASTRAN 梁单元局部坐标系

Y

Z X


全局坐标系

图 2 SAP2000 梁柱单元 局部坐标系

根 据 SAP2000 模 型 定 义 表

[Frame Local Axes

Assignments 1 – Typical]中 2 方向沿 1 轴所转的角度, 得到 2 方向的矢量。 将其与 1 方向的矢量叉乘可得到与 3 轴方向相 反 的 矢 量 VTnor , 矢 量 VTnor 的 方 向 便 与 ABAQUS 及 NASTRAN 中梁单元的横截面方向矢量 n1 相一致,如图 3 所示。 NASTRAN 定义梁单元的格式见图 4。

图中,EID 为梁单元编号,PID 为梁属性编号,GA,GB 为梁的两 端节点,GA 至节点(X1,X2,X3)的矢量为梁的横截面方向。PA 及 PB 用 于指定梁端哪几个自由度需要释放。 图 4 NASTRAN 梁单元定义

SAPTRANS 在转换成 ABAQUS 数据时, 在定义三维梁

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3.1 算例 1: 层框架结构 12 本算例源自文[2]第 5 章 的 5.1 节,在其基础上略做 改动,详细的计算参数见表 2。SAP2000 建模时,壳单 元细分为 1.5m, 梁单元在节 点处打断,算例 1 的 SAP2000 三维计算模型如图 5 所示。 模型的标准层平面如图 6 所示。 模型质量按 1.0 恒载 +0.5 活载计,SAP2000,ABAQUS,NASTRAN 三个模型算 得的质量均为 15098t。 频率计算结果如表 3 所示, 1 阶振 第 型均为 Y 向平动。 由此可见, 对于简单的框架结构, 在单元划分比较精细 的情况下,SAPTRANS 程序能够得到满意的结果。
算例 1 计算参数 层 1~3 柱 层 4~6 柱 层 7~8 柱 表2 图 5 算例 1 的 SAP2000 计算模型

NASTRAN 模型如图 7 所示。 模型质量按 1.0 恒载+0.5 活载计, SAP2000, ABAQUS, NASTRAN 三个模型算得的质量均为 16772t。 频率计算结果 如表 4 所示,第 1 阶振型均为 X 向平动。 可见,对于简单的框架-剪力墙结构,在单元划分比较 精细的情况下,SAPTRANS 程序也能够得到满意的结果。

(剪力墙)

(剪力墙)

注:图中剪力墙仅算例 2 中有。 图 6 算例 1(算例 2)标准层平面

900×900, 层 1~3 纵向 400×800, 层 1~3 横向 400×800, C30 C30 C30 边框架梁 框架梁 800×800, 层 4~12 纵向 400×700, 层 4~12 400×700, C30 C30 边框架梁 横向框架梁 C30 700×700, 层 1~3 纵向 600×800, 层 1~3 C30 C30 中框架梁 横向次梁 350×800, C30 350×700, C30 120 厚, C30 100 厚, C30 — — (a)ABAQUS 计算模型 图7 (b)NASTRAN 计算模型

层 9~12 600×600, 层 4~12 纵向 600×700, 层 4~12 C30 C30 柱 中框架梁 横向次梁 层 1~2 2.0kN/m2, 层 1 楼面恒载 不含自重 层高 层 3~12 1.5kN/m2 楼面活载 层 1~2 3.5kN/m2 楼面活载 层 3~12 2.0kN/m , 楼面恒载 不含自重
2

6.0m 5.0m 3.5m —

层 1~3 楼板 层 4~12 楼板 — —

层 2~3 层高 层 4~12 层高 —

算例 2 的计算模型 表4

算例 2 频率计算结果比较 频率/Hz 振型 SAP2000 ABAQUS NASTRAN (1) (2) (3) 表3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.530 0.823 1.128 1.558 2.741 3.047 4.074 4.451 5.067 5.330 0.525 0.829 1.138 1.552 2.737 3.111 4.079 4.558 5.166 5.452 0.531 0.824 1.130 1.563 2.751 3.048 4.089 4.451 5.102 5.373

频率比较 (2) - (1) (3) - (1) /% /% (1) (1) -0.94 0.73 0.89 -0.39 -0.15 2.10 0.12 2.40 1.95 2.29 0.19 0.12 0.18 0.32 0.36 0.03 0.37 0.00 0.69 0.81

算例 1 频率计算结果比较 频率/Hz 振型 SAP2000 ABAQUS NASTRAN (1) (2) (3) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.523 0.560 0.601 1.541 1.636 1.757 2.731 2.867 3.093 4.064 0.522 0.556 0.602 1.547 1.632 1.766 2.745 2.866 3.113 4.092 0.524 0.562 0.602 1.546 1.641 1.763 2.740 2.876 3.103 4.078

频率比较 (2) - (1) (3) - (1) /% /% (1) (1) -0.19 -0.71 0.17 0.39 -0.24 0.51 0.51 -0.03 0.65 0.69 0.19 0.36 0.17 0.32 0.31 0.34 0.33 0.31 0.32 0.34

