淺談MIDAS仿真技術在橋梁工程虛擬實驗教學中的應用

謝家和

(長沙理工大學 湖南 長沙 410114)

“橋梁工程”中所涉及到的內容比較廣泛，牽涉到多門學科知識，其中的很多知識都很抽象，學生在學習過程中會比較困難。 在進行實驗類教學活動的過程中，由于有的工程規模比較大，結構比較復雜，所以開展實驗的難度會很大。 MIDAS 仿真技術的應用，能使這一問題得到很好的解決。

1.MIDAS仿真技術簡介

1.1 MIDAS仿真技術的應用

MIDAS 仿真技術一般應用于規模比較大、 結構復雜性比較大的工程中，尤其是有的橋梁結構，具有明顯的特殊習慣，采用此技術能夠對其進行全面的分析。 例如，在MIDAS 仿真技術的作用下，可對鋼桁架橋梁結構進行分析、可對預應力箱型橋梁結構進行分析，還能夠對斜拉橋結構進行分析。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，對橋梁結構的邊界進行分析；第二，對橋梁結構進行水熱化分析；第三，對橋梁結構的材料采取非線性分析方法。此外，還有靜力或者動力彈塑性分析方法。在MIDAS 仿真技術的作用下，可在較短的時間內，對土木類結構進行準確的分析，并將其設計出來。 在MIDAS 仿真軟件中，存在著Civil 模塊，此模塊能夠對數據信息進行高效處理。 有些結構的非線性問題求解過程十分復雜，利用Civil模塊可簡化求解過程，此模塊在一些復雜度比較高的土木、交通工程結構模擬中有較多的應用。

1.2 施工工藝引起的質量問題

當受到荷載作用時，會產生相關的效應，并通過橋梁工程結構反映出來，這些效應具有典型性特點。 MIDAS 仿真技術，以及其中的Civil 模塊能夠對比較復雜的橋梁結構進行模擬， 可將橋梁工程結構以三維圖形的形式顯示出來，學習者在看到三維圖形時，就能直觀的認識到橋梁工程結構。在三維圖形中還能將抽象的荷載作用效應顯示出來，包括彎矩、位移變形情況等。 這樣以來，學生就可以對復雜類橋梁工程的力學行為有直觀的認識，還能使學生分析的綜合能力得到提升。

2.MIDAS仿真技術在橋梁工程虛擬實驗中教學中的價值

2.1 有利于提高學生課堂學習效率

在橋梁工程教學中，會開展一些開放實驗教學活動，目的在于讓學生對橋梁工程結構在每個階段的力學行為和規律有充分的認識，使學生能夠對安全監控的相關理論進行實際應用。 同時，通過虛擬實驗教學， 要能夠幫助學生掌握橋梁結構在不同荷載模式下的作用效應，以及對其進行安全監測的方法。但是，在實際的開放實驗教學中，學生并不能直觀的觀察到橋梁結構應力情況，也看不到橋梁結構的應變情況和安全狀況。 如果教師只對這些內容進行理論方面的分析，無疑會讓學生難以理解。通過對MIDAS 仿真技術的應用，可使這些問題得到有效解決。 例如，在橋梁工程虛擬實驗教學中，采用MIDAS 仿真技術將橋梁工程在不同施工階段的結構力學行為特征模擬出來， 再利用MIDAS 仿真軟件中的彩色云圖、等值線圖等，為學生展示復雜度比較高的橋梁結構空間及相應的力學問題，能使學生直觀地觀察到橋梁工程在每個階段的結構力學效應變化過程，以及橋梁工程是怎樣出現變形的，安全穩定性是怎樣發生改變的，從而提高學生在實驗課堂上的學習效率。

