1. 简介

通用有限元软件Abaqus凭借其强大的非线性功能和显式计算分析，以及在复杂高层建筑结构弹塑性分析中的应用，已得到较多实际工程的检验。但Abaqus前处理建模工作繁琐，难以 满 足 工 程 师 的 需 求，并且其后处理功能有限，分析结果难以整理，不易形成与规范条文相对应的结果指标。

 

针对Abaqus前处理和后处理的不足，开发了复杂建筑结构非线性分析集成软件CSEPA，其主要包含前处理和后处理?？椤?/span>

 

CSEPA的前处理功能利用AutoCAD 的开发工具 ObjectArx 提供的类库，运用面向对象的开发平台 VS2008 开发。其能够将常用结构设计软件（YJK、PKPM/SATWE、MidasGen、SAP2000等） 模型直接转换成 Abaqus的精细有限元模型。

 

CSEPA的后处理功能利用Python 对Abaqus 进行二次开发，将Abaqus 计算结果进行分析，整理成结构设计中所需的基底剪力、层间位移角、楼层剪力等数据，并将数据存入自定义SQLite 数据库文件。根据SQLite 数据库文件自动生成超限建筑工程抗震设防专项审查报告。

 

通过CSEPA软件，能够极大地提高建立有限元分析模型、分析结果整理的效率，为采用Abaqus 软件对超限复杂结构进行动力弹塑性分析提供了合理、便捷的方法。

 

2. CSEPA 前处理开发

2.1 总体构架设计

本软件在 AutoCAD 界面下，通过少量的人机交互，即可快速建立 ABAQUS 精细有限元模型。软件从功能上大致可分为导入?？?、编辑?？?、导出?？槿瞿？?，三个?？橛胁煌墓δ埽⑶蚁嗷ハ谓?，成为一个完整的系统，软件的总体构架见图 1。

 

( 1) 导入?？椤Ｍü寥?PKPM/SATWE 模型数据，包括节点、单元、材料、截面、荷载以及楼层信息等，即可在 前处理软件 CSEPA 中生 成相 应 的CSEPA 模型。

 

( 2) 编辑?？椤８?ABAQUS 软件弹塑性时程分析的要求，在前处理软件 CSEPA 平台上对导入模型进行相应的调整和编辑，包括边缘构件生成、单元网格划分、模型检查以及定义关键构件、耗能构件、普通竖向构件的抗震性能等，从而生成 ABAQUS模型。

 

( 3) 导出?？?。直接读取编辑处理好的 CSEPA模型 信息，并导出生 成 ABAQUS /INP计 算 文 件。CSEPA 软件主界面采用树形菜单模式，方便用户操作，如图 2 所示。

 

 

图 1. CSEPA 前处理总体架构设计图

 

 

图 2. CSEPA 前处理界面

 

2.2 单元网格划分

程序在进行网格划分时，先划分剪力墙和梁柱单元，然后再划分楼板单元，如图 3所示。在楼板与剪力墙相交边界，楼板以剪力墙网格点为约束边界进行网格划分，从而保证楼板在该边界上生成的楼板网格点与剪力墙网格点重合，即共节点，从而实现节点的自由度协调。

 

对于剪力墙网格划分，CSEPA软件根据ABAQUS有限元模型的特点，采用格栅法，利用墙-墙交点、墙-梁交点以及网格尺寸确定墙各边的网格划分点，然后以网格划分点数较多的两条边为基准生成划分网格，最后根据墙边界点情况对边界网格进行调整。该方法网格划分速度较快，能够保证在墙-墙交点、墙-梁交点处生成墙元，从而避免单元虚接的情况。目前，CSEPA 软件只能对矩形剪力墙进行网格划分，具体划分流程如图4 所示。

 

梁柱单元的网格划分比较简单，CSEPA 软件提供了最大单元划分数和最大单元尺寸两个参数控制单元的网格划分，从而在控制单元尺寸的情况下，确保合适的单元数。

 

 

划分墙 划分梁柱 划分楼板

图3. 网格划分过程示意图

 

 

图4. 矩形剪力墙网格划分流程图

 

根据有限元模型特点，楼板网格划分与梁及墙的网格相一致，有限元节点的自由度协调。为此，CSEPA 软件首先遍历所有楼板，查找位于楼板各边上的节点，这些节点即为楼板各边的网格划分点； 然后根据网格划分点，按映射法[3]生成网格节点，为避免生成小尺寸单元，考察生成网格节点之间的距离，对于距离不满足要求的网格节点进行凝聚最后，根据凝聚后的网格节点生成板元。但目前编写的这种算法只适用于三边形或四边形楼板，对于任意多边形楼板，CSEPA 软件采用加权剖分[4]的方法将多边形分割三边形或四边形楼板，然后再按上述方法进行网格划分。楼板网格划分具体如图5所示。

 

 

图5. 楼板网格节点凝聚示意

 

3. CSEPA 后处理开发

3.1 总体构架设计

软件总体架构如图 6 所示，分为三个?？椋?/span>

（1）生成自定义数据库文件?？椋豪?/span> Python 语言从 ABAQUS 海量级的 ODB 数据库中提取需要的数据表重组成轻量级的 SQLite 数据库。SQLite 数据库文件包含结构质量、结构周期、基底剪力、楼层剪力、层间位移角、顶部位移、构件损伤信息等结果。

 

（2）结果查询模块：根据已添加的 SQLite 数据库文件以及用户设置的抗震性能目标，快速查询结构关键构件、普通竖向构件、耗能构件的抗震性能，将不满足抗震性能目标的构件以列表形式列出并在界面中予以高亮显示。

 