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SAPTRANS 程序的工程应用 在平安金融中心项目中,曾应用 SAPTRANS 程序将

SAP2000 模型转换成 ABAQUS 模型及 NASTRAN 模型进行 了对比计算。在未开发出 SAPTRANS 程序前,靠手工依靠 EXCEL 等 整 理 出 模 型 数 据 需 要 1 周 左 右 。 而 借 助 SAPTRANS 程序,可以在短短 10min 内就形成需要的模型 数据。 平安金融中心主体结构采用钢筋混凝土核心筒-巨柱-

3.2 算例 2:12 层框架-剪力墙结构 本算例在算例 1 的基础上, 在左右两端的中跨自底层至 顶层布置 300 厚的 C30 剪力墙,见图 6。SAP2000 建模时, 壳单元细分为 1.5m,梁单元在节点处打断。其 ABAQUS 及

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伸臂加强层巨型结构体系, 其塔楼地上部分共 115 层, 塔尖 高度为 646m,结构高度为 588m。底部巨柱截面尺寸达 5.8m×3.3m,最高混凝土强度等级为 C70,剪力墙核心筒混 凝土强度等级取 C60。巨柱、剪力墙核心筒均采用壳单元模 拟。SAP2000 建模时,壳单元细分为 2.0m,梁单元在节点 处打断。细分后的 SAP2000 模型共含 49164 个杆单元、 104175 个壳单元、122285 个节点。模型中包含大量的梁端 释放及刚域、杆件局部坐标转角。分析结构振型时,未在壳 单元内安放钢筋网。图 8 给出了平安金融中心的 SAP2000 模型(2009 年 10 月 9 日版)。

出准确的构件内力。 在条件允许的情况下, 模型还应分得更 细些。单元过粗,其算得的频率振动响应将不准确,进而无 法得到具有足够精度的计算结果。以 3m 长的框架柱单元为 例, 随机振动分析的模型一般将其分成 6~8 段以获得满意的 结果。 前面所述的 ABAQUS 模型用于进行动力弹塑性分析则 显得过于庞大,计算起来会相当耗时。实际应用时,标准层 的板单元可以分得更粗些,但伸臂加强层的楼板则应细分。 用于传递板荷载的次梁可以删除, 以简化模型。 对于混凝土 梁, 如果需要考虑内置钢筋及钢筋、 混凝土材料的弹塑性性 能,还应根据用户梁单元单独编写对应的数据接口。

SAP2000 模型 (b)加强层模型平面

ABAQUS 模型 NASTRAN 模型 (a)第 1 阶振型(X 向平动)

(a)模型立面

(c)标准层模型平面 SAP2000 模型 ABAQUS 模型 NASTRAN 模型 (b)第 2 阶振型(Y 向平动)

图 8 平安金融中心的 SAP2000 模型

表 5 列出不同软件模型计算出的模型质量, 从中可以看 出, 不同软件模型对应的模型质量基本一致。 6 列出不同 表 软件模型计算出的结构前 3 阶振型的频率, 9 列出不同软 图 件模型计算出的前 3 阶振型的振型图。从中可以看出,前 3 阶振型的频率计算结果及振型图基本一致。
平安金融中心模型质量比较 质量/t SAP2000 (1) 680050 ABAQUS (2) 670108 NASTRAN (3) 667680 质量比较 表5 SAP2000 模型 ABAQUS 模型 (c)第 3 阶振型(扭转) 图9 NASTRAN 模型

平安金融中心模型振型图

(2) - (1) /% (1)
-1.46

(3) - (1) /% (1)
-1.82 表6

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结语 SAPTRANS 程序采用 VC++结合数据库访问技术编制,

以 SAP2000 导出的 MDB 数据库为输入接口,将 SAP2000 模型转换为 ABAQUS 及 NASTRAN 的输入数据文件, 为复 杂高层建筑结构进行动力弹塑性分析及随机振动分析提供 了条件。 文中提到的方法可供撰写不同软件数据接口的编程 人员借鉴。
参 考 文 献 [1] 杨先桥. 混凝土梁配筋国标平法原位标注程序 ETABS_POST 的开发 原理及应用[C]//金土木结构软件全国用户大会 CUC’08,2008. [2] 刘庆林. 传统反应谱 CQC 法研究与改进[D]. 杭州: 浙江大学, 2007.

平安金融中心频率计算结果比较 频率/Hz 振型 SAP2000 ABAQUS NASTRAN (1) 1 2 3 0.104 0.104 0.234 (2) 0.105 0.106 0.239 (3) 0.104 0.105 0.224 频率比较

(2) - (1) /% (1)
0.96 1.92 2.14

(3) - (1) /% (1)
0.00 0.96 -4.27

上述模型中的 NASTRAN 模型用于进行随机振动分析 是合适的。 随机振动分析要求单元划分得较细, 这样才能算
作者简介: 杨先桥, 硕士, 高级工程师, Email: yang.xianqiao@ccdi.com.cn。

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