建筑結構動力彈塑性與倒塌分析的參數化建模軟件PA-TRANS

埃里克船長

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一、前言

隨著我國城市建設的不斷發展，復雜高層結構日益增多。其中，相當多的高層建筑結構超出我國抗震設計規范、高層設計規程的適用范圍和設計規定。如何保障這些超限復雜高層建筑結構的抗震安全性是目前工程結構設計界極為關注的問題之一。根據我國現行抗震規范、高層規范，進行高層建筑結構的動力彈塑性分析乃至倒塌過程模擬來評價結構抗震安全性已成為超限建筑結構設計的重要手段與依據。

采用纖維模型和分層殼模型的通用有限元軟件ABAQUS與采用集中塑性鉸模型和墻體宏觀模型的傳統結構工程軟件相比，能夠得到更為準確、細致的分析結果，現已成為結構動力彈塑性分析的主要工具之一。但目前基于 ABAQUS 平臺建立復雜高層結構模型十分繁瑣、耗時耗力，這制約了ABAQUS在結構動力彈塑性分析中的應用。

為提高ABAQUS前處理建模效率，國內已有一些單位與個人開發了結構模型轉換程序，實現了將工程軟件MIDAS/GEN、SAP2000、YJK模型轉換為ABAQUS有限元模型，從而省略了ABAQUS 的建模步驟，大大提高了復雜結構動力彈塑性分析的效率。但PKPM作為我國設計院最為常用的結構分析與設計軟件。特別是其中的PMSAP模塊，在我國常規的多層和高層建筑以及復雜的超高層、體育場館結構中得到廣泛的應用。如想實現PKPM的模型轉換為ABAQUS有限元模型，則需二次轉換，即首先將PKPM的模型轉為上述軟件模型，再轉為ABAQUS模型。此建模方法由于數據轉換層次較多，容易遺漏結構數據信息。

更為重要的是，上述轉換程序的最終轉換結果均是ABAQUS計算數據格式文件（INP文件）。而該計算數據格式文件極為復雜。若在轉換結構模型信息時出現缺陷，均難以在ABAQUS中修補，這極大地影響了工程結構分析工作。同時由于PKPM功能的限制，對于一些新型結構形式，如新型阻尼器、減隔震裝置，在PKPM模型無法考慮時，自然在ABAQUS軟件中也無從考慮。此種方法是將ABAQUS視為“計算器”，這使得結構設計者難以發揮ABAQUS軟件強大的建模、網格劃分、計算分析能力。

建筑結構動力彈塑性與倒塌分析的參數化建模軟件PA-TRANS（原名稱為“建筑結構動力彈塑性的參數化建模軟件PA-TRANS”，以下簡稱PA-TRANS程序）是將PKPM軟件視為ABAQUS有限元軟件的基礎建模器或前處理程序。PA-TRANS程序基于有限元參數化建模思想，按工程分析需求設置建模參數，利用Python語言后臺操縱ABAQUS內核，提取由PKPM/PMSAP進行結構分析、設計得到的結構幾何模型、配筋以及荷載、邊界條件等信息并補充材料本構模型等參數，生成ABAQUS的模型CAE文件及相應的INP文件。設計人員可在此模型基礎上進一步修改、完善結構模型以及網格的重新劃分。結合沈陽建筑大學開發的“基于ABAQUS平臺的鋼與混凝土單軸材料本構模型SJZU-CSUNIAXIAL”，可將結構模型提交ABAQUS進行結構動力彈塑性分析與倒塌過程模擬，從而開展結構的抗震性能評估。此外，在生成的ABAQUS CAE模型基礎上，略加調整，即可開展推覆（PUSHOVER）、低周往復加載分析。

二、程序安裝說明

1. 雙擊PA-TRANS-setup圖標，選擇PA-TRANS轉換程序的安裝路徑（默認安裝路徑為C:\PA-TRANS），確認即可。安裝程序在“桌面”、“開始”均安裝PA-TRANS程序圖標，且在“開始”菜單中安裝PA-TRANS與SJZU-CSUNIAXIAL程序的使用說明書。

