第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文2014年 NosaCAD多尺度建模功能开发与应用 吴晓涵，来少平，刘亮 （1.同济大学结构工程与防灾研究所，上海200092：2.奥雅纳工程咨询（上海）有限公司，上海200021) 提要：本文通过在NosaCAD中添加实体单元的建模功能以及结点相互耦合的几何实体，实现结构的多尺度建模.
NosaCAD借助AutoCAD的图形编辑功能，为复杂结构的多尺度建模和编辑修改提供了高效便捷的条件，利用原有 NosaCAD的ABAQUS模型生成模块，生成ABAQUS的多尺度模型，并进行弹塑性时程分析计算.
本文在试验和 计算模型对比分析验证所建立的多尺度模型合理性和正确性的基础上，给出了几个工程实例的多尺度分析应用实 例，验证了多尺度模型的建模和分析的有效性和可应用性.
关键词：多尺度：有限元分析：界面连接：抗震性能：弹塑性时程分析 1概述 随着经济的发展和工程技术水平的提高，建筑在功能与关观等方面日新月异，建筑结构形态日趋复杂， 与此相对应的复杂节点、复杂构件和不同构件的连接方式的多样性也在不断出现，结构设计难度的增大导 整体结构的宏观模型分析中，梁柱节点处的破坏主要通过定义塑性铰模型来实现，此种方式无法直接反映 节点破坏、结构破坏的微观机理以及构件的局部失稳破坏等，目前，对于某些受力比较复杂的节点和构件， 工程设计人员往往是把它们抽离出整体，通过整体分析得到的边界情况，对结构局部进行精细化模型受力 分析或试验分析，但在一些荷载工况下，如地震等动态荷载作用，构件的边界条件不能有效的模拟.
如果 在整体结构中大范围采用精细化模型，目前的计算机处理能力则无法承受，而多尺度模型可在精细化分析 要求与计算机处理能力限制两者之间得到权衡.
目前，建筑结构的多尺度分析需要解决两大主要问题，第 一个问题也是影响工程应用效率的关键问题，即建模速度与计算速度：第二个间题是如何保证不同尺度模 型之间界面连接的合理性.
本文通过在NosaCAD中添加实体单元的建模功能以及结点相互耦合的几何实体，来实现多尺度的建 模.
借助AutoCAD的图形编辑功能，为复杂结构的多尺度建模和编辑修改提供高效便捷的条件，利用原 有NosaCAD的ABAQUS模型生成模块，生成ABAQUS的多尺度模型，并动力弹塑性时程分析.
论文最 后给出了几个工程实例的多尺度分析应用.
2NosaCAD多尺度建模和模型验证 2.1NosaCAD多尺度建模 NosaCAD本身具有复杂结构整体建模和弹塑性计算分析功能，并提供了常用结构分析软件的转换接 口（图1)，本文在此基础上增加了实体单元和结点相互耦合的几何实体，实体单元用来实现重要构件或构 件部分的精细建模，对于很复杂的构件实体，先在NosaCAD或AutoCAD中建立构件几何实体，以ACIS 格式进行保存并导入HYPERMESH软件，借助HYPERMESH对复杂构件实体划分网格.
HYPERMESH 是功能很强的有限元模型网格划分软件，复杂的构件几何实体都可在HYPERMESH中较方便地进行有限 元模型网格划分.
HYPERMESH中划分完成的局部构件有限元模型，再被导入NosaCAD中，在NosaCAD 中进行弹塑性属性赋值，并与整体模型进行组装，由于AutoCAD中模型实体的平移、旋转和复制等处理 作者简介：吴晓涵（1964一），男，工学感士，副教授
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 非常方便，可较容易地实现局部精细化有限元模型与整体模型的连接.
局部精细化模型与杆单元或板壳单 元的模型的连接，即不同尺度模型的连接，由结点间的耦合关系来设定.
在NosaCAD中添加可联系和显 示结点间耦合关系的实体，由结点间耦合实体进行结点间耦合关系的设定（图3)，耦合关系实体与其他 AutoCAD图形实体具有相似特性，也可进行平移、旋转和复制等的图形编辑操作，可为复杂和规模较大的 结构的多尺度建模提供很大便利.
由于NosaCAD提供了与其他常用结构分析软件的转换接口（图1)，能为 需要进一步进行局部精细化分析的结构模型提供条件.
所建立的多尺度模型，由NosaCAD导入ABAQUS，在ABAQUS 中进行弹塑性时程分析计算，图2 为多尺度模型建模的流程.
