Midas Gen To SAP2000模型转换技术在铁路站房工程中的应用

沈 磊，李敬学，陶 勇，彭俊

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

Midas Gen To SAP2000模型转换技术在铁路站房工程中的应用

沈 磊，李敬学，陶 勇，彭俊

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

基于SAP2000软件开放的API技术，利用C#语言结合面向对象编程的思想，编制了Midas Gen To SAP2000有限元模型转换软件，并探讨了模型转换的关键技术。通过在相关铁路站房工程实例的应用，证明了程序的高效性及可行性，也表明该转换技术对于类似工程实践有良好的借鉴作用。

铁路站房；模型转换；SAP2000API技术；Midas Gen

近年来高速铁路发展迅速,随着新技术、新产品和新工艺的应用,铁路客运站房的结构形式也日趋复杂多变。如何高效、准确的对复杂结构建模进行设计分析成为结构设计领域的热点问题。

《建筑抗震设计规范》(GB50011―2010)对复杂结构在多遇地震作用下的内力和变形分析要求应采用不少于两个合适的不同力学模型,并对其计算结果进行分析比较［1]。

通用有限元软件Midas Gen及SAP2000在铁路站房结构设计中已经得到了广泛的应用,Midas软件以其灵活的操作方式、友好的界面,成为结构模型对比分析的首选,而SAP2000以其强大的计算内核及分析功能成为结构设计的必选［2]。但由于目前两种有限元分析软件彼此数据不兼容,当采用两种软件进行铁路站房结构对比分析时,有关模型信息只能重新建模或手动操作Excel进行添加、修改,工作量较大并且容易出错,导致结构分析工作量的陡然增加,而模型转换软件的编制可以大大减轻结构设计人员工作量,提高建模的可靠性［3]。

本文基于SAP2000软件开放的API技术,利用C#语言结合面向对象编程的思想,编制了Midas Gen To SAP2000有限元模型转换软件,实现了站房结构模型由Midas Gen向SAP2000的快速高效转换。

1 模型转换关键技术

Midas GEN TO SAP2000转换软件包括2个模块: Midas Gen模型文件mgt读取模块及SAP2000建模模块。程序开发的总流程如图1所示,具体解释如下:

图1 程序总流程

(1)调用读取Midas Gen软件的模型数据*.mgt文件模块,对需要转化的节点、单元、截面、荷载、节点约束、单元释放等信息进行存储；

(2)通过SAP2000软件所提供的API函数建立有限元分析模型,依次将读取的Midas Gen模型数据文件中的节点、单元、材料、截面、荷载、节点约束等信息在SAP2000模型中建立；

(3)模型转换完毕,程序结束。

Midas Gen软件的模型数据mgt文件读取模块流程如图2所示。

SAP2000建模模块流程如图3所示。

本次程序编制过程中,面向对象编程思想的应用、mgt文件读取模块中对于Midas Gen文本命令流的识别与读取、Midas Gen与SAP2000在功能上的差异及处理方法、SAP2000建模模块中SAP2000API函数的调用是关键及难点。

1.1 面向对象的编程思想

传统的程序设计一般采用结构化的程序设计方法和结构化语言(如FORTRAN),其程序的扩展能力有限,代码的重复利用率低,调试复杂。面向对象的程序设计,由于程序具有封装性、继承性和多态性等优点,使得程序设计概念清楚,调试容易,代码的重复利用率高,能实现一些用传统方法无法实现的功能,是现代程序设计的主要方法之一。

图2 mgt文件读取模块

图3 SAP2000建模模块

对于有限元结构模型,节点、单元、材料、荷载等内容是其重要组成部分,如何通过有效的数据组织及读取是本文亟需解决的问题。本文采用面向对象编程思想设计的节点类代码:

class node//节点类

｛

private double_m_nx,_m_ny,_m_nz；//坐标

private string_m_nid；//节点id

private string m_node_constraint=″″；//约束

public double m_nx//定义坐标x属性

｛set｛_m_nx=value；｝

get｛return_m_nx；｝

｝

public double m_ny//定义坐标y属性

｛set｛_m_ny=value；｝

get｛return_m_ny；｝

｝

public double m_nz//定义坐标z属性

｛set｛_m_nz=value；｝

get｛return_m_nz；｝

｝

public string m_nid//定义节点ID属性

｛set｛_m_nid=value；｝

get｛return_m_nid；｝

｝

public string m_node_constraint//支座属性

｛get｛return_m_node_constraint；｝

set｛_m_node_constraint=value；｝

｝

｝

与此类似,程序中构造了单元类、材料类、截面类、荷载类等,利用面向对象的继承、重载等思想可以高效的解决数据的存储问题。

同时,在存储效率上对于大型的结构分析模型,选择哈希表(hashtable)这种数据结构来存储结构几何信息、材料信息、荷载信息等,比用传统的数组来存储更灵活、更高效,尤其是需要多查找操作的问题上。