2. 使用PA-TRANS前，應確保已安裝ABAQUS。ABAQUS版本需為V6.9版本至2016版本之間。當混凝土、鋼筋（材）的材料本構模型采用本軟件配套的SJZU-CSUNIAXIAL本構模型時，需根據ABAQUS版本安裝相應的Visual Studio與Intel Fortran，確保ABAQUS用戶子程序接口安裝成功。

三、程序使用說明

（一）工程建模準備

1. 使用PA-TRANS程序前，工程項目應在PKPM軟件中采用“PMSAP核心的集成設計”或“Spas+PMSAP的集成設計”模塊完成結構分析設計工作。工程模型所在的工作目錄以及工程名均不能為漢字。采用PMSAP計算完畢后，應在“PMSAP結果查看”確認結構無超筋、軸壓比超限等問題。

2. 啟動PA-TRANS程序前，應先啟動ABAQUS的licensing。隨后雙擊PA-TRANS軟件圖標，啟動PA-TRANS程序界面。

（二）建模參數設置

進行工程模型轉換前，用戶首先需根據結構復雜程度與分析需求在PA-TRANS界面內設置模型轉換所需的必要參數，PA-TRANS將依據設定的轉換參數進行參數化建模，生成ABAQUS的模型CAE文件及相應的INP文件。用戶可在ABAQUS/CAE模型基礎上進一步修改、調整結構模型與計算參數。轉換參數設置共分為六個頁面。

1. 前處理參數設置頁面

此頁面主要設置建立結構模型時的PKPM軟件版本、本計算機安裝的ABAQUS軟件版本以及補充結構配筋信息，如圖3.1所示。

圖3.1 PA-TRANS程序界面

設置轉換容差：建議采用默認值0.001；當轉換至ABAQUS的結構模型存在丟失構件、荷載時，可適當調整轉換容差值，再次轉換并確認轉換結果。

1) 結構總體信息欄

設置結構材料的阻尼比、結構的低頻點與高頻點周期比、質量阻尼的放大系數，用于確定ABAQUS中的材料質量阻尼系數。

設置結構中的樓板配筋信息（PA-TRANS中未讀取PKPM樓板配筋結果），需人工設置全樓統一的樓板鋼筋等級、正負筋直徑、鋼筋間距（PA-TRANS也可根據給定配筋率計算鋼筋間距，且為默認項）。樓板鋼筋按雙層雙向考慮。

2) 梁柱桿的配筋補充信息欄

補充結構中梁柱桿構件的縱筋與箍筋直徑信息（PMSAP計算結果數據未包含，而PA-TRANS程序需要該類信息，用于構件截面鋼筋定位以及由計算配筋面積進行選筋獲得實配鋼筋面積）。

剪力墻墻中的鋼筋直徑由PA-TRANS根據計算結果與構造要求自動確定。

3) 構件鋼筋實配系數欄

用戶可以設置全樓統一的各類構件鋼筋實配系數（即工程選筋前的計算配筋面積與理論計算配筋比值）。確定鋼筋實配系數時，可先查看PMSAP中的構件理論計算配筋值，并與對應的工程實配鋼筋面積比較，取全樓同類構件的平均值。

2. 本構模型設置頁面

此頁面主要設置在ABAQUS中擬采用的材料本構模型，如圖3.2所示。按混凝土材料本構模型、鋼筋材料本構模型、鋼材材料本構模型并按構件類別分別予以設置。若結構中沒有某類材料時，其選項無意義，不影響模型轉換。

在各類材料本構模型中，若用戶擬選用本程序提供或ABAQUS自帶的本構模型（參見《基于ABAQUS平臺的鋼與混凝土單軸材料本構模型SJZU-CSUNIAXIAL用戶使用手冊》），可直接勾選。PA-TRANS將依據所選本構模型及“材料參數設置頁面”所設定的材料強度模量參數在ABAQUS中直接建立相應的材料Material并自動設置材料定義參數。

若用戶選擇其他本構模型（非本程序提供或ABAQUS自帶的本構模型），則需給出其本構模型所需的材料類型關鍵字，PA-TRANS在ABAQUS中建立相應的材料Material，但其材料參數在轉換模型中未給出，必須在轉換后的ABAQUS模型中予以補充。

