建筑结构动力弹塑性与倒塌分析的参数化建模软件PA-TRANS

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一、前言

随着我国城市建设的不断发展，复杂高层结构日益增多。其中，相当多的高层建筑结构超出我国抗震设计规范、高层设计规程的适用范围和设计规定。如何保障这些超限复杂高层建筑结构的抗震安全性是目前工程结构设计界极为关注的问题之一。根据我国现行抗震规范、高层规范，进行高层建筑结构的动力弹塑性分析乃至倒塌过程模拟来评价结构抗震安全性已成为超限建筑结构设计的重要手段与依据。

采用纤维模型和分层壳模型的通用有限元软件ABAQUS与采用集中塑性铰模型和墙体宏观模型的传统结构工程软件相比，能够得到更为准确、细致的分析结果，现已成为结构动力弹塑性分析的主要工具之一。但目前基于 ABAQUS 平台建立复杂高层结构模型十分繁琐、耗时耗力，这制约了ABAQUS在结构动力弹塑性分析中的应用。

为提高ABAQUS前处理建模效率，国内已有一些单位与个人开发了结构模型转换程序，实现了将工程软件MIDAS/GEN、SAP2000、YJK模型转换为ABAQUS有限元模型，从而省略了ABAQUS 的建模步骤，大大提高了复杂结构动力弹塑性分析的效率。但PKPM作为我国设计院最为常用的结构分析与设计软件。特别是其中的PMSAP模块，在我国常规的多层和高层建筑以及复杂的超高层、体育场馆结构中得到广泛的应用。如想实现PKPM的模型转换为ABAQUS有限元模型，则需二次转换，即首先将PKPM的模型转为上述软件模型，再转为ABAQUS模型。此建模方法由于数据转换层次较多，容易遗漏结构数据信息。

更为重要的是，上述转换程序的最终转换结果均是ABAQUS计算数据格式文件（INP文件）。而该计算数据格式文件极为复杂。若在转换结构模型信息时出现缺陷，均难以在ABAQUS中修补，这极大地影响了工程结构分析工作。同时由于PKPM功能的限制，对于一些新型结构形式，如新型阻尼器、减隔震装置，在PKPM模型无法考虑时，自然在ABAQUS软件中也无从考虑。此种方法是将ABAQUS视为“计算器”，这使得结构设计者难以发挥ABAQUS软件强大的建模、网格划分、计算分析能力。

建筑结构动力弹塑性与倒塌分析的参数化建模软件PA-TRANS（原名称为“建筑结构动力弹塑性的参数化建模软件PA-TRANS”，以下简称PA-TRANS程序）是将PKPM软件视为ABAQUS有限元软件的基础建模器或前处理程序。PA-TRANS程序基于有限元参数化建模思想，按工程分析需求设置建模参数，利用Python语言后台操纵ABAQUS内核，提取由PKPM/PMSAP进行结构分析、设计得到的结构几何模型、配筋以及荷载、边界条件等信息并补充材料本构模型等参数，生成ABAQUS的模型CAE文件及相应的INP文件。设计人员可在此模型基础上进一步修改、完善结构模型以及网格的重新划分。结合沈阳建筑大学开发的“基于ABAQUS平台的钢与混凝土单轴材料本构模型SJZU-CSUNIAXIAL”，可将结构模型提交ABAQUS进行结构动力弹塑性分析与倒塌过程模拟，从而开展结构的抗震性能评估。此外，在生成的ABAQUS CAE模型基础上，略加调整，即可开展推覆（PUSHOVER）、低周往复加载分析。

二、程序安装说明

1. 双击PA-TRANS-setup图标，选择PA-TRANS转换程序的安装路径（默认安装路径为C:\PA-TRANS），确认即可。安装程序在“桌面”、“开始”均安装PA-TRANS程序图标，且在“开始”菜单中安装PA-TRANS与SJZU-CSUNIAXIAL程序的使用说明书。

