徐勛倩, 馮旭陽, 項宏亮, 湯天培

(南通大學(xué) 交通學(xué)院, 江蘇 南通　226019)

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MIDAS仿真技術(shù)在橋梁工程虛擬實驗教學(xué)中的應(yīng)用

徐勛倩, 馮旭陽, 項宏亮, 湯天培

(南通大學(xué) 交通學(xué)院, 江蘇 南通226019)

針對“橋梁工程”課程實驗教學(xué)難以進(jìn)行大型工程實驗的問題,引入MIDAS仿真技術(shù),設(shè)計了“橋梁工程”虛擬仿真實驗。該仿真實驗通過對橋梁工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為、變形特征以及整體、局部安全穩(wěn)定性的數(shù)值仿真,實現(xiàn)了大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)實驗的可視化并且易操作。以橋梁工程施工過程安全監(jiān)控為例,MIDAS數(shù)值仿真可與真實的實驗環(huán)境和實驗操作相互補(bǔ)充,便于學(xué)生進(jìn)行軟件應(yīng)用和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練。

橋梁工程； 虛擬實驗； MIDAS； 數(shù)值仿真

“橋梁工程”是土木與交通工程專業(yè)的一門重要核心課程,涉及的學(xué)科范圍廣,包括工程測量、工程材料、巖土工程、水文地質(zhì)、力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、施工技術(shù)等專業(yè)知識。由于課程涵蓋的概念多、公式多,并且一些概念較為抽象,致使學(xué)生普遍感到“橋梁工程”課程比較乏味和難懂。

筆者結(jié)合本科生必修課程“橋梁工程”開放實驗教學(xué),將土木與交通工程行業(yè)中MIDAS數(shù)值仿真技術(shù)融于實驗課程的教學(xué)活動中[1-2],解決了橋梁工程實驗教學(xué)難以開展大型工程實驗的問題[3-5]。

1　MIDAS/Civil虛擬仿真軟件

近年來,數(shù)值仿真在土木與交通工程領(lǐng)域得到越來越廣泛的重視,并且理論與技術(shù)已日趨成熟。數(shù)值仿真技術(shù)可以克服常規(guī)物理實驗的監(jiān)測困難和重復(fù)性差等缺陷,具有可視化、易操作、通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),是解決土木與交通工程行業(yè)大型科學(xué)和工程難題的有效方法之一。在橋梁工程中常用的數(shù)值仿真軟件主要有ANSYS、ADINA、ABAQUS、MIDAS和橋梁博士等。

MIDAS主要用于大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu),特別是分析諸如鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力箱型橋梁、懸索橋、斜拉橋等特殊的橋梁結(jié)構(gòu)形式,可以做非線性邊界分析、水化熱分析、材料非線性分析、靜力彈塑性分析、動力彈塑性分析,能夠迅速、準(zhǔn)確地完成土木類結(jié)構(gòu)的分析和設(shè)計[6-8]。MIDAS中的Civil模塊具有強(qiáng)大的前后處理功能,且特別適合求解復(fù)雜結(jié)構(gòu)非線性問題,使其在土木與交通工程行業(yè)復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的模擬中應(yīng)用較為廣泛[9-10]。

由于橋梁工程結(jié)構(gòu)在荷載作用下引起的作用效應(yīng)屬于典型的大變形問題,因此,MIDAS/Civil作為復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的模擬研究工具有很好的適用性。MIDAS/Civil具有直觀、形象的三維圖形顯示功能,可將抽象的荷載作用效應(yīng)(彎矩、剪力、軸力、位移變形等)轉(zhuǎn)化為直觀的三維圖形[11-12]。因此,將MIDAS/Civil數(shù)值仿真技術(shù)作為“橋梁工程”課程開放實驗教學(xué)的輔助手段,進(jìn)行復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)施工過程的數(shù)值仿真研究,使橋梁工程結(jié)構(gòu)彎矩、剪力、軸力、位移、變形及應(yīng)力狀態(tài)用云圖、等值線圖及動畫等形式形象地表現(xiàn)出來,能幫助學(xué)生直觀地認(rèn)識復(fù)雜橋梁工程施工過程的力學(xué)行為及其規(guī)律、牢固掌握相關(guān)知識點(diǎn),提升學(xué)生分析問題和解決實際工程實際問題的能力。

2　MIDAS對橋梁工程虛擬實驗教學(xué)的輔助作用

2.1直觀描述橋梁工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為機(jī)理

“橋梁工程”課程開放實驗教學(xué)的目的是闡述橋梁工程結(jié)構(gòu)在不同階段(尤其是施工過程中),力學(xué)行為規(guī)律及其安全監(jiān)控的基本理論和概念,讓學(xué)生認(rèn)識不同荷載模式下橋梁結(jié)構(gòu)作用效應(yīng)、安全監(jiān)測等相關(guān)控制方法。然而,由于橋梁工程荷載作用效應(yīng)是典型的三維力學(xué)問題,一些現(xiàn)象——如結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變及安全穩(wěn)定性,是看不見和接觸不到的。如果只靠課堂上進(jìn)行理論講解,對于基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生來說會感到較為晦澀、乏味和難于理解。采用MIDAS/Civil數(shù)值仿真技術(shù)能夠很好地解決這些問題。

筆者將MIDAS/Civil數(shù)值仿真引入“橋梁工程”虛擬實驗教學(xué)中,模擬不同使用、施工階段結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為特征,把一些復(fù)雜的橋梁結(jié)構(gòu)空間和力學(xué)問題，通過彩色云圖、等值線圖和動畫等形象地展示在學(xué)生面前,真實再現(xiàn)橋梁工程不同階段結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)、變形和安全穩(wěn)定性的變化過程,增強(qiáng)學(xué)生對橋梁工程復(fù)雜力學(xué)特性變化過程的理解和記憶。

2.2加強(qiáng)學(xué)生對復(fù)雜結(jié)構(gòu)荷載作用效應(yīng)的理解

橋梁工程應(yīng)力、應(yīng)變以及安全監(jiān)控實驗,具有時間尺度長、幾何尺度大的特點(diǎn)。學(xué)生對橋梁工程力學(xué)行為特性的認(rèn)識大多是建立在已有現(xiàn)場實測和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,對不同階段工程結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為、安全監(jiān)測難以綜合考慮各方面的因素。如果僅憑借有限監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)測，不足以掌握不同階段、不同荷載組合作用對結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律,難以對使用、施工全過程的力學(xué)行為規(guī)律形成一個完整的觀念。這也是傳統(tǒng)的單一化和理論化的“橋梁工程”教學(xué)模式的主要弊端。

MIDAS數(shù)值仿真實驗是通過對橋梁工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為、變形特征以及整體、局部安全穩(wěn)定性的數(shù)值仿真,實現(xiàn)大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)實驗的可視化和易操作。

MIDAS商業(yè)軟件強(qiáng)大的數(shù)值仿真功能,為實驗教學(xué)提供了有利手段。通過對橋梁工程結(jié)構(gòu)的虛擬仿真實驗,實現(xiàn)了大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)實驗的可視化、易操作。最主要的是,MIDAS不受實驗室條件與時間的限制,能直觀顯示橋梁結(jié)構(gòu)不同階段結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變、變形分布特征與施工轉(zhuǎn)體變化中結(jié)構(gòu)的矢量圖。學(xué)生能利用結(jié)構(gòu)應(yīng)力、應(yīng)變云圖和