淺談MIDAS仿真技術(shù)在橋梁工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

謝家和

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

“橋梁工程”中所涉及到的內(nèi)容比較廣泛，牽涉到多門學(xué)科知識(shí)，其中的很多知識(shí)都很抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會(huì)比較困難。 在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)類教學(xué)活動(dòng)的過程中，由于有的工程規(guī)模比較大，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以開展實(shí)驗(yàn)的難度會(huì)很大。 MIDAS 仿真技術(shù)的應(yīng)用，能使這一問題得到很好的解決。

1.MIDAS仿真技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 MIDAS仿真技術(shù)的應(yīng)用

MIDAS 仿真技術(shù)一般應(yīng)用于規(guī)模比較大、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜性比較大的工程中，尤其是有的橋梁結(jié)構(gòu)，具有明顯的特殊習(xí)慣，采用此技術(shù)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行全面的分析。 例如，在MIDAS 仿真技術(shù)的作用下，可對(duì)鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、可對(duì)預(yù)應(yīng)力箱型橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，還能夠?qū)π崩瓨蚪Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。分析的方法也比較多，比較常用的有以下幾種：第一，通過非線性的方式，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的邊界進(jìn)行分析；第二，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行水熱化分析；第三，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的材料采取非線性分析方法。此外，還有靜力或者動(dòng)力彈塑性分析方法。在MIDAS 仿真技術(shù)的作用下，可在較短的時(shí)間內(nèi)，對(duì)土木類結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確的分析，并將其設(shè)計(jì)出來。 在MIDAS 仿真軟件中，存在著Civil 模塊，此模塊能夠?qū)?shù)據(jù)信息進(jìn)行高效處理。 有些結(jié)構(gòu)的非線性問題求解過程十分復(fù)雜，利用Civil模塊可簡(jiǎn)化求解過程，此模塊在一些復(fù)雜度比較高的土木、交通工程結(jié)構(gòu)模擬中有較多的應(yīng)用。

1.2 施工工藝引起的質(zhì)量問題

當(dāng)受到荷載作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相關(guān)的效應(yīng)，并通過橋梁工程結(jié)構(gòu)反映出來，這些效應(yīng)具有典型性特點(diǎn)。 MIDAS 仿真技術(shù)，以及其中的Civil 模塊能夠?qū)Ρ容^復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬， 可將橋梁工程結(jié)構(gòu)以三維圖形的形式顯示出來，學(xué)習(xí)者在看到三維圖形時(shí)，就能直觀的認(rèn)識(shí)到橋梁工程結(jié)構(gòu)。在三維圖形中還能將抽象的荷載作用效應(yīng)顯示出來，包括彎矩、位移變形情況等。 這樣以來，學(xué)生就可以對(duì)復(fù)雜類橋梁工程的力學(xué)行為有直觀的認(rèn)識(shí)，還能使學(xué)生分析的綜合能力得到提升。

2.MIDAS仿真技術(shù)在橋梁工程虛擬實(shí)驗(yàn)中教學(xué)中的價(jià)值

2.1 有利于提高學(xué)生課堂學(xué)習(xí)效率

在橋梁工程教學(xué)中，會(huì)開展一些開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，目的在于讓學(xué)生對(duì)橋梁工程結(jié)構(gòu)在每個(gè)階段的力學(xué)行為和規(guī)律有充分的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生能夠?qū)Π踩O(jiān)控的相關(guān)理論進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。 同時(shí)，通過虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)， 要能夠幫助學(xué)生掌握橋梁結(jié)構(gòu)在不同荷載模式下的作用效應(yīng)，以及對(duì)其進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)的方法。但是，在實(shí)際的開放實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生并不能直觀的觀察到橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)力情況，也看不到橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況和安全狀況。 如果教師只對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行理論方面的分析，無疑會(huì)讓學(xué)生難以理解。通過對(duì)MIDAS 仿真技術(shù)的應(yīng)用，可使這些問題得到有效解決。 例如，在橋梁工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，采用MIDAS 仿真技術(shù)將橋梁工程在不同施工階段的結(jié)構(gòu)力學(xué)行為特征模擬出來， 再利用MIDAS 仿真軟件中的彩色云圖、等值線圖等，為學(xué)生展示復(fù)雜度比較高的橋梁結(jié)構(gòu)空間及相應(yīng)的力學(xué)問題，能使學(xué)生直觀地觀察到橋梁工程在每個(gè)階段的結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)變化過程，以及橋梁工程是怎樣出現(xiàn)變形的，安全穩(wěn)定性是怎樣發(fā)生改變的，從而提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課堂上的學(xué)習(xí)效率。