2. 使用PA-TRANS前，应确保已安装ABAQUS。ABAQUS版本需为V6.9版本至2016版本之间。当混凝土、钢筋（材）的材料本构模型采用本软件配套的SJZU-CSUNIAXIAL本构模型时，需根据ABAQUS版本安装相应的Visual Studio与Intel Fortran，确保ABAQUS用户子程序接口安装成功。

三、程序使用说明

（一）工程建模准备

1. 使用PA-TRANS程序前，工程项目应在PKPM软件中采用“PMSAP核心的集成设计”或“Spas+PMSAP的集成设计”模块完成结构分析设计工作。工程模型所在的工作目录以及工程名均不能为汉字。采用PMSAP计算完毕后，应在“PMSAP结果查看”确认结构无超筋、轴压比超限等问题。

2. 启动PA-TRANS程序前，应先启动ABAQUS的licensing。随后双击PA-TRANS软件图标，启动PA-TRANS程序界面。

（二）建模参数设置

进行工程模型转换前，用户首先需根据结构复杂程度与分析需求在PA-TRANS界面内设置模型转换所需的必要参数，PA-TRANS将依据设定的转换参数进行参数化建模，生成ABAQUS的模型CAE文件及相应的INP文件。用户可在ABAQUS/CAE模型基础上进一步修改、调整结构模型与计算参数。转换参数设置共分为六个页面。

1. 前处理参数设置页面

此页面主要设置建立结构模型时的PKPM软件版本、本计算机安装的ABAQUS软件版本以及补充结构配筋信息，如图3.1所示。

图3.1 PA-TRANS程序界面

设置转换容差：建议采用默认值0.001；当转换至ABAQUS的结构模型存在丢失构件、荷载时，可适当调整转换容差值，再次转换并确认转换结果。

1) 结构总体信息栏

设置结构材料的阻尼比、结构的低频点与高频点周期比、质量阻尼的放大系数，用于确定ABAQUS中的材料质量阻尼系数。

设置结构中的楼板配筋信息（PA-TRANS中未读取PKPM楼板配筋结果），需人工设置全楼统一的楼板钢筋等级、正负筋直径、钢筋间距（PA-TRANS也可根据给定配筋率计算钢筋间距，且为默认项）。楼板钢筋按双层双向考虑。

2) 梁柱杆的配筋补充信息栏

补充结构中梁柱杆构件的纵筋与箍筋直径信息（PMSAP计算结果数据未包含，而PA-TRANS程序需要该类信息，用于构件截面钢筋定位以及由计算配筋面积进行选筋获得实配钢筋面积）。

剪力墙墙中的钢筋直径由PA-TRANS根据计算结果与构造要求自动确定。

3) 构件钢筋实配系数栏

用户可以设置全楼统一的各类构件钢筋实配系数（即工程选筋前的计算配筋面积与理论计算配筋比值）。确定钢筋实配系数时，可先查看PMSAP中的构件理论计算配筋值，并与对应的工程实配钢筋面积比较，取全楼同类构件的平均值。

2. 本构模型设置页面

此页面主要设置在ABAQUS中拟采用的材料本构模型，如图3.2所示。按混凝土材料本构模型、钢筋材料本构模型、钢材材料本构模型并按构件类别分别予以设置。若结构中没有某类材料时，其选项无意义，不影响模型转换。

在各类材料本构模型中，若用户拟选用本程序提供或ABAQUS自带的本构模型（参见《基于ABAQUS平台的钢与混凝土单轴材料本构模型SJZU-CSUNIAXIAL用户使用手册》），可直接勾选。PA-TRANS将依据所选本构模型及“材料参数设置页面”所设定的材料强度模量参数在ABAQUS中直接建立相应的材料Material并自动设置材料定义参数。

若用户选择其他本构模型（非本程序提供或ABAQUS自带的本构模型），则需给出其本构模型所需的材料类型关键字，PA-TRANS在ABAQUS中建立相应的材料Material，但其材料参数在转换模型中未给出，必须在转换后的ABAQUS模型中予以补充。

