预应力结构在ABAQUS中自动化建模方法

0 引言

由于预应力结构能有效地降低结构高度、提高抗裂性能、扩大柱网，近年来在大跨度结构中得到较为广泛的应用。但预应力结构延性较差，在抗震设防烈度较高的地区应用时，其抗震能力应予以重视。2020年实施的《预应力结构抗震设计标准》规定预应力结构应采用静力弹塑性分析方法或弹塑性时程分析方法，验算其抗震能力，但目前缺乏有效的分析手段。

大型通用有限元软件ABAQUS非线性分析能力强大，近年来已被广泛用于复杂结构的动力弹塑性分析，但其建模困难、使用复杂。为此诸多学者对ABAQUS二次开发，以解决大型复杂结构建模困难的问题。王玄玄[1]开发了Revit软件到ABAQUS软件的框架结构模型转换接口，最终生成ABAQUS的INP有限元模型文件。杨律磊[2]开发了将SAP2000和MIDAS结构模型转化为ABAQUS模型的接口程序，以用于结构的动力弹塑性分析。王强等[3-5]开发了PKPM软件到ABAQUS软件的建筑结构参数化建模软件PA-TRANS，可以生成结构的CAE模型，用于建筑结构动力弹塑性分析与倒塌过程模拟。

以往的研究成果均未能实现预应力结构在ABAQUS中的自动化建模，因此基于ABAQUS进行预应力结构的非线性分析是极为困难的。为实现预应力结构的高效建模分析，本文对预应力结构模型的复杂数据结构进行深入研究，将结构几何模型和配筋信息进行数据融合与匹配，进而探索预应力结构在ABAQUS中的自动化建模技术。

1 预应力结构自动化建模整体思路

PKPM是我国建筑设计中常见的结构设计软件，拥有PMSAP和SATWE两大设计计算核心。PMSAP主要用于复杂空间结构设计分析，并以开放的文本形式提供较为完备的结构几何模型和构件配筋信息，但目前尚不能进行预应力结构设计分析。SATWE主要用于多、高层建筑结构设计，结构的几何模型和构件配筋信息可以导出至SQLITE数据库。对于预应力结构设计，PKPM是通过调用SATWE核心计算，但预应力筋信息保存至封闭的数据文件中。

鉴于PMSAP数据的开放性、完备性，课题组开发的PA-TRANS转换程序是采用Python语言编程，首先读取PMSAP设计计算的结构模型信息，随后调用ABAQUS提供的建模函数库，实现了普通结构在ABAQUS中参数化建模。对于预应力结构而言，其几何模型信息、非预应力筋配筋信息、预应力筋配筋信息的数据来源不同，使得数据结构差异较大、信息不匹配。为使PA-TRANS能够进行预应力结构的自动化建模，本文首先研究预应力结构的配筋数据结构、数据获取方式以及各类数据的匹配关系，实现预应力结构模型信息的数据融合。在ABAQUS中建立预应力结构模型，可以在普通结构模型的基础上，根据预应力结构的受力特点进一步开展预应力筋的建模、预应力施加。具体流程如图1所示。

图1 预应力结构建模流程

2 预应力结构模型的数据获取

2.1 几何模型数据

在PA-TRANS程序中可根据分析需求，参数化转换PMSAP模型为ABAQUS软件的有限元模型。现阶段在PKPM中以PMSAP和SATWE进行计算设计时，结构的几何模型信息具有通用性，因此本文仍采用原有的研究成果获取预应力结构的几何模型数据。

2.2 非预应力筋数据

PKPM预应力模块调用SATWE核心进行预应力结构设计，结构模型信息被存储至封闭的PDB文件中。借助PKPM提供的数据导出功能，非预应力配筋数据可被导出至开放的SQLITE数据库Calc.jwd文件中。

SQLITE是一种轻量级嵌入式数据库，不需要在系统中配置，且数据访问查询极为方便。预应力结构模型中不同类型的数据存储在相应的表格中，其中梁、柱构件的非预应力筋信息数据表分别为pkpmRCBeamDsn、pkpmRCColumDsn。每行数据完整存储了一个构件的非预应力筋信息，包括构件号、PmID、顶部钢筋面积、底部钢筋面积、轴压比等。其中，PmID号作为PKPM软件输出结构信息时构件独有的索引号，同一构件在PMSAP和SATWE计算模型中具有唯一的PmID号。按照相同PmID号为同一根构件的原则，将SATWE中构件配筋信息和PMSAP几何构件模型信息匹配。经对配筋数据内容转化、格式整理后，将SATWE的构件配筋信息融入到PA-TRANS程序原有的数据结构中，实现不同来源的结构几何模型信息和配筋信息匹配融合。