2.2 有利于強化學生對橋梁結構的理解

在橋梁工程教學中，會涉及到各種實驗，而這些試驗都會受到時間和幾何尺度的影響。 學生在學習與橋梁工程力學特性的相關內容時，主要有兩種方式，一種是進行現場實測，一種是根據自己的經驗，但很難對各項因素進行綜合性的考慮。 當監控點的數量不足時，所獲取的監控信息就會不全面，無法準確地獲取橋梁工程不同階段，以及不同的荷載組合對結構的影響規律。 在這樣的情況下，學生就無法對橋梁工程力學特征方面的知識有全面的認識。 利用MIDAS 仿真技術進行數值仿真實驗，能夠對橋梁工程進行全面的數值仿真，從而實現大規模復雜橋梁工程結構實驗的可視化。 例如，MIDAS 仿真技術在橋梁工程虛擬實驗教學中的應用，不會受到實驗條件的影響，也不會受到時間的限制。 在實驗過程中，能夠通過軟件呈現出與橋梁結構有關的各種矢量圖。 學生只需要認真分析這些矢量圖，就能夠對比較復雜的橋梁結構有深入的了解，并掌握各種荷載組合下，橋梁結構的力學行為特征。

2.3 可使學生在橋梁工程相關問題中的創新能力得到鍛煉

在橋梁工程的設計、施工過程中，都會對數值仿真技術進行不同程度的應用，其能夠使橋梁工程中與施工監測有關的問題得到有效解決。 因此，在橋梁工程虛擬實驗教學中引入MIDAS 仿真技術，能引導學生對此類問題進行探究和實驗，從而使學生的創新能力得到很好的鍛煉。例如，學生可以進行數值仿真練習，突破橋梁工程學習中的相關重難點知識，并對與橋梁結構有關的各類問題進行分析和研究。 三維數值仿真具有很強的直觀性，通過學習，能夠幫助學生形成系統性的橋梁工程知識結構體系， 并將這些知識運用到實際的橋梁工程中，解決相關問題，從而使學生的創新能力得到有效鍛煉。

3.MIDAS仿真技術在橋梁工程虛擬實驗教學中的應用

3.1 工程概況

在某橋梁工程中， 有多聯預應力混凝土連續箱梁， 其高度相同，尺寸為5m*51m，該工程將采用移動模架進行逐孔施工。 在此工程中，重點研究移動模架結構在施工過程中的安全情況，所以需要對本文中的技術加以利用。 工程中移動模架結構采用的是焊接鋼箱梁形式，主梁的長度比較長，總共為61.49m，箱梁的高度介于3439-3457m 之間。 頂板、底板、內側腹板、外側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。 在橫梁底模中設置有支撐，而在主梁上則設置有翼緣板和腹板撐桿，通過這幾部分，能夠實現箱梁澆筑模板體系混凝土濕重向模架結構的傳力。

3.2 計算模型及結果

按照上述工程中移動模架的設計圖紙，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，在兩種不同狀態下，分別分析上部結構的計算過程，這兩種狀態分別為分合模、開模狀態。 在此基礎上，再驗算出結構的強度，同時驗算結構的穩定性。在本工程的結構中，用到的鋼材為Q345B，其臨時性結構的允許應力提高系數取1.3。

3.3 結論及建議

首先，當移動模架為合模情況時，需要先澆筑第一孔混凝土梁，其主梁最大拉應力和最大壓應力分別為255.6MPa 和-206.2MPa。如果不考慮風荷載，這兩個值分別會減少1.2MPa 和增加2.1MPa。 如果考慮模架的非永久性提高，強度為限值273MPa，如果將模架的非永久性提高因素考慮在其中，可發現此時的強度是合格的。 并且，主梁的剪應力、整體穩定性，都能夠達到要求。 但是，還有以下三方面達不到滿足要求：第一，從主梁來看，其外側腹板的某些部位穩定性不足；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，從主梁頂底緣翼板來看，也有某些部位的穩定性達不到要求。 可采取以下兩方面的措施進行調整：第一，改變對主梁截面，增強其抗彎力，這樣就可以降低其應力水平。第二，主梁的內、外側腹板應保持厚度的一致性。同時，從豎向加密腹板增加勁肋，再適當的提高抗彎能力，增加頂板、底板厚度，然后從縱向對底板設置勁肋。

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

4.結束語

綜上所述，MIDAS 仿真技術在橋梁工程虛擬實驗教學中的應用，可將橋梁工程結構的力學行為機理直觀的描述出來、幫助學生更好的理解復雜結構荷載作用，并能鍛煉學生的創新能力。因此，在橋梁工程虛擬實驗教學中，應對此技術進行合理的運用，以促進學生實踐能力的提升。