图3.2 本构模型设置页面

1) 混凝土材料本构模型信息栏

按梁柱杆、剪力墙、板构件类别分别设置构件中混凝土材料拟采用的本构模型。

对于梁柱杆构件，可以按典型构件设置考虑梁柱杆构件的箍筋对核心混凝土的约束作用。对于钢管混凝土构件，可以按箍筋近似考虑钢管对核心混凝土的约束作用。对于墙构件，也可以按典型构件设置考虑墙构件中分布筋对核心混凝土的约束作用。考虑构件中钢筋（钢管）对核心混凝土的约束作用时（建议考虑），需设置典型构件的截面尺寸与体积配箍（含钢）率。

2) 钢材材料本构模型信息栏

按梁柱杆、剪力墙、板构件类别分别设置构件中型钢材料拟采用的本构模型。

3) 钢筋材料本构模型信息栏

设置结构中钢筋材料拟采用的本构模型。

4) 其他信息

设置钢材（筋）材料本构骨架曲线的形状参数以及材料本构模型中是否考虑材料破坏失效。

3. 材料参数设置页面

此页面分别按混凝土、钢筋与钢材材料参数信息栏分别设置各等级材料的弹模、拉压强度等材料参数，如图3.3所示。PA-TRANS按规范默认给出各等级材料强度的标准值，也可根据计算需要修改为平均值或其他代表值（不勾选“材料参数取《砼规》标准值”，即可修改）。

根据所采用的材料参数以及3.2.2节中所选材料本构模型，PA-TRANS自动设定ABAQUS模型中所用材料的材料定义参数。这些材料定义参数可以在转换后的ABAQUS模型中继续予以修改。若用户选择其他本构模型（非本程序提供或ABAQUS自带的本构模型），则其材料参数在转换模型中未给出，必须在转换后的ABAQUS模型中予以人工补充。

图3.3 材料参数设置页面

4. 计算模型设置页面

此页面主要包含计算模型的总体转换与输出结果信息设置，如图3.4所示。

图3.4 计算模型设置页面

1) 总体转换信息栏

总体转换信息主要包括：是否将荷载转换为质量、是否考虑梁柱杆端的非刚性约束、是否考虑剪力墙的边缘构件、是否转换刚性楼板（对于板柱结构，必须转换楼板）、是否考虑结构的几何非线性以及是否转换配筋。

对于带有刚性构件的结构，需选择设置刚性杆件刚度的处理方式（刚度增大法或刚体约束法）。程序默认采用刚度增大法，此时需设置刚度增大系数。对于带有速度型阻尼器的结构，需选择设置速度型阻尼器的计算模型（Kelvin模型或Maxwell模型）。程序默认采用Kelvin模型，即阻尼与刚度元件并联模型。

2) 场变量结果输出信息栏

设置在ABAQUS中的场变量输出结果选项，包括结构位移与节点内力、速度、加速度、应力应变与材料塑性损伤等结果。

3) 历史变量结果输出信息栏

设置在ABAQUS中的历史变量输出结果选项，包括结构总能量结果以及各类构件的能量结果。

4) 其他信息

同时，此页面还包含设置在ABAQUS中的单元网格划分尺寸、墙板单元截面积分点数、地震分析工况结果输出的时间间隔以及参与分析的CPU数量等信息。

5. 分析工况设置页面

此页面主要包含重力加载工况、模态分析工况与地震波输入分析工况的信息设置，如图3.5所示。

图3.5 分析工况设置页面

1) 重力加载工况信息栏

主要设置在重力加载工况中是否考虑结构施工顺序、施工荷载取值方式、重力荷载施加方式以及在ABAQUS中的分析方法类型。当重力加载工况中考虑施工顺序模拟时，PA-TRANS程序中施工荷载默认取恒载且重力荷载加载方式为荷载直接加载。

2) 模态分析工况信息栏

主要设置在重力加载工况前后是否进行模态分析以及拟输出的模态数信息。

3) 地震波输入分析工况信息栏

勾选“考虑地震波输入工况”，则显示“地震波输入工况”信息栏。该栏信息主要设置分析用地震波加速度峰值、在ABAQUS中的分析方法类型、是否考虑构件断裂碰撞、是否考虑刚性地面。