PKPM SAP2000 ETABS MIDAS NoaCAD NosaCAD 建立整体宏观模型 建立局部精细化模型 SATWE2010 SAP2000 查 查 MIDAS NesaCAD 宏观模型和局部精细 结点属合实体 化模型拼装连接 HYPERMESH NosaCAD RHINO 业 杆单元 业 ABAQUS ABAQUS PERFORM-3D 弹量性时程分析 图1NosaCAD与其他软件转换模块 图2多尺度模型建模流程示意图 图3不同尺度模型连接示意图 2.2多尺度模型验证 首先通过一根钢管柱的压弯试验模拟来验证多尺度模型及界面连接方式的合理性，矩形钢管柱几何尺 寸为：长3000mm，截面为400mmx400mmx24mm.材料采用Q345，双折线模型，初始弹模为206GPa， 屈服后弹模取为初始弹模的1%.
建立的4个有限元模型如图4所示.
模型1 模型2 模型3 模型4 图4钢管柱有限元模型 模型采用三种不同方式进行加载：（1）柱顶水平位移控制的单向加载，最大位移50mm：（2）柱顶水平 位移控制的反复加载：（3）柱顶动力加载，体系阻尼比取0.035，输入水平单向Elcentro（东西）地震波20s.
在三种不同工况加载下，四个模型的计算结果差距均控制在5%内，满足工程应用要求，且从图6可 以看出多尺度模型3和4的应力分析结果与壳单元模型1分析结果吻合较好，连接处并没有出现应力集中 现象，连接耦合方式表现较好，说明壳单元与杆单元的连接符合平截面假定且能保持不同尺度间的位移协 调.
第二个验证模型为一钢框架分析模型，钢框架结构主要参数有：柱距：5000mm：层高：3000mm：箱型 钢柱尺寸：高宽均为400mm，厚度为10mm：工字型钢梁尺寸：翼缘为300mm，腹板为500mm，翼缘和 腹板厚度均为10mm.
由NosaCAD将三种不同尺度模型进行建模和组装并生成ABAQUS模型，壳单元采
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 用S4R，梁单元采用B31.
箱型钢柱以及工字型钢梁均采用双折线弹塑性模型，钢材屈服强度为345Mpa， 初始弹性模量为206Gpa，屈服后降为初始弹性模量的1%.
不同尺度计算模型如图9所示.
对三种不同尺 度模型在ABAQUS中进行整体的模态分析，计算得到结构的前三阶周期，表1所列.
899 700 600 500 409 Modal_01 300 Model_2 200 100 Model_03 Model_04 10 20 30 40 50 模型1 模型2 模型3 模型4 图5 加(1)P-△曲线 图6加戟(1) Von mises 应力云图 1000 800 600 400 50 Mode_01 20 40 Model_02 30 Model_03 -50 o 30 50 unuV 29 = Model_04 Model_ot Model_a2 10 -800 ** Mode_03 0 -1000 = = Model_04 -10 mm -20 T/s 图7加(2）滞回曲线 图8加载(3）时程分析结果 （1）杆系模型 （2）多尺度模型 (3）全细化模型 图9框架不同尺度计算模型 根据表1结果分析可知，多尺度模型计算得到的周期与杆系单元模型和壳单元模型最大相差不超过
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 4.5%，且计算结果除第一阶周期基本介于杆系单元模型和全细化模型之间.
对不同尺度模型进行弹塑性时程分析计算，地震波幅值取350mm/s²，间隔0.02s，持时30s，模型地震 反应水平位移图10所示.
地震波作用下，三种模型的整体反应基本一致，框架中柱底部反力最大误差不超过2%，各尺度模型 的整体属性基本一致.
根据以上分析，多尺度模型所得到的计算结果符合要求，界面的连接方式可以满足工程应用上的整体 指标和局部性能细化分析精度要求.
表1不同尺度模型周期 12 光单元模型 模型 f 周期（s） 杆单元 多尺度 全细化 第一阶周期 10 0.6931 0.6962 第二阶周期 0.3581 0.3752 660 第三阶周期 0.1927 0.2164 0.2183 间/ 15 3 图10各模型监测结点X向位移时间曲线（绝的位移） 3工程应用实例 3.1应用实例一 某结构整体模型如图11所示，该结构为一立面呈倒4形的不等高双塔连体结构，主副塔楼均采用钢 框架-混凝土核心筒结构，主塔地上25层，高100m，副塔地上12层，高48m，该结构为存在多项超限的 连体结构.