圖3.2 本構模型設置頁面

1) 混凝土材料本構模型信息欄

按梁柱桿、剪力墻、板構件類別分別設置構件中混凝土材料擬采用的本構模型。

對于梁柱桿構件，可以按典型構件設置考慮梁柱桿構件的箍筋對核心混凝土的約束作用。對于鋼管混凝土構件，可以按箍筋近似考慮鋼管對核心混凝土的約束作用。對于墻構件，也可以按典型構件設置考慮墻構件中分布筋對核心混凝土的約束作用。考慮構件中鋼筋（鋼管）對核心混凝土的約束作用時（建議考慮），需設置典型構件的截面尺寸與體積配箍（含鋼）率。

2) 鋼材材料本構模型信息欄

按梁柱桿、剪力墻、板構件類別分別設置構件中型鋼材料擬采用的本構模型。

3) 鋼筋材料本構模型信息欄

設置結構中鋼筋材料擬采用的本構模型。

4) 其他信息

設置鋼材（筋）材料本構骨架曲線的形狀參數以及材料本構模型中是否考慮材料破壞失效。

3. 材料參數設置頁面

此頁面分別按混凝土、鋼筋與鋼材材料參數信息欄分別設置各等級材料的彈模、拉壓強度等材料參數，如圖3.3所示。PA-TRANS按規范默認給出各等級材料強度的標準值，也可根據計算需要修改為平均值或其他代表值（不勾選“材料參數取《砼規》標準值”，即可修改）。

根據所采用的材料參數以及3.2.2節中所選材料本構模型，PA-TRANS自動設定ABAQUS模型中所用材料的材料定義參數。這些材料定義參數可以在轉換后的ABAQUS模型中繼續予以修改。若用戶選擇其他本構模型（非本程序提供或ABAQUS自帶的本構模型），則其材料參數在轉換模型中未給出，必須在轉換后的ABAQUS模型中予以人工補充。

圖3.3 材料參數設置頁面

4. 計算模型設置頁面

此頁面主要包含計算模型的總體轉換與輸出結果信息設置，如圖3.4所示。

圖3.4 計算模型設置頁面

1) 總體轉換信息欄

總體轉換信息主要包括：是否將荷載轉換為質量、是否考慮梁柱桿端的非剛性約束、是否考慮剪力墻的邊緣構件、是否轉換剛性樓板（對于板柱結構，必須轉換樓板）、是否考慮結構的幾何非線性以及是否轉換配筋。

對于帶有剛性構件的結構，需選擇設置剛性桿件剛度的處理方式（剛度增大法或剛體約束法）。程序默認采用剛度增大法，此時需設置剛度增大系數。對于帶有速度型阻尼器的結構，需選擇設置速度型阻尼器的計算模型（Kelvin模型或Maxwell模型）。程序默認采用Kelvin模型，即阻尼與剛度元件并聯模型。

2) 場變量結果輸出信息欄

設置在ABAQUS中的場變量輸出結果選項，包括結構位移與節點內力、速度、加速度、應力應變與材料塑性損傷等結果。

3) 歷史變量結果輸出信息欄

設置在ABAQUS中的歷史變量輸出結果選項，包括結構總能量結果以及各類構件的能量結果。

4) 其他信息

同時，此頁面還包含設置在ABAQUS中的單元網格劃分尺寸、墻板單元截面積分點數、地震分析工況結果輸出的時間間隔以及參與分析的CPU數量等信息。

5. 分析工況設置頁面

此頁面主要包含重力加載工況、模態分析工況與地震波輸入分析工況的信息設置，如圖3.5所示。

圖3.5 分析工況設置頁面

1) 重力加載工況信息欄

主要設置在重力加載工況中是否考慮結構施工順序、施工荷載取值方式、重力荷載施加方式以及在ABAQUS中的分析方法類型。當重力加載工況中考慮施工順序模擬時，PA-TRANS程序中施工荷載默認取恒載且重力荷載加載方式為荷載直接加載。

2) 模態分析工況信息欄

主要設置在重力加載工況前后是否進行模態分析以及擬輸出的模態數信息。

3) 地震波輸入分析工況信息欄

勾選“考慮地震波輸入工況”，則顯示“地震波輸入工況”信息欄。該欄信息主要設置分析用地震波加速度峰值、在ABAQUS中的分析方法類型、是否考慮構件斷裂碰撞、是否考慮剛性地面。