（3）生成专项审查报告?？椋焊荻喔鯯QLite数据库文件自动生成专项审查报告，实现多个弹塑性时程分析结果的自动对比；自动判断基底剪力、层间位移角、构件性能等是否满足规范要求；自动绘制表格、图片等。

 

 

图6. CSEPA后处理总体架构设计图

 

3.2 用户界面设计

用户界面作为软件与用户之间交互的媒介，具有重要的意义。ABAQUS 中 RSGDialog Builder 提供了许多 ABAQUS GUI 工具包的简化接口[5]。首先通过 RSG DialogBuilder 创建简单对话框，然后修改脚本命令创建丰富的界面。

 

对话框的创建使用了ABAQUS GUI Toolkit中的类。非模态对话框和模态对话框分别通过AFXDataDialog类、AFXDialog类派生。对话框控件通过在初构函数__init__(self，form)中使用AFXTable，AFXComboBox，AFXTextField等类添加。对话框控件与相应函数之间通过FXMAPFUNC(object，messageType，messageId，method)建立消息响应。

 

 

图7. 生成数据库文件对话框

 

 

图8. 设置报告内容对话框

 

3.3 生成专项审查报告

win32com ?？槭?Python 的扩展包之一，可以方便地操作 word 文档，实现插入文字、绘制表格、插入图片等功能。

 

专项审查报告采用win32com调用word生成。软件中通过函数TypeText()插入文字、通过函数Tables.Add()绘制表格、通过函数MoveDown()移动单元格中的光标。

 

matplotlib是python中功能最完善、最强大的绘图库，能够方便地绘制高质量的图片，并且可以在图片中绘制一条或多条曲线。报告中的图片即采用matplotlib库绘制，如基底剪力时程曲线、层间位移角曲线等。图片中的数据通过win32com调用Excel，将数据保存于Excel文件中以方便用户查看。

 

4. 工程实例

4.1 Abaqus 计算模型生成

本项目总建筑面积25248m2，其中地上22381m2，由比赛大厅、热身馆、门厅以及多功能厅组成。建筑房屋屋盖高度36.15m，建筑局部地下一层，地上主体一层，局部五层，楼层层高分别为4.5m、5.5m、6.0m、4.2m、4.2m以及3.6m。结构平面尺寸124.8m×84.6m，主要柱网尺寸7.8m×8.4m，屋盖最大跨度约74.4m。其效果图如图9所示。

 

 

图9. 效果图

 

采用CSEPA软件将YJK模型转换为Abaqus模型，并对比YJK和Abaqus的质量和周期。YJK模型如图10所示，CSEPA模型如图11所示，Abaqus模型如图12所示。

 

根据计算结果，Abaqus和YJK的质量、周期对比如表1、表2所示，结构振型图如图13、图14所示。两款软件的质量、周期较为接近，说明CSEPA能够准确地将YJK模型的荷载、截面等信息转换成Abaqus模型。

 

 

图10. YJK模型示意

 

 

图11. CSEPA模型示意

 

 

图12. Abaqus模型示意

 

 

 

 

b)第二阶振型（Y 向） c）第三阶振型（扭转）

图13. 结构前三阶振型（Abaqus）

 

图14. 结构前三阶振型（YJK）

 

4.2 弹塑性时程分析结果

选取 1组天然波进行大震动力弹塑性时程分析，每组波包含三个方向，主次方向及竖向地震波输入组合系数为 1：0.85：0.65，其中主向地震波峰值加速度为3125px/s2。

 

 

（a）X向

 

 

图15. 地震波加速度时程曲线

 

 

图16. 弹塑性结果提取示意

 

 

图17. 层间位移角结果

 

罕遇地震作用下，结构塔楼层X向最大层间位移角为1/166(7层)，Y向最大层间位移角为1/145 (7层)，小于规范限值1/138。结构在大震作用下最大层间位移角满足规范要求。结构基底剪力时程曲线如图18所示。

 

 

图18. 基底剪力时程曲线

 

 

图19. 结构通高框架柱（关键构件）混凝损伤及钢材塑性应变云图

 

罕遇地震作用下，结构通高框架柱混凝损伤为0，钢筋塑性应变绝大部分为0，仅个别构件端部进入塑性，且最大塑性应变为1.414e-3，塑性应变比0.73<1，处于轻微损坏。由此可见，结构通高框架柱大部分处于弹性，仅个别构件处于轻微损坏，满足预期性能目标。

 

 

图20. 结构钢屋盖支座杆件（关键构件）塑性应变云图

 

 

图21. 结构钢屋盖杆件（普通构件）塑性应变云图

 

由图 20 可知，屋盖支座杆件塑性应变均为 0，构件处于弹性，满足预期性能目标要求。由图 21 可知，屋盖绝大部分构件塑性应变均为 0，构件处于弹性，仅个别弦杆屈服，且最大塑性应变 1.262e-3，塑性应变比 1.04，处于轻度损坏。结构屋盖普通构件，满足预期性能目标要求。

 

5. 结论

（1）针对复杂高层建筑结构动力弹塑性分析的特点，编制了基于 ABAQUS 技术平台快速实现建筑动力弹塑性分析的前处理软件 CSEPA，极大地减小 了设计人员的工作量，提高了工作效率和质量，对于准确评估复杂高层建筑抗震性能具有重要的现实意义。

 

（3）以 AutoCAD 软件为图形处理平台，采用面向对象的软件开发技术，利用ObjectArx 软件包开发了CSEPA前处理功能，实现了 常用结构设计软件模型与 ABAQUS 软件间的可视化转换。

 

（3）采用Python语言，利用ABAQUS二次开发功能，开发了CSEPA后处理功能，建立了自定义SQLite数据库，并能对构件进行性能评价，实现超限审查报告的自动生成，极大地提高了书写报告的效率。

 

资料来源：达索官方