基于Abaqus的隔震建筑弹塑性时程分析研究

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        由于PKPM中的FNA时程分析无法考虑材料非线性，因此对于特殊设防类隔震建筑在进行极罕遇地震作用下进行时程分析时，上部结构往往会发生较大的塑性变形，这种情况下，利用PKPM的FNA非线性时程分析无法较准确地反应结构的地震响应，因此需要借助有限元软件对结构进行弹塑性时程分析。本课程就针对PKPM中的模型如何快速导入Abaqus中进行弹塑性时程分析进行详细地介绍。

第一节 基于Abaqus有限元模型的建立

        通过上述工作已建立了隔震结构的PKPM模型，为了节约建模时间，直接利用盈建科的YJK转Abaqus接口软件建立基于Abaqus软件的分析模型进行弹塑性时程分析计算。YJK软件自带的接口软件使用说明中详细介绍了接口软件各参数的设置，我这里主要总结自己在使用过程中接口软件说明中没有提到的相关内容。具体建模步骤如下：

        第一步 PKPM模型转YJK模型（通过“PKPM转YJK接口”）

        首先将PKPM隔震模型另存为JWS文件，如果对应的YJK版本过低，还需存成旧版的JWS文件，从而匹配“PKPM转YJK接口”所能支持的版本。然后打开盈建科，在“PKPM转YJK接口”界面点击浏览，导入JWS文件，点击转换就完成了YJK隔震模型的建立。这里需要注意的是，转换成的YJK模型与PKPM模型相比，缺失计算参数的定义（风荷载信息、地震信息），缺失隔震支座的定义，因此需要在YJK模型中重新定义计算参数，重新定义隔震支座。（PKPM转YJK的方法有两个：1. 通过jwd文件转换，现用PKPM导出jwd文件，再将jwd文件导入yjk。2.通过yjk的接口程序进行转换，读取PKPM中JWS文件，如提示PKPM版本过高，需如下图另存为低版本PKPM文件。）

PKPM转盈建科接口

另存为低版本PKPM文件

     隔震支座在盈建科中的设置分为两步：1.节点属性-定义连接属性，创建与PKPM模型中隔震支座类型相对应的三种连接属性。2.节点属性-设置支座，选取第一步定义的连接属性，分别分配给相应的支座位置（注意要选择隔震支座所在层号）。

隔震支座属性设置

隔震支座布置

         如果需要在Abaqus模型中进行楼板的建模分析，还需要将盈建科模型中的所有板设置成弹性板，如下图所示。这样后续转入到Abaqus模型中的楼板网格是细分后的楼板网格，网格质量比较高，否则转入到Abaqus中的楼板不做网格细分，导致一个开间的楼板只有一个网格这种情况。

楼板属性修改

        第二步YJK转ABAQUS接口

        完成上述隔震支座和弹性楼板的定义之后，调整好计算参数，重新生成数据，进行计算，完成后退出模型进入到盈建科主界面点击Abaqus接口，选择上述创建好的盈建科工程文件，进入到YJK转Abaqus接口设置界面（前提是要安装Abaqus软件）。

YJK转ABAQUS接口

     

        在接口设置界面主要设定地震最大加速度和YJK地震波的路径，其他可采用默认设置，点击转换即可生成Abaqus弹塑性时程分析所需的inp文件，如下图所示。但是由于计算路径中包含中文，而Abaqus软件计算目录中不能包含中文，因此无法直接点击.bat文件进行运算。需要将下述文件全部复制到一个只有英文路径的位置，并注意要修改主文inp文件中的路径为相应新位置下的路径。然后双击Y.bat文件，Abaqus就会通过命令行窗口的形式自动执行计算，先用隐式求解器计算重力荷载作用下的静载分析，再将分析结果导入到显示求解器进行弹塑性时程动力分析。

接口生成文件

主inp文件的修改

第二节 接口软件生成文件说明与修改

     由于接口软件生成的文件某些参数无法直接在接口软件界面中设置修改，当需要修改时，需直接对生成的文件进行修改。本节首先介绍一下生成文件的种类和各自的功能，然后针对计算分析过程中所涉及的生成文件的修改进行详细介绍。

     运行接口软件之后生成的文件中，包括三类文件：inp文件， XXXX.bat和singleAba_YJK.pyc。inp文件是计算分析所需要的所有输入文件，集成了Abaqus前处理所有的操作，下图是官方接口软件对所有生成的inp文件的内容说明。