2.3 预应力筋数据

PKPM软件中预应力筋数据的存储方式同非预应力筋数据存储方式存在较大差异，预应力筋数据信息为独立且封闭的存储文件PRECPM.PRE、PCABLE.PRE，且不能被导出至SQLITE数据库。依据PKPM约定的数据存储格式，可以从预应力筋数据文件中获取预应力结构的总体设计参数、预应力构件的布置、预应力筋的线型等信息，并在PA-TRANS中增加相应的数据结构。通过预应力构件布置信息数据中的构件号能够实现与结构几何模型的数据匹配。

3 预应力筋参数化建模程序

本文在原有的PA-TRANS转换程序基础上接力开发预应力结构的预应力筋建模模块。通过利用数据融合规则将多源异构[6]数据建立预应力结构模型，通过Python语言编程，实现预应力筋模块的自动化建模。预应力筋的参数化建模包括绘制预应力筋线、施加张拉控制应力、网格划分、节点约束等建模步骤。

3.1 预应力筋及材料建模

在PKPM软件中有四段抛物线、三段抛物线、三段折线等8种线型，在保证应力筋模型的准确性，本文将预应力筋线型简化为直线、两段折线、三段折线、弧曲线4种类型。通过预应力筋线型数据以及预应力筋所匹配的几何构件模型可以获得线型关键点坐标。通过调用ABAQUS内置函数WirePolyLine、WireSpline分别建立分离式的预应力筋线型，完成预应力筋的几何布置。

依据PKPM所给出的预应力筋材料属性，本文选用可考虑拉压不等强的材料本构模型，并在ABAQUS中自动建立相应的材料模型参数。预应力筋的有效张拉控制力通过ABAQUS提供的降温法实现，数值按式（1）计算。

T：为要给预应力筋施加的温度；σ：为预加力施加后预应力筋达到的应力值；E：为预应力筋的弹性模量；α：为预应力筋的膨胀系数。

3.2 预应力构件的网格划分及节点方程约束

鉴于整体结构非线性分析计算工作量的合理性，预应力梁柱构件采用梁单元模拟，预应力筋采用杆单元模拟。为准确描述在构件全长内预应力筋和构件混凝土在横截面方向的变形协调特性，本文采用预应力筋单元与构件单元的节点就近原则对预应力筋进行网格划分，使得预应力筋单元节点和构件单元节点一一对应，并形成节点对。随后本文采用Equation方法耦合预应力筋单元与构件单元节点对的自由度，对于有粘结应力筋，耦合节点对的三个平动自由度，来描述预应力筋和混凝土的变形协调。对于无粘结预应力筋，耦合[7]构件端部节点对的三个平动自由度，中部节点对在横截面方向的两个平动自由度，来描述构件中部无粘结预应力筋和混凝土沿梁长方向的滑移状态。流程图见图2。

图2 Equation约束流程图

4 实例验证

为验证本文预应力结构建模思想的合理性以及程序编制的正确性，本文对PKPM软件设计的预应力结构模型进行转化，得到ABAQUS有限元模型。本文对PKPM和ABAQUS模型的结构质量、周期、振型结果进行对比，以验证预应力结构模型转换的正确性。模型的质量周期对比如表1所示，1-3阶振型图对比如图3所示。从图可以看到，结构在PKPM和ABAQUS中的前三阶振型，形态基本一致。

表1 PKPM模型与ABAQUS模型的质量和周期对比

图3 PKPM与ABAQUS结构模态分析图

5 结论

本文对PKPM预应力结构模型转换为ABAQUS有限元预应力结构模型的建模方法深入研究，获得如下结论：

①PKPM预应力结构设计模型的数据内容复杂且多源异构，必须采用合适的获取方式得到数据。基于PmID号与构件号进行数据匹配，能够实现预应力结构的几何模型信息、非预应力筋信息、预应力筋信息的数据融合。从而可形成预应力结构模型的完整信息。

②采用Equation约束方程，能够实现预应力筋桁架单元与构件梁单元的位移协调。该方法具有建模灵活、计算工作量少的特点，可通用于无粘结和有粘结预应力结构的建模与分析。

③采用Python语言编程调用ABAQUS内部函数库，在已有的建筑结构参数化建模软件PA-TRANS基础上开发预应力结构自动化建模模块，能够用于ABAQUS预应力框架结构有限元高效建模。

本文所述方法解决了预应力结构在通用有限元软件ABAQUS中建模复杂的问题，为进一步开展预应力结构非线性分析奠定了良好的基础。