副塔从2层楼面开始向外设斜柱逐层悬挑，并在9层最外端设置转换梁托上部4层柱，本文取 此处一受力复杂节点进行多尺度分析计算，节点模型如图12所示.
节点精细模型 图11结构整体模型 图12节点模型 图13节点Von mises 应力云图 在钢框架结构中，杆系模型与壳体模型模拟实际情况的区别在于是否能够考虑剪切域变形.
该节点柱 1与柱2间的转换钢梁剪跨比较小，以剪切变形为主，因此有必要进行精细化建模的多尺度计算分析.
节点处构件尺寸如下：杆件1、6，RHS400x400×24，Q345：杆件4，5，7，8，H200x500×10x16， Q235：杆件2，RHS300x300×12，Q345：杆件3，H300x700x13×24，Q235. 本文地震波采用Elcentro波三向输入20s，其中结构X向与Y向分别采用EW与NS分量，X向加速 度最大峰值取2200mm/s².
计算采用显示动力分析，多尺度模型计算时间仅比宏观模型稍有增加，增幅不
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 到5%.
节点最大应力出现在第12.48s，Vonmises应力云图如图13所示.
节点处钢材在大震下均未进入塑 性状态，最大应力出现在柱1与柱2间钢转换梁腹板处，说明此梁在实际地震作用下确实以剪切变形为主.
图14给出了两个计算模型关于柱1顶X向与Z向位移响应的比较，图15给出了两个模型柱1的轴力 时程比较.
根据图14可见多尺度模型与宏观模型相比，在非线性动力时程分析时对邻近结点的位移影响 较小，位移时程吻合较好.
图15中两模型轴力变化也基本接近.
300 宏观模型 80 宏观模型 250 多尺度模型 多尺度模型 1 007 位移 150 20 100 0 X向 50 -40 -4 -50 6 11 16 21 60 时间s -80 时间/s 图14柱1顶位移响应 100 100 -100 -100 -300 500 500 -300 力 700 700 力 -900 -900 -1100 -1300 1100 时间 宏虎模型 1300 时间 宏型 -1500 多尺度模型 -1500 多尺度模型 图15柱1轴力 3.2应用实例二 某工程项目由于建筑需要，底部4层为圆形钢管混凝土柱，截面为Φ2800mmx70mm，其上为方钢管 混凝土柱2400mmx2400mmx66mm.
该区域钢管选用钢材Q345GJC，内部混凝土等级为C80.
原方案想把 方钢管插入圆钢管柱，但这样势必会使圆钢管柱截面做的很大，直径由2800mm增大为3400mm，既不经 济，传力也不直接，因此采用了圆形到方形自然过渡.
为确保传力可靠安全，需进行节点有限元分析.
单独分离的节点有限元分析不能很好的反映节点在地震作用下的响应与内部损伤情况，而多尺度动力 分析正好弥补了该点不足.
因此本节将针对该圆变方节点（天方地圆节点）进行多尺度动力时程分析，以 反映节点在动力作用下的响应与内部损伤，为设计提供判断依据.
在ABAQUS中，钢管与加劲肋采用S4单元，材料选用二折线模型，屈服后弹性模量取为初始弹性模 量的1%：混凝土采用C3D8I单元，材料选用ABAQUS自带的塑性损伤混凝土模型：杆单元采用B31单 元，纤维模型：剪力墙与楼板采用S4R单元.
钢材与混凝土之间的连接方式采用共结点的形式，实体模型 的网格划分如图16(2）和图16(3）所示.
地震波输入采用震泰人工波.
主方向X向加速度最大峰值取2200 mm/s².
计算采用显式动力分析，多尺度模型计算时间仅比宏观模型稍有增加，增幅不到5%.
天方地圆节点混凝土损伤和钢管、加劲肋Vonmises应力见如图17和图18所示.
钢管混凝土外部钢 管最大Vonmises应力发生在水平加强环连接处和矩形钢管截面的四个角部，少部分钢管已经入塑性：内 部加劲肋中水平加劲肋的应力较大，内环几乎钢材都已屈服.
从图中可以看出水平加强环对混凝土起到了很好的约束作用，在水平加强环周围的混凝土受压与受拉 损伤因子均比周边混凝土要小，但水平加强环自身受力较大，内部钢材出现屈服：圆变方钢管混凝土节点