当考虑地震波输入分析工况时，PA-TRANS可设置多个地震波输入分析工况（组），用于进行结构在多组地震波输入下的结构反应分析比较。工况表内显示该模型拟输入的地震波工况（组）情况，包括工况名、施加方向及其系数。各工况（组）的地震波加速度峰值、分析类型均相同。单击“添加工况”与“删除工况”按钮，则增加或删除地震波工况。

4) 增加或删除地震波工况

单击“添加工况”，则弹出“添加地震波工况”页面，如图3.6所示。在此页面上，在“地震波工况名”框内应填入拟输入的地震波工况名（如Taft，注意需采用英文）、该工况下同时输入的地震波方向及其系数、选用的地震波文件。勾选“输入地震波”的施加方向后，点击“数据文件”按钮，则弹出“选取地震波数据文件”页面（如图3.7所示），选择该方向欲施加的地震波数据文件，并点击“打开”按钮确认。

图3.6 添加地震波工况页面

图3.7 选取地震波数据文件

在“添加地震波工况”页面点击“保存工况”，则在图3.5中的工况表内增加一个地震波工况（组）；点击“取消”，则放弃保存该工况。

5) 其他信息

主要包括隐式迭代算法、显式求解精度等设置。在ABAQUS中的分析类型选择建议：重力加载工况一般宜选择隐式计算方法（此时可进行模态分析），地震波输入分析工况一般宜选择显式计算方法。隐式迭代算法一般选择伪牛顿法，显式计算精度一般选择双精度。

6. 数据提取设置页面

此页面主要设置提取ABAQUS中的计算结果项目，包括结构质量分析结果、模态分析结果、楼层位移/变形结果、楼层内力结果以及构件受力状态（如混凝土损伤、钢材钢筋塑性应变）、性能分级等结果，如图3.8所示。

图3.8 数据提取设置页面

（三）进行参数化建模

设置完毕后，点击PA-TRANS软件界面下方的“选择工程信息”，PA-TRANS程序会弹出“选择数据获取的文件”界面，在欲转换PMSAP模型的工程路径内选择“SAP_结果”路径下的*TB文件，如图3.9所示。随后点击“打开”确认。注意：“工程信息”指的是由PKPM中采用“PMSAP核心的集成设计”或“Spas+PMSAP的集成设计”模块进行结构分析设计完毕后所得的结构模型信息。工程模型所在的工作路径以及*TB文件名均不能为汉字。

图3.9 选择PKPM模型信息

2. 点击PA-TRANS软件界面下方的“保存参数”，在弹出的界面点击“确定”，保存设置转换所需参数与工程信息。

3. 点击PA-TRANS软件界面下方的点击“转换模型”，PA-TRANS调用ABAQUS内核，开始转换PMSAP模型至ABAQUS，并在ABAQUS软件界面下方的提示栏中显示当前进行的转换工作信息。根据结构规模大小不同，转换工作可能花费几分钟至几小时不等。

4. 转换完成后，PA-TRANS软件会弹出“转换完成”界面，点击“确定”，完成模型转换，如图3.10所示。

图3.10 模型转换完成

5. 转换完毕后，在PMSAP模型的工程路径下会新生成“ABAQUS_DATA”文件夹，打开其中的“工程名-Model.cae”文件，即可查看、修改由PKPM转至ABAQUS的结构CAE模型。CAE模型中按“分析工况设置页面”设置的分析工况，会包含相应的model。

6. 使用任意的文本编辑器，可以打开“ABAQUS_DATA”路径中的Transmessage.mes文件，即可查看转换过程与结果日志信息，初步查看是否转换是否正确，如图3.11所示。

Transmessage.mes文件内保存从PKPM结构模型中读取的构件、材料、荷载等统计信息，以及在ABAQUS中相应生成的构件、材料、荷载等统计信息等。在二者之间进行对比，可以检查模型信息是否丢失。此外，还可以查看ABAQUS CAE模型中单元、节点的统计信息。

