超高層建筑復雜結構模型轉化技術

中建四局第六建筑工程有限公司 合肥 230011

現代化樓層的結構高度和構件的變換越來越復雜，設計和施工的難度逐步提高，各種有限元軟件各有其特點，ANSYS為通用的最早、功能最強大的有限元仿真軟件，對于復雜結構的節點分析和施工時變分析等具有很強的優勢，但建模比較復雜和煩瑣。SAP2000也是目前比較通用的結構設計軟件，對于復雜模型結構建模非常方便[1-3]。本文主要找到一種轉化模型技術方法，結合實際工程將SAP2000結構模型轉化為ANSYS有限元模型。

1 模型轉化技術原理

目前將SAP有限元模型轉化為ANSYS模型的方法很多，但不同的方法各有其不同的方便性，本文主要闡述一種相對簡單方便的模型轉化技術方法。主要分為3 個步驟，即：第一，SAP2000模型轉化前處理；第二，ANSYS前期處理工作；第三，ANSYS模型轉化后處理，實現模型的轉化。基本結構轉換具體流程為：SAP2000有限元模型→按截面編號拆分構件→構件去單元化（轉DXF和IGES）→ANSYS前期處理工作（IGES文件轉CDB文件及材料模型APDL語言編程）→按構件將不同的截面編號CDB文件整合→不同構件網格劃分→構件整合ANSYS結構有限元模型。

1.1 SAP2000模型的前期處理

1）分面處理材料和幾何模型工作；

2）將SAP2000有限元模型進行去單元化工作 。

1.2 ANSYS前期工作

1）分化轉化IGES格式寫入CDB文件工作；

2）前期材料模型整理及編寫ADPL程序工作；

3）按同構件整合分組CDB文件工作。

1.3 ANSYS模型轉化后處理

1）不同構件分面CDB文件的幾何模型網格劃分工作；

2）根據不同單元整合工作和網格劃分工作；

3）不同分面單元的整合工作、材料和約束處理工作。

2 模型轉化步驟

貴陽雙子塔東塔結構主體為高326 m的超高層混凝土建筑，建筑面積約17萬 m2，地上65 層、地下5 層。該結構為內核心筒、外框架鋼筋混凝土柱，其中20層以下為疊合矩形柱，65層以上為外框架鋼結構柱。圖1為該塔樓SAP2000結構有限元模型，建模過程中，梁柱子采用Frame框架單元，剪力墻和板采用shell殼單元。

2.1 SAP2000模型的前期處理工作

因SAP2000軟件和ANSYS軟件建模和輸入的方式迥異，根據建筑結構模型在SAP2000和ANSYS有限元模型的特點，為保證轉化后ANSYS材料模型的APDL編程方便統一，在SAP2000中將整個結構模型按構件截面進行分類規整。

首先，按原東塔SAP2000結構有限元模型（圖1）梁柱和墻板截面編號分類選擇各構件，本模型在SAP2000中柱子截面分為18 類，包括疊合柱編號SD1～SD11，混凝土柱編號z1～z6和鋼柱子GLZ1；梁截面有63 類，編號為L1～L63，有鋼筋混凝土梁、鋼梁和斜桿；剪力墻27 類，編號q1～q27；板10 類，編號ban1～ban10。

其次，進行東塔SAP2000結構模型去單元化工作，去單元化的主要原因是考慮不同軟件單元定義和網格劃分的差異性，對于直接按單元導入ANSYS后處理工作量很大，將按截面編號分類，按截面選擇導出編號DXF文件。將所有不同構件的截面按編號導出DXF文件。

圖1 SAP2000結構模型

最后，將按不同截面編號導出的DXF格式文件用SAP2000文件轉化為按截面編號的IGES文件。

2.2 ANSYS前期工作

首先，進行ANSYS材料模型APDL語言的前期編寫，從SAP2000有限元模型中很容易歸類不同材料所設置的材料屬性相關數據，然后進行APDL語言的編寫。但對于建筑整體模型疊合柱的軸向剛度、剪切剛度和彎曲剛度可以《鋼管混凝土結構設計規程》（ECEC 188—2005）變形協調理論為依據，按公式5.2.3-1，5.2.3-2和5.2.3-3進行手工換算。然后將換算的結果用APDL語言編寫成材料模型。

其次，按構件屬性分面整合不同構件的幾何模型。首先用ANSYS軟件將所有按截面編號的IGES文件轉化為按截面編號的CDB文件。在轉化的過程中注意要去除與構件相重合的線或面，通過設置容差和面線基本命令進行統一處理。將導出的按截面分類的CDB文件按構件屬性即柱子、梁、墻和板分別在ANSYS前期處理中進行讀取和分組整合，如圖2和圖3所示。在按不同構件整合的過程中，按不同的截面編號進行分組命令CMSEL對構件按截面編號全部的分組，以便于賦予材料模型構件的材料屬性。

圖2 東塔柱子和梁的整合幾何模型

圖3 東塔剪力墻和板的幾何模型

2.3 ANSYS模型后處理工作

首先，進行不同構件分面CDB文件的幾何模型網格劃分工作。在ANSYS模型中，柱子和梁采用beam189梁單元，剪力墻和板采用shell93結構殼單元。對不同構件按分組CM命令進行網格劃分，在柱子和梁幾何模型中，要檢查是否有不連續或沒有耦合的節點，用幾何命令處理不連續的線連接相互重復的關鍵點。然后將編寫好的材料模型用APDL語言賦予構件和構件不同的截面，對于梁柱網格劃分采用線分割分段網格劃分命令。劃分度可以設為1，對于剪力墻和板的網格劃分，在網格劃分前確保幾何模型各個面都重合，面上的線沒有重復的。轉過來的模型往往會出現這種情況，在不同分組面中通過BTOL命令設置合理的容差值，然后對面中的線用LCSL或LGLUE命令進行局部處理。然后設置合理的網格尺寸進行網格劃分（圖4、圖5）。

圖4 東塔柱子和梁有限元模型

圖5 剪力墻和板有限元模型

最后，進行不同構件分面單元的整合工作、材料和約束處理工作。將不同構件所劃分好的有限元模型在ANSYS中進行整合，進一步施加約束和優化有限元結構模型。在進一步完善材料模型和施加約束后就可以進行整體分析及局部分析。例如：東塔結構轉化層的結構剛度變化大、整體協調變形復雜，為了研究結構轉化層隨著上部結構荷載的逐層增加對轉化層疊合柱的應力和應變的影響，在已經轉好的東塔ANSYS模型中依據結構特點選取轉化層部分局部整體模型（圖6），然后另寫入CDB文件，在該文件中施加約束和荷載就可以進行有限元分析。

圖6 ANSYS有限元模型

3 結語

本文闡述了在建筑領域復雜超高層結構有限元模型轉化技術，為日后進行大型復雜建筑設計結構模型的分析和施工仿真技術提供一種方便的轉化技術。提出分面分層轉化方法，轉化后只需簡單的運用APDL簡單編程，就可實現將SAP2000有限元模型轉化為ANSYS通用有限元模型。