基于ABAQUS高层结构施工过程模拟分析

刘明洲　仝宗良

(1.中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东 青岛　266071;2.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州　510230)



基于ABAQUS高层结构施工过程模拟分析

刘明洲1仝宗良2

(1.中国石油工程建设公司华东设计分公司，山东 青岛266071;2.中交四航工程研究院有限公司，广东 广州510230)

基于INP文件建模的方法，利用ABAQUS有限元软件的“生死单元”功能，模拟了高层结构施工过程，并通过某一算例简述了INP文件的编写过程，将计算结果与传统的结构一次加载法的计算结果作了对比，指出对高层结构进行考虑施工过程模拟分析是十分有必要的。

高层结构，INP文件，ABAQUS,施工模拟

1　概述

高层结构是由逐层施工建造完成的，其竖向荷载和竖向刚度矩阵随着楼层变化而变化。如图1所示的方法比较符合结构的施工过程和实际的受力情况，因此，能够准确的反映出高层结构竖向荷载效应的变化，我们把这种分析方法称为精确施工模拟法[1]。

图1　精确施工模拟法

本文采用ABAQUS有限元软件的“生死单元”功能来模拟高层结构施工的动态过程。在ABAQUS的INP命令流文件中，通过关键词“*MODEL CHANGE，REMOVE”“杀死”施工过程中还没有建造的单元；而通过关键词“*MODEL CHANG，ADD”“激活”施工过程中正在建造的单元[2，3]。下文将阐述如何在ABAQUS中实现高层结构的施工过程模拟。

2　ABAQUS中高层结构施工模拟的实现过程

INP命令流文件由模型数据和历史数据两部分构成。模型数据的作用是定义一个有限元模型，包括节点、单元、材料属性等；历史数据定义的是事情的进展，模型响应的载荷，历史被分成一系列的时间步。INP文件必须以一个*Heading开头引领整个文件，其他关键词也必须以*开始，后面接相应的选项名字和选项内容以及所需的数据行[4-7]。

本文通过编写INP文件建立高层结构分析模型，设置分析步来实现高层结构的施工过程模拟，主要的建模过程及分析过程所对应的命令流如下所示：

1)INP文件开头。

*Heading

*Preprint,echo=NO,model=NO,history=NO,contact=NO

2)定义模型的节点和单元信息。

*Node

1，0，0，0

……

*Element， type=B31

1，1，2

……

*Element， type=S3(S4)

1，11，12，13，(14)

……

3)定义材料和截面，赋予材料属性。

*Material,name=C35

……

*Beam Section,elset=JZ,material=C45,temperature=GRADIENTS,section=RECT

……

*Shell Section,elset=JLQ-300,material=C50

……

4)模型组装。

*Assembly,name=Assembly

*Instance,name=Part-1-1,part=Part-1

*End Instance

5)定义施工楼层，方便模拟施工顺序。

*Elset, elset=EXT1

1,2,3,4,5,6,7,24,25,57,58,76,77,78,

*Elset,elset=INT1

8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23

6)定义边界约束条件。

*Boundary

_PICKEDSET4, 1, 1

……

7)生死单元法模拟施工过程。

*Model Change,remove

_PICKEDSET5,

*Model Change,add

Part-1.INT2,

根据具体的施工情况，要杀死的单元集合采用关键词*Model Change，remove；如果要激活单元就采用关键词*Model Change, add。因此，利用生死单元方法可以准确的模拟高层结构的施工过程。

3　算例

3.1工程概况

某钢框架—混凝土核心筒结构，共36层，总高度为136.8 m，层高3.8 m，如图2所示，外围框架由4根截面尺寸为2.8 m×2.8 m的巨型型钢混凝土柱构成，混凝土采用C45，核心筒厚度分别为300 mm，600 mm，900 mm，混凝土采用C50，楼板厚度为200 mm，混凝土采用C35，连梁的混凝土采用C40，钢材采用Q345，结构平面图如图3所示。

图2　三维有限元模型　　　　　　　图3　结构平面图　

3.2分析方法

本文采用以下两种分析方法：1)结构一次加载法；2)精确施工模拟法，根据施工安排及进度，混凝土核心筒超前施工6层，核心筒一层7 d施工完成，外围钢框架一层6 d施工完成。

3.3计算结果与分析

对比结构一次加载法和精确施工模拟法的计算结果，得到A点型钢混凝土柱、B点核心筒的竖向变形以及竖向变形差(B点-A点)分别如图4～图6所示。

从图4可以看出：结构一次加载法得到的A点型钢混凝土柱的竖向变形明显偏大，且竖向变形随着楼层的增加呈递增趋势，在最高层达到最大值；精确施工模拟法得到的A点型钢混凝土柱的竖向变形随着楼层的增加呈现出先递增后减少的趋势，最大值出现在结构中间某一层。从图5可以看出：结构一次加载法和精确施工模拟法得到的B点核心筒的竖向变形曲线变化趋势与A点型 钢混凝土柱的竖向变形曲线变化趋势是一致的。从图6可以看出：变化趋势同图4，图5，两种分析方法中，B点核心筒的竖向变形都要比A点型钢混凝土柱的竖向变形大。

图4　A点型钢混凝土柱竖向变形　　　图5　B点核心筒竖向变形

图6　竖向变形差(B点-A点)

4　结语

本文主要介绍了利用生死单元法在有限元软件ABAQUS中模拟高层结构的施工顺序及过程，以及INP数据文件的命令流编写格式和要点说明；对比分析了结构一次加载法和精确施工模拟法两种计算方法对某钢框架—混凝土核心筒结构竖向变形的影响。在精确施工模拟法中考虑了施工顺序以及混凝土核心筒超前施工对结构竖向变形和内力的影响，因此计算结果比较准确，对实际高层结构的施工过程有一定的指导作用。

[1]毛蓉萍.建筑结构竖向荷载下施工模拟计算[J].工程力学(增刊),1997(A02):709-712.

[2]ABAQUS6.10 Documentation:Abaqus Keywords Reference Manual[Z].

[3]ABAQUS6.10 Documentation:Abaqus Analysis User’s Manual [Z].

[4]王玉镯，傅传国.ABAQUS结构工程分析及实例详解[M].北京:中国建筑工业出版社,2010.

[5]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].北京:机械工业出版社,2006.

[6]曹金凤，石亦平.ABAQUS有限元分析常见问题解答[M].北京:机械工业出版社,2009.

[7]张建华.ABAQUS基础入门与案例精通[M].北京:电子工业出版社,2012.

Analysis of construction process simulation of high-rise structure based on ABAQUS

Liu Mingzhou1Tong Zongliang2

(1.EastChinaDesignBranch,ChinaPetroleumEngineeringConstructionCompany,Qingdao266071,China;2.CCCCFourthHarborEngineeringResearchInstituteLimitedCompany,Guangzhou510230,China)

In this paper, using “birth-and-death elements” of the large finite element analysis software ABAQUS can implement simulation of the construction process of high-rise structure based on the modeling approach of INP files. The command stream compiled of INP files is introduced with a high-rise structure. The analysis result, comparing with that calculated by the load method of traditional structure, indicates that it is very necessary to carry out the analysis considering construction process for a high-rise building structure.

high-rise structure, INP files, ABAQUS, construction simulation

1009-6825(2016)21-0059-02

2016-05-17

刘明洲(1988- )，男，助理工程师

TU973

A