生成文件说明

        XXXX.bat文件是windows批处理文件，用来定义计算流程，针对某分析步调用响应的求解器，具体内容如下：

.bat文件内容说明

        Bat文件中只有三行命令，分别表示1.重力作用下静力分析步调用隐式求解器分析；2.地震作用下的动力分析，调用显式求解器分析；3.调用singleAba_YJK.pyc（python代码）做后处理，提取楼层剪力、弯矩数据。其中为了计算速度快一些，我将cpus核心数改为6。（修改1）

       另外，结果文件中的输出数据的定义，是在XXX_xpl.inp中完成定义的，接口界面无法对输入的数据进行修改，默认的输出如下图所示，因分析需要，我增加了所有节点的位移、速度、加速度的输出，还有所有单元的应力、应变、塑性应变的输出。（修改2）

原始XXX_xpl.inp文件

       在盈建科转abaqus接口生成inp文件后，由于有中文路径的原因往往不在所在文件夹进行计算，当拷贝到其他路径进行计算时要注意修改 工程名.inp文件中File路径，否则的话依然默认的是盈建科模型所在路径的对应文件，如下图所示：（修改3）

原始主inp文件（工程名.inp）

       上述所修改的内容是进行计算分析前就能发现并修改的部分，下述修改的内容是我分析结束后，发现结果不理想然后逆推找到的需要修改的部分。

        接口程序对于典型梁柱板的处理非常成熟，并不需要修改，针对本模型主要需要修改的部分是隔震支座的定义。在盈建科模型里定义了支座之后，转换成Abaqus模型后支座为connect单元。首先在盈建科中定义模型支座属性的时候要注意，数据库中默认的属性只有等效刚度，初始刚度处数据为0，需要补全，否则在转换成Abaqus模型之后会出现导致约束不够的情况，具体定义方式如下图所示：（修改4）

  

盈建科中隔震支座属性定义

 

        按照上述要求在盈建科中定义好支座参数后，转换成inp文件中对于connect单元的定义如下图所示，可见，对于隔震支座的竖向非线性，直接用表格数据来定义，对于水平非线性，是通过定义屈服力和屈服后的刚度来实现。但需要注意的是，转换后的inp文件只对三个方向上的平动自由度进行了定义，没有定义转动自由度，这样会导致结构在较大地震作用下支座发生倾覆，力学行为与实际不符。因此需要定义三个方向上的转动自由度，从而保证支座不会发生倾覆，具体定义方式如下（修改5）。

原始工程名_element.inp文件

  

第三节 模型导入Abaqus前处理      

    通过上述对生成文件的定义和修改，可以直接运行.bat进行分析并得到合理的结果。如果想要将模型导入到Abaqus前处理GUI界面进行操作，可以通过File-import-工程名.inp，导入模型的过程中会在命令行出现下述warning，不过不必担心，只是无法生成element set，并不是没有导入质量源，不影响计算结果。

导入时的warning

       导入的模型如下图所示：

导入模型示例

       PKPM中结构总质量 7237 t，Abaqus中结构总质量7296 t。经模态分析后发现导出的模型，无支座模型比盈建科周期长，有支座模型比盈建科模型周期短。无支座模型已经经过验证，如果采用刚性楼板假定，结构刚度会很刚，周期立马缩短。但是有支座模型的即使采用刚性楼板假定，对周期影响也很小。周期明显短的原因是盈建科模型在计算周期时候，采用的等效刚度。

第四节 结果文件的读取

       在运行.bat文件后，以命令行窗口的形式显式当前的计算进度，计算完成后，如下图所示。所在目录中生成的结果文件包括：工程名.odb，工程名_xpl.odb和Post-工程名_xpl文件夹，分别代表重力静载作用下隐式计算的结果、地震作用下显式计算弹塑性时程动力分析结果和提取楼层剪力、弯矩数据。可以导入到Abaqus中进行后处理。

计算过程

    楼层剪力和楼层弯矩存储在Post-工程名_xpl文件夹中的Accel.fat和Accel.mat文件中。另外，盈建科转Abaqus接口中梁柱单元的钢筋均通过截面面积相等的钢梁单元等效，，同一位置的梁和柱，有两种梁单元，一种为混凝土单元（矩形截面），一种为钢筋单元（箱型截面），所以在后处理中可以单独提取钢筋单元的应力应变。接口软件会将钢筋单元和混凝土单元单独建立set，根据set命名可以判断代表的单元类型。如下图所示，以PART-1-1.B-JX-28和PART-1-1.B-XX-1为例，B代表beam，JX代表混凝土单元，XX代表钢筋单元。