2.2 有利于強(qiáng)化學(xué)生對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的理解

在橋梁工程教學(xué)中，會(huì)涉及到各種實(shí)驗(yàn)，而這些試驗(yàn)都會(huì)受到時(shí)間和幾何尺度的影響。 學(xué)生在學(xué)習(xí)與橋梁工程力學(xué)特性的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，主要有兩種方式，一種是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，一種是根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)，但很難對(duì)各項(xiàng)因素進(jìn)行綜合性的考慮。 當(dāng)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)量不足時(shí)，所獲取的監(jiān)控信息就會(huì)不全面，無法準(zhǔn)確地獲取橋梁工程不同階段，以及不同的荷載組合對(duì)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。 在這樣的情況下，學(xué)生就無法對(duì)橋梁工程力學(xué)特征方面的知識(shí)有全面的認(rèn)識(shí)。 利用MIDAS 仿真技術(shù)進(jìn)行數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)，能夠?qū)蛄汗こ踢M(jìn)行全面的數(shù)值仿真，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模復(fù)雜橋梁工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的可視化。 例如，MIDAS 仿真技術(shù)在橋梁工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，不會(huì)受到實(shí)驗(yàn)條件的影響，也不會(huì)受到時(shí)間的限制。 在實(shí)驗(yàn)過程中，能夠通過軟件呈現(xiàn)出與橋梁結(jié)構(gòu)有關(guān)的各種矢量圖。 學(xué)生只需要認(rèn)真分析這些矢量圖，就能夠?qū)Ρ容^復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)有深入的了解，并掌握各種荷載組合下，橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為特征。

2.3 可使學(xué)生在橋梁工程相關(guān)問題中的創(chuàng)新能力得到鍛煉

在橋梁工程的設(shè)計(jì)、施工過程中，都會(huì)對(duì)數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行不同程度的應(yīng)用，其能夠使橋梁工程中與施工監(jiān)測(cè)有關(guān)的問題得到有效解決。 因此，在橋梁工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入MIDAS 仿真技術(shù)，能引導(dǎo)學(xué)生對(duì)此類問題進(jìn)行探究和實(shí)驗(yàn)，從而使學(xué)生的創(chuàng)新能力得到很好的鍛煉。例如，學(xué)生可以進(jìn)行數(shù)值仿真練習(xí)，突破橋梁工程學(xué)習(xí)中的相關(guān)重難點(diǎn)知識(shí)，并對(duì)與橋梁結(jié)構(gòu)有關(guān)的各類問題進(jìn)行分析和研究。 三維數(shù)值仿真具有很強(qiáng)的直觀性，通過學(xué)習(xí)，能夠幫助學(xué)生形成系統(tǒng)性的橋梁工程知識(shí)結(jié)構(gòu)體系， 并將這些知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際的橋梁工程中，解決相關(guān)問題，從而使學(xué)生的創(chuàng)新能力得到有效鍛煉。

3.MIDAS仿真技術(shù)在橋梁工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

3.1 工程概況

在某橋梁工程中， 有多聯(lián)預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁， 其高度相同，尺寸為5m*51m，該工程將采用移動(dòng)模架進(jìn)行逐孔施工。 在此工程中，重點(diǎn)研究移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)在施工過程中的安全情況，所以需要對(duì)本文中的技術(shù)加以利用。 工程中移動(dòng)模架結(jié)構(gòu)采用的是焊接鋼箱梁形式，主梁的長(zhǎng)度比較長(zhǎng)，總共為61.49m，箱梁的高度介于3439-3457m 之間。 頂板、底板、內(nèi)側(cè)腹板、外側(cè)腹板的厚度分別為為14-32mm、12-25mm、12mm 和10mm。 豎桿和斜腹桿所用的角鋼尺寸為12.5cm*8cm*1cm，斜桿所用的材料為雙拼角鋼，其尺寸為10cm*8cm*1cm。橫梁焊接的是工字型桿件，其高度為115cm，通過螺栓與主梁連接起來。 在橫梁底模中設(shè)置有支撐，而在主梁上則設(shè)置有翼緣板和腹板撐桿，通過這幾部分，能夠?qū)崿F(xiàn)箱梁澆筑模板體系混凝土濕重向模架結(jié)構(gòu)的傳力。