當考慮地震波輸入分析工況時，PA-TRANS可設置多個地震波輸入分析工況（組），用于進行結構在多組地震波輸入下的結構反應分析比較。工況表內顯示該模型擬輸入的地震波工況（組）情況，包括工況名、施加方向及其系數。各工況（組）的地震波加速度峰值、分析類型均相同。單擊“添加工況”與“刪除工況”按鈕，則增加或刪除地震波工況。

4) 增加或刪除地震波工況

單擊“添加工況”，則彈出“添加地震波工況”頁面，如圖3.6所示。在此頁面上，在“地震波工況名”框內應填入擬輸入的地震波工況名（如Taft，注意需采用英文）、該工況下同時輸入的地震波方向及其系數、選用的地震波文件。勾選“輸入地震波”的施加方向后，點擊“數據文件”按鈕，則彈出“選取地震波數據文件”頁面（如圖3.7所示），選擇該方向欲施加的地震波數據文件，并點擊“打開”按鈕確認。

圖3.6 添加地震波工況頁面

圖3.7 選取地震波數據文件

在“添加地震波工況”頁面點擊“保存工況”，則在圖3.5中的工況表內增加一個地震波工況（組）；點擊“取消”，則放棄保存該工況。

5) 其他信息

主要包括隱式迭代算法、顯式求解精度等設置。在ABAQUS中的分析類型選擇建議：重力加載工況一般宜選擇隱式計算方法（此時可進行模態分析），地震波輸入分析工況一般宜選擇顯式計算方法。隱式迭代算法一般選擇偽牛頓法，顯式計算精度一般選擇雙精度。

6. 數據提取設置頁面

此頁面主要設置提取ABAQUS中的計算結果項目，包括結構質量分析結果、模態分析結果、樓層位移/變形結果、樓層內力結果以及構件受力狀態（如混凝土損傷、鋼材鋼筋塑性應變）、性能分級等結果，如圖3.8所示。

圖3.8 數據提取設置頁面

（三）進行參數化建模

設置完畢后，點擊PA-TRANS軟件界面下方的“選擇工程信息”，PA-TRANS程序會彈出“選擇數據獲取的文件”界面，在欲轉換PMSAP模型的工程路徑內選擇“SAP_結果”路徑下的*TB文件，如圖3.9所示。隨后點擊“打開”確認。注意：“工程信息”指的是由PKPM中采用“PMSAP核心的集成設計”或“Spas+PMSAP的集成設計”模塊進行結構分析設計完畢后所得的結構模型信息。工程模型所在的工作路徑以及*TB文件名均不能為漢字。

圖3.9 選擇PKPM模型信息

2. 點擊PA-TRANS軟件界面下方的“保存參數”，在彈出的界面點擊“確定”，保存設置轉換所需參數與工程信息。

3. 點擊PA-TRANS軟件界面下方的點擊“轉換模型”，PA-TRANS調用ABAQUS內核，開始轉換PMSAP模型至ABAQUS，并在ABAQUS軟件界面下方的提示欄中顯示當前進行的轉換工作信息。根據結構規模大小不同，轉換工作可能花費幾分鐘至幾小時不等。

4. 轉換完成后，PA-TRANS軟件會彈出“轉換完成”界面，點擊“確定”，完成模型轉換，如圖3.10所示。

圖3.10 模型轉換完成

5. 轉換完畢后，在PMSAP模型的工程路徑下會新生成“ABAQUS_DATA”文件夾，打開其中的“工程名-Model.cae”文件，即可查看、修改由PKPM轉至ABAQUS的結構CAE模型。CAE模型中按“分析工況設置頁面”設置的分析工況，會包含相應的model。

6. 使用任意的文本編輯器，可以打開“ABAQUS_DATA”路徑中的Transmessage.mes文件，即可查看轉換過程與結果日志信息，初步查看是否轉換是否正確，如圖3.11所示。

Transmessage.mes文件內保存從PKPM結構模型中讀取的構件、材料、荷載等統計信息，以及在ABAQUS中相應生成的構件、材料、荷載等統計信息等。在二者之間進行對比，可以檢查模型信息是否丟失。此外，還可以查看ABAQUS CAE模型中單元、節點的統計信息。