图3.11 查看转换过程与结果信息

进一步，可以打开“ABAQUS_DATA”路径中的Data_Structural-Mass.dat文件，可以查看ABAQUS CAE模型中的结构各层质量与总质量信息（单位：Kg），并与PKPM计算结果（单位：t）进行比较，其中Mass-Components+DeadLoad对应于PKPM的恒载质量，Mass-LiveLoad对应于PKPM的活载质量，如图3.12所示。若二者相差较小（一般在5%以内），可以初步判别转换正确。

图3.12 转换模型的楼层质量统计结果

7. 确认转换无误时，点击“提交计算”，则依次进行重力加载工况（含模态分析工况）、各地震波加载工况下的结构分析，且程序弹出“正在计算！”界面。待计算完成后，程序会弹出“计算完成！”界面，点击“确定”，完成模型计算。

8. 计算完毕后，点击“数据提取”，则PA-TRANS软件在“ABAQUS_DATA”路径中建立“Aanalyse-Result”文件夹，并依据3.6节“后处理参数设置页面”中的选项分别提取各地震波工况下的结构分析结果并建立相应的文件夹（文件夹名为地震波工况名）。在每个地震波工况文件夹内，按数据类型分别建立Displacement（位移结果）、FORCE（内力结果）、Energy（能量结果）、FloorHysteresis（楼层内力滞回结果）、DAMPER（阻尼器计算结果）以及ElementResult（构件结果）文件夹，其内分别包含相应的数据文件。数据提取完成后，程序会弹出“数据提取完成”界面，点击“确定”，完成模型计算结果的自动提取整理。（免费版本未包含此功能）

9. 点击“生成报告”，则PA-TRANS软件自动生成结构分析报告。（免费版本未包含此功能）

10. 若转换失败，若“ABAQUS_DATA”路径中生成Translog.log文件，可使用任意的文本编辑器打开该文件，可以查看转换失败的信息。

11. 软件的技术信息与转换约定详见使用说明书。

注意：PA-TRANS软件的免费使用版本可以进行15层以下且结构中梁柱墙板构件数均小于800个的结构，配套的本构模型SJZU-CSUNIAXIAL程序可进行10000单元以内的结构模型分析。

四、配套的SJZU-CSUNIAXIAL程序

SJZU-CSUNIAXIAL程序是基于ABAQUS提供的用户子程序接口（UMAT、VUMAT），开发完成的一组钢与混凝土单轴材料滞回本构模型程序。SJZU-CSUNIAXIAL程序主要用于钢筋混凝土结构、钢结构以及钢-混凝土组合结构的动静力弹塑性性能分析，并可考虑材料失效以进行结构倒塌分析时的构件断裂模拟。SJZU-CSUNIAXIAL程序内包含3种混凝土单轴本构模型类型，3种钢材（筋）单轴本构模型类型，供用户按需选择使用，如表4.1所示。

表4.1 SJZU-CSUNIAXIAL 程序中的材料本构模型类型

五、 工程实例验证与应用

1. 高层剪力墙结构模型转换

该结构为52层剪力墙结构，属典型的高层住宅建筑所采用的结构形式与结构布置。PA-TRANS程序能够正确地读取PMSAP数据信息，并完整转换至ABAQUS中。PMSAP中的结构模型与ABAQUS中结构CAE模型对比如图5.1所示。PMSAP模型与ABAQUS模型计算所得结构质量与周期对比如表5.1所示，1阶振型对比如图5.2所示。可以看出，通过PA-TRANS程序转换得到的ABAQUS结构模型在结构总质量、自振周期、振型等结果与原PMSAP模型计算的结果均能够很好地吻合。


a PKPM中的结构模型	b ABAQUS中的结构模型（考虑楼板）

图5.1 PMSAP与ABAQUS模型对比图

表5.1 PMSAP模型与ABAQUS模型的质量和周期对比

	总质量（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 （考虑楼板）	43799.2	4.020	3.220	1.788	0.898	0.836	0.548
偏差（考虑楼板）	5.85％	-8.95％	2.52％	2.65％	-0.66％	-5.75％	0.18％

