Midas數值模擬在《建筑結構》課程中的應用探索

趙智慧

【摘 要】建筑結構課程是高職高專建筑技術專業學生的必修基礎課程，該課程涵蓋大量的課程實驗，在缺乏試驗條件，教學課時精簡，實踐環節被空前重視的條件下，為了順利完成實驗，本文借助Midas結構有限元分析軟件，將數值模擬引入建筑結構課程教學中，使構件和結構的受力特點和破壞形態在課堂上生動地展現出來，激發學生的學習興趣和創新能力，提高教學質量。

【關鍵詞】Midas數值模擬；建筑結構課程；應用探索

現階段高職院校招生規模急劇膨脹，大多數高職院校面臨試驗教學資源嚴重不足的困境，現有的試驗條件不能滿足教學任務的需要，嚴重影響了教學質量。建筑結構課程教學公式推導和理論的建立是以試驗為基礎，傳統的理論教學方式試驗現象的描述枯燥、繁瑣和難于理解，數值模擬仿真教學實現把“虛擬的試驗室”搬到課堂上，在理論教學的同時穿插試驗教學。仿真教學試驗可以輸出結構真實的三維模型、仿真動畫和結果數據，通過對試驗結果進行分析來闡述基本概念、基本原理。大多數高職院校的建筑結構課程的數值模擬實驗主要包括單筋矩形截面受彎構件正截面破壞形態、受彎構件斜截面受剪破壞、軸心受壓柱的破壞、偏心受壓柱破壞。

建筑結構常用計算軟件PKPM系列、廣廈結構CAD、SAP2000、ANSYS、MIDAS等，MIDAS/Gen—建筑結構通用有限元分析和設計軟件，2004年1月9日通過國家建設部評估鑒定（建科評[2003]015號），優點體現：可以導入PKPM、AutoCAD、SAP、STAAD等文件，便于互相校核；按國內新規范輸出各種結果，同時可以實現平法輸出配筋結果簡圖、鋼結構驗算結果簡圖等及設計計算書文本輸出。

本文借助借用Midas gen軟件對單筋矩形截面受彎構件正截面破壞形態實驗進行模型模擬：

（1）選擇恰當的截面尺寸、配筋、材料；

（2）完成模型的建立（材料—截面—單元—邊界條件—荷載）；

（3）結果分析。

1 適筋破壞

1.1 梁的尺寸、材料和配筋

梁采用C25混凝土，鋼筋采用HRB335，架立筋和受力鋼筋以及箍筋的配筋情況如圖1、圖2所示。

1.2 適筋梁模型

（1）混凝土和鋼筋材料（圖3）

（2）鋼筋截面尺寸（圖4）

（3）梁模型（不含鋼筋）

梁橫截面尺寸120mm×200mm，橫截面橫向網格劃分25mm、25mm、20mm、25mm、25mm，縱向網格50mm的間距如圖5所示。

實驗梁是簡支梁，邊界條件為一端固定端支座，一端可動鉸支座，在midas gen軟件中梁的縱向為x方向，梁橫截面方向為y方向，豎向為z方向。支座模擬是z方向的所有位移限制在表一中表現的是“1”，x方向一端固定為“1”，一端可動為“0”，y方向中間點不動為”1”，兩端可動為“0”（如表1和圖8-圖11所示）。

適筋梁破壞始于受拉區，當彎矩達到一定值時，縱向受拉鋼筋的應力先屈服強度，受拉鋼筋的應力保持屈服強度不變，而應變迅速增大，知道受壓邊緣混凝土的壓應變達到極限壓應變，受壓區混凝土被壓碎而破壞。

1.3 超筋梁模型

超筋梁模型和適筋梁模型的區別是：

（1）從圖1可以看出縱向受力鋼筋偏大；

（2）集中力荷載的大小不同為50kN，共100kN。

1.4 少筋梁模型

少筋梁模型和適筋梁模型的區別是：

（1）從圖1可以看出縱向受力鋼筋偏小；

（2）集中力荷載的大小不同為18kN，共36kN。

在建筑結構課程中，鋼筋混凝土受彎構件的承載力計算是教學大綱要求的重點內容，教學內容涉及鋼筋種類、位置和作用以及鋼筋混凝土構件的破壞形態和配筋構造要求。采用抽象概念加機械記憶的傳統教學法收效不佳，一部分構件空間概念薄弱的學生將對學習失去信心。

利用數值模擬方法，將構件和結構的受力特點和破壞形態在課堂上生動地展現出來，不僅有利于學生加深對理論、概念的理解、了解構件變形破壞的全過程，而且可以提高學生的興趣，調動學生學習結構知識的主動性。

[責任編輯：王楠]