圖3.11 查看轉換過程與結果信息

進一步，可以打開“ABAQUS_DATA”路徑中的Data_Structural-Mass.dat文件，可以查看ABAQUS CAE模型中的結構各層質量與總質量信息（單位：Kg），并與PKPM計算結果（單位：t）進行比較，其中Mass-Components+DeadLoad對應于PKPM的恒載質量，Mass-LiveLoad對應于PKPM的活載質量，如圖3.12所示。若二者相差較小（一般在5%以內），可以初步判別轉換正確。

圖3.12 轉換模型的樓層質量統計結果

7. 確認轉換無誤時，點擊“提交計算”，則依次進行重力加載工況（含模態分析工況）、各地震波加載工況下的結構分析，且程序彈出“正在計算！”界面。待計算完成后，程序會彈出“計算完成！”界面，點擊“確定”，完成模型計算。

8. 計算完畢后，點擊“數據提取”，則PA-TRANS軟件在“ABAQUS_DATA”路徑中建立“Aanalyse-Result”文件夾，并依據3.6節“后處理參數設置頁面”中的選項分別提取各地震波工況下的結構分析結果并建立相應的文件夾（文件夾名為地震波工況名）。在每個地震波工況文件夾內，按數據類型分別建立Displacement（位移結果）、FORCE（內力結果）、Energy（能量結果）、FloorHysteresis（樓層內力滯回結果）、DAMPER（阻尼器計算結果）以及ElementResult（構件結果）文件夾，其內分別包含相應的數據文件。數據提取完成后，程序會彈出“數據提取完成”界面，點擊“確定”，完成模型計算結果的自動提取整理。（免費版本未包含此功能）

9. 點擊“生成報告”，則PA-TRANS軟件自動生成結構分析報告。（免費版本未包含此功能）

10. 若轉換失敗，若“ABAQUS_DATA”路徑中生成Translog.log文件，可使用任意的文本編輯器打開該文件，可以查看轉換失敗的信息。

11. 軟件的技術信息與轉換約定詳見使用說明書。

注意：PA-TRANS軟件的免費使用版本可以進行15層以下且結構中梁柱墻板構件數均小于800個的結構，配套的本構模型SJZU-CSUNIAXIAL程序可進行10000單元以內的結構模型分析。

四、配套的SJZU-CSUNIAXIAL程序

SJZU-CSUNIAXIAL程序是基于ABAQUS提供的用戶子程序接口（UMAT、VUMAT），開發完成的一組鋼與混凝土單軸材料滯回本構模型程序。SJZU-CSUNIAXIAL程序主要用于鋼筋混凝土結構、鋼結構以及鋼-混凝土組合結構的動靜力彈塑性性能分析，并可考慮材料失效以進行結構倒塌分析時的構件斷裂模擬。SJZU-CSUNIAXIAL程序內包含3種混凝土單軸本構模型類型，3種鋼材（筋）單軸本構模型類型，供用戶按需選擇使用，如表4.1所示。

表4.1 SJZU-CSUNIAXIAL 程序中的材料本構模型類型

五、 工程實例驗證與應用

1. 高層剪力墻結構模型轉換

該結構為52層剪力墻結構，屬典型的高層住宅建筑所采用的結構形式與結構布置。PA-TRANS程序能夠正確地讀取PMSAP數據信息，并完整轉換至ABAQUS中。PMSAP中的結構模型與ABAQUS中結構CAE模型對比如圖5.1所示。PMSAP模型與ABAQUS模型計算所得結構質量與周期對比如表5.1所示，1階振型對比如圖5.2所示。可以看出，通過PA-TRANS程序轉換得到的ABAQUS結構模型在結構總質量、自振周期、振型等結果與原PMSAP模型計算的結果均能夠很好地吻合。


a PKPM中的結構模型	b ABAQUS中的結構模型（考慮樓板）

圖5.1 PMSAP與ABAQUS模型對比圖

表5.1 PMSAP模型與ABAQUS模型的質量和周期對比

	總質量（t）	第一周期（s）	第二周期（s）	第三周期（s）	第四周期（s）	第五周期（s）	第六周期（s）
PMSAP	41378.8	4.415	3.141	1.742	0.904	0.887	0.547
ABAQUS （考慮樓板）	43799.2	4.020	3.220	1.788	0.898	0.836	0.548
偏差（考慮樓板）	5.85％	-8.95％	2.52％	2.65％	-0.66％	-5.75％	0.18％