1.2 Mgt文件识别技术

Midas Gen软件的模型数据mgt输出文件包含了节点信息、杆件关联号、杆件截面信息、杆件BETA角、杆端约束信息、面单元关联号、面单元厚度信息、支座约束信息以及荷载信息等。

在SAP2000中建立一个完整的frame单元,需要从Midas Gen模型文件mgt中读出节点坐标、杆件关联号、杆件BETA角、约束信息、杆件截面名等,典型的mgt文件命令流格式［4]如表1所示。

表1 Midas输入/输出文件格式

mgt文件的识别主要存在以下难点:

(1)允许命令行之间有空行和注释行,注释行以“；”开头,注释行中可以有命令,所以在二次开发工作中,发现注释行中的命令时要忽略,以免造成误判。

(2)命令行前面允许有空格,空格数目不限。

(3)命令中经常会有“to”或“by”出现,需要对这几个关键字进行解析,避免遗漏信息,比如:“1to21 by5”的命令,表示只考虑编号为“1,6,11,16,21”这5个对象的相关信息

(4)有些命令格式是两行或者不定多行,需要对mgt文件进行换行及定位处理,以免转换信息不准确。比如荷载组合comb1的荷载组合就包括两行。

NAME=comb1,GEN,ACTIVE,0,0,,0,0

ST,d1,1,ST,l1,1,ST,d2,1,ST,l2 1

ST,dl3,1,ST,ll2,1,

(5)有些命令一定会出现在各个模型的输入文件中,比如描述节点坐标和杆件关联号的命令,而有些命令就不一定在每个模型中都出现,比如:“*THICKNESS”和“*CONLOAD”等。

读取文件,可以采用C号的iostream类读取,字符串类string中有足够丰富的函数来对mgt输入文件中的信息进行解析。

对于(1)问题可以在利用mgt文件的模块化特点,利用*command定位,分块完成相应模块的读取。

对于(2)问题可以采用string类的trim()函数将空格去掉。

对于(3)问题采用RegularExpressions类的正则表达式识别来进行。例如:@″d+［t]［o]d+［b]［y] d+″,就可以识别字符串是否为to by的格式。

对于(4)问题可以采用对mgt的换行处理,将复杂的多行转换成单行,然后再进行字符的识别。

对于(5)问题采用将典型命令进行定位的处理方式,进行准确定位后再进行内部详细的命令识别与读取。

1.3 SAP2000的API技术

SAP2000从V11.0版本之后,开始引进了API (Application Interface程序应用接口),用户通过编写程序利用API调用SAP2000的内部功能,实现模型的自动创建,自动分析和自动结果输出［4-6]。

与表1中Midas Gen软件常用的mgt命令相对应的SAP2000API常用函数如表2所示［8]。

1.4 Midas Gen与SAP2000差异

由于Midas Gen与SAP2000程序的差异性,模型转换软件在编制过程中,考虑到了以下在功能上的不同点:

表2 SAP2000API常用函数

(1)Midas Gen可以方便的点选节点定义其范围内所有楼面荷载,按照单向或者双向板传力给框架梁柱,在SAP2000中无此对应功能,因此在转换之前需要将Midas软件的楼面荷载转换成梁单元荷载进行转换；

(2)在Midas Gen中定义荷载名称及荷载组合名称时,应尽量采用英文或拼音方式,SAP2000目前不允许采用中文定义的荷载模式及荷载组合名称；

(3)Midas Gen与SAP2000杆件默认的局部坐标系不同,如图4所示,两种软件绕X轴相差了90°转角,在模型转换时,当杆件上作用有局部坐标系下的荷载时,需要注意杆件的坐标轴方向问题；

图4 Midas Gen与SAP2000杆件局部坐标

(4)在Midas Gen中截面与材料不存在对应关系,即一种截面可以定义多种材料,但在SAP2000中截面与材料是一一对应的关系,因此在Midas Gen中定义截面时应尽可能的一种截面对应一种材料；

(5)Midas Gen软件中可以直接定义钢骨混凝土、钢管混凝土等复合截面,SAP2000中不能直接定义复合截面,需要利用截面设计器定义复合截面,程序编制时提供了钢骨混凝土、圆形钢管混凝土、矩形钢管混凝土等常见复合截面的定义功能；

(6)Midas Gen在计算周期振型时,采用的质量源自重是按照模型中构件的实际材料自重及体积计算而来,而SAP2000在计算质量源时会考虑相应恒载工况自重系数的放大,因此可能出现两种计算软件所计算的周期振型出现相差较大的情况；

(7)Midas Gen模型对于钢与混凝土组合截面默认刚度折减0.8系数,在SAP2000的截面设计器中默认不对钢与混凝土组合截面进行刚度折减,当模型中竖向构件采用钢与混凝土组合截面时应注意修改相应的折减系数。并且,目前按照组合结构设计规程,钢与混凝土组合截面刚度应为直接叠加；