备注：PMSAP模型中结构质量并未包括结构中钢筋质量，而ABAQUS模型中结构质量是包括结构中钢筋质量的。


a PKPM中的结构模型	b ABAQUS中的结构模型（考虑楼板）

图5.2 PMSAP与ABAQUS模型的一阶振型对比图

2. 钢筋混凝土柱的弹塑性分析

对日本学者Kazuhiko Kawashima所做的单轴侧向往复加载钢筋混凝土柱试件TP74与双轴侧向往复加载钢筋混凝土柱TP77进行计算模拟。

图5.3为试件TP74实测滞回曲线与计算所得滞回曲线对比，图5.4为试件TP77实测滞回曲线与计算所得滞回曲线对比。可以看出，SJZU-CSUNIAXIAL程序计算所得滞回曲线均与试验结果吻合较好，能够较为准确地描述往复加载下的试件强度、刚度退化现象以及双向弯曲耦合效应。

图5.3 试件TP74实测滞回曲线与计算所得滞回曲线对比

图5.4 试件TP77实测滞回曲线与计算所得滞回曲线对比

3. 钢筋混凝土剪力墙构件低周往复加载下的弹塑性分析

（1）对郑山锁等在《RC剪力墙损伤试验研究》中的JLQ-3剪力墙试件进行水平低周往复加载下的滞回性能模拟。剪力墙采用S4R单元模拟，墙内分布筋采用REBAR LAYER、边缘构件内的纵筋采用TRUSS单元模拟。混凝土本构采用ABAQUS中的损伤塑性模型（CDP），并考虑分布筋对混凝土的约束效应影响；钢筋分别采用SRP、USR2与USR3模型。材料强度、弹模等参数取试验值，本构模型参数取默认值。

图5.5为JLQ-3试件的实测滞回曲线与计算所得滞回曲线对比。可以看出，计算所得滞回曲线均与试验结果吻合较好，能够较为准确地描述往复加载下的试件强度、刚度退化与滞回曲线捏拢现象。

图5.5 JLQ-3试件的实测滞回曲线与计算所得滞回曲线对比

（2）对章红梅等在《不同轴压比下剪力墙抗震性能试验研究》中的SW1-1剪力墙试件进行水平低周往复加载下的滞回性能模拟，采用的单元、材料本构模型、计算方式均同（1）。

图5.6为SW1-1试件的实测滞回曲线与计算所得滞回曲线对比。可以看出，钢筋采用USR2、USR3本构模型计算所得滞回曲线能够较为准确地描述往复加载下的试件强度、刚度退化与滞回曲线丰满程度，计算结果与试验结果吻合较好；而SRP本构模型计算所得滞回曲线较实测曲线明显丰满，显著高估了试件的耗能能力。

图5.6 SW1-1试件的实测滞回曲线与计算所得滞回曲线对比

4. 钢筋混凝土框架剪力墙结构倒塌过程仿真

对2011年2月11日新西兰地震中倒塌的the Pyne Gould Corporation (PGC) 办公楼进行倒塌过程模拟分析。该结构是钢筋混凝土框架剪力墙结构，始建于1964年，后经多次加固改造。该结构的原貌与倒塌后形态见图5.7与5.8。图5.9为按目击者描述给出的结构倒塌过程。

分析模拟时，首先采用PKPM进行结构建模、配筋计算，模型相比实际结构有所简化；随后采用建筑结构参数建模软件PA-TRANS将PKPM软件中的设计模型转换至ABAQUS模型，并采用隐式、显式分析模型接力计算。图5.10为模拟计算得到的结构倒塌过程。可以看出，二者的破坏位置与倒塌过程较为接近，误差原因可能是计算模型与实际结构有所差异、计算中未考虑构件剪切破坏所致。