備注：PMSAP模型中結構質量并未包括結構中鋼筋質量，而ABAQUS模型中結構質量是包括結構中鋼筋質量的。


a PKPM中的結構模型	b ABAQUS中的結構模型（考慮樓板）

圖5.2 PMSAP與ABAQUS模型的一階振型對比圖

2. 鋼筋混凝土柱的彈塑性分析

對日本學者Kazuhiko Kawashima所做的單軸側向往復加載鋼筋混凝土柱試件TP74與雙軸側向往復加載鋼筋混凝土柱TP77進行計算模擬。

圖5.3為試件TP74實測滯回曲線與計算所得滯回曲線對比，圖5.4為試件TP77實測滯回曲線與計算所得滯回曲線對比。可以看出，SJZU-CSUNIAXIAL程序計算所得滯回曲線均與試驗結果吻合較好，能夠較為準確地描述往復加載下的試件強度、剛度退化現象以及雙向彎曲耦合效應。

圖5.3 試件TP74實測滯回曲線與計算所得滯回曲線對比

圖5.4 試件TP77實測滯回曲線與計算所得滯回曲線對比

3. 鋼筋混凝土剪力墻構件低周往復加載下的彈塑性分析

（1）對鄭山鎖等在《RC剪力墻損傷試驗研究》中的JLQ-3剪力墻試件進行水平低周往復加載下的滯回性能模擬。剪力墻采用S4R單元模擬，墻內分布筋采用REBAR LAYER、邊緣構件內的縱筋采用TRUSS單元模擬。混凝土本構采用ABAQUS中的損傷塑性模型（CDP），并考慮分布筋對混凝土的約束效應影響；鋼筋分別采用SRP、USR2與USR3模型。材料強度、彈模等參數取試驗值，本構模型參數取默認值。

圖5.5為JLQ-3試件的實測滯回曲線與計算所得滯回曲線對比。可以看出，計算所得滯回曲線均與試驗結果吻合較好，能夠較為準確地描述往復加載下的試件強度、剛度退化與滯回曲線捏攏現象。

圖5.5 JLQ-3試件的實測滯回曲線與計算所得滯回曲線對比

（2）對章紅梅等在《不同軸壓比下剪力墻抗震性能試驗研究》中的SW1-1剪力墻試件進行水平低周往復加載下的滯回性能模擬，采用的單元、材料本構模型、計算方式均同（1）。

圖5.6為SW1-1試件的實測滯回曲線與計算所得滯回曲線對比。可以看出，鋼筋采用USR2、USR3本構模型計算所得滯回曲線能夠較為準確地描述往復加載下的試件強度、剛度退化與滯回曲線豐滿程度，計算結果與試驗結果吻合較好；而SRP本構模型計算所得滯回曲線較實測曲線明顯豐滿，顯著高估了試件的耗能能力。

圖5.6 SW1-1試件的實測滯回曲線與計算所得滯回曲線對比

4. 鋼筋混凝土框架剪力墻結構倒塌過程仿真

對2011年2月11日新西蘭地震中倒塌的the Pyne Gould Corporation (PGC) 辦公樓進行倒塌過程模擬分析。該結構是鋼筋混凝土框架剪力墻結構，始建于1964年，后經多次加固改造。該結構的原貌與倒塌后形態見圖5.7與5.8。圖5.9為按目擊者描述給出的結構倒塌過程。

分析模擬時，首先采用PKPM進行結構建模、配筋計算，模型相比實際結構有所簡化；隨后采用建筑結構參數建模軟件PA-TRANS將PKPM軟件中的設計模型轉換至ABAQUS模型，并采用隱式、顯式分析模型接力計算。圖5.10為模擬計算得到的結構倒塌過程。可以看出，二者的破壞位置與倒塌過程較為接近，誤差原因可能是計算模型與實際結構有所差異、計算中未考慮構件剪切破壞所致。