(8)从某种意义上来说,Midas Gen软件也是一种具有层概念的模型,但考虑到在SAP2000软件中不具备层的概念,因此Midas Gen中所定义的楼层在本次软件编制过程中不予以考虑。

2 工程实例中的应用

为测试软件的转换效果,选取铁路某钢结构雨棚、某中型站房结构的Midas模型进行转换,将转换后的SAP2000模型与Midas模型同时进行计算,比较其分析结果,进一步判断其转换效果。

2.1 钢结构雨棚

选取某钢结构雨棚结构进行模型转换前后的对比分析,转换前后的Midas Gen模型与SAP2000模型如图5所示。

图5 模型对比

几何及材料截面信息对比如表3所示,由于在SAP2000软件中,不存在析架单元,将Midas模型中的析架单元采用考虑单元端部刚度修正的梁单元进行模拟。

表3 几何信息对比

节点总反力对比如表4所示。

表4 节点总反力对比

周期对比如表5所示。

表5 周期对比

振型对比如图6～图8所示。

图6 第一阶

图7 第二阶

图8 第三阶

特殊截面的对比如图9所示,本软件具有转换Midas Gen模型中的钢骨混凝土、圆形矩形钢管混凝土等复合截面的功能,可以自动地利用SAP2000的截面设计器功能建立复合截面。

图9 钢管混凝土截面转换

2.2 站房结构

选取某中型站房结构进行模型转换前后的对比分析,该结构上部为钢结构网架,下部为混凝土结构,转换前后的Midas Gen模型与SAP2000模型如图10所示。

几何及材料截面信息对比如表6所示。

表6 几何信息对比

图10 模型对比

节点总反力对比如表7所示。

表7 节点总反力对比

周期对比如表8所示。

表8 周期对比

振型对比如图11～图13所示。

图11 第一阶

图12 第二阶

图13 第三阶

通过对钢结构雨棚、站房结构模型的几何信息、节点反力及周期、振型、复合截面等对比可以发现:所选铁路站房结构的Midas Gen模型向SAP2000转换的效果较好,转换前后模型振型形态完全一致,恒活载工况下(质量源)的节点总反力相差在1%之内,满足工程精度需要,表明模型转换软件达到预期目标。

3 结论

软件编制过程中,通过测试发现和解决了软件的不足之处,也使得软件更加高效,本次软件编制得出如下结论。

(1)通过对铁路站房结构、铁路雨棚结构等结构的模型转换测试,证明了Midas Gen To SAP2000模型转换软件的可行性及高效性。将Midas Gen To SAP2000模型转换软件应用于实际工程设计中可以大大节省建模时间,并能保证所建模型的一致性和正确性。

(2)本软件编制过程中所采用的面向对象编程思想、对Midas Gen文本文件mgt的识别读取方法、以及SAP2000的API功能函数的使用是本次软件编制过程中的关键技术,这些软件编制思想也可以为其他软件模型转换时所参考应用。

(3)由于Midas Gen与SAP2000在程序功能上的

差异,对于可以考虑变通方法处理的Midas Gen To SAP2000模型转换软件已经考虑变通处理,此外对于Midas Gen软件中层概念、基于楼层风荷载定义及施加、针对设计的墙单元等功能,在SAP2000中无法实现,在软件编制过程中也暂未考虑。

［1] 中华人民共和国住建部.GB50011―2010建筑抗震设计规范［S].北京:中国建筑工业出版社,2010.

［2] 卜伟斐,胡继超.浅析SAP与Midas软件在结构设计中的应用［J].长春工程学院学报:自然科学版,2011,12(4):10-12.

［3] 张月强,焦春节,丁洁民.复杂高层结构从SAP2000到ABAQUS模型转换的关键问题及软件开发研究［J].建筑结构,2013,43 (6):54-57.

［4] 北京迈达斯技术有限公司.Midas Gen工程应用指南［M].北京:中国建筑工业出版社,2012.

［5] 林述涛,李立.SAP2000 API的功能及应用介绍［J].建筑结构, 2007(B09).

［6] 陈庆军,谢小东,郭金龙,等.利用.NET平台及SAP2000 API实现空间杆系结构的蒙板功能［J].空间结构,2012,18(2):63-69.

［7] 北京金土木软件技术有限公司,等.SAP2000中文版使用指南［M].北京:人民交通出版社,2006.

［8] 北京金土木软件技术有限公司,等.CSI分析参考手册［M].北京:人民交通出版社,2004.

Model Conversion Technology of Midas Gen To SAP2000 Used in Railway Station Building Project

SHEN Lei,LI Jing-xue,TAO Yong,PENG Jun
(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.,Ltd.,Wuhan 430063,China)

TU248.1

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.07.028

1004-2954(2014)07-0120-05

2014-02-28

沈 磊(1985―),男,一级注册结构工程师,2010年毕业于东南大学结构工程专业,工学硕士,E-mail:316789796@qq.com。