3.2 計(jì)算模型及結(jié)果

按照上述工程中移動(dòng)模架的設(shè)計(jì)圖紙，通過MIDAS 軟件，尤其是其中的Civil 模塊，能夠建立起以下兩種模型：第一種模型為其上部空間的有限元模型；第二種模型為其下部空間的有限元模型。同時(shí)，在兩種不同狀態(tài)下，分別分析上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算過程，這兩種狀態(tài)分別為分合模、開模狀態(tài)。 在此基礎(chǔ)上，再驗(yàn)算出結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，同時(shí)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在本工程的結(jié)構(gòu)中，用到的鋼材為Q345B，其臨時(shí)性結(jié)構(gòu)的允許應(yīng)力提高系數(shù)取1.3。

3.3 結(jié)論及建議

首先，當(dāng)移動(dòng)模架為合模情況時(shí)，需要先澆筑第一孔混凝土梁，其主梁最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為255.6MPa 和-206.2MPa。如果不考慮風(fēng)荷載，這兩個(gè)值分別會(huì)減少1.2MPa 和增加2.1MPa。 如果考慮模架的非永久性提高，強(qiáng)度為限值273MPa，如果將模架的非永久性提高因素考慮在其中，可發(fā)現(xiàn)此時(shí)的強(qiáng)度是合格的。 并且，主梁的剪應(yīng)力、整體穩(wěn)定性，都能夠達(dá)到要求。 但是，還有以下三方面達(dá)不到滿足要求：第一，從主梁來看，其外側(cè)腹板的某些部位穩(wěn)定性不足；第二，從主梁腹板來看，其豎向的加勁肋間距不滿足要求；第三，從主梁頂?shù)拙壱戆鍋砜矗灿心承┎课坏姆€(wěn)定性達(dá)不到要求。 可采取以下兩方面的措施進(jìn)行調(diào)整：第一，改變對(duì)主梁截面，增強(qiáng)其抗彎力，這樣就可以降低其應(yīng)力水平。第二，主梁的內(nèi)、外側(cè)腹板應(yīng)保持厚度的一致性。同時(shí)，從豎向加密腹板增加勁肋，再適當(dāng)?shù)奶岣呖箯澞芰?，增加頂板、底板厚度，然后從縱向?qū)Φ装逶O(shè)置勁肋。

其次， 橫結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分別為164.9MPa 和、-166MPa，而材料的基本容許應(yīng)力為210MPa，正應(yīng)力的強(qiáng)度能夠達(dá)到要求。 最大的剪應(yīng)力比材料的基本容許應(yīng)力更低，前者為71.7MPa，后者為120MPa，剪應(yīng)力強(qiáng)度也是能夠達(dá)到要求的。如果縱向施工平臺(tái)對(duì)橫梁縱向的限制比較弱，模板對(duì)其的限制也比較弱，但不考慮這一因素，那么橫梁在受到彎矩和軸力的影響時(shí)，無論是內(nèi)部還是外部，穩(wěn)定性都達(dá)不到要求，只有橫梁局部的穩(wěn)定性能夠達(dá)到要求。因此，需要結(jié)合縱向平臺(tái)，將斜向的撐桿添加到橫梁底模之間，或者使縱向平臺(tái)的縱向能夠貫通到支頂，這樣才能將橫梁跨對(duì)橫粱的縱向支頂作用發(fā)揮出來。

4.結(jié)束語

綜上所述，MIDAS 仿真技術(shù)在橋梁工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，可將橋梁工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為機(jī)理直觀的描述出來、幫助學(xué)生更好的理解復(fù)雜結(jié)構(gòu)荷載作用，并能鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力。因此，在橋梁工程虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)對(duì)此技術(shù)進(jìn)行合理的運(yùn)用，以促進(jìn)學(xué)生實(shí)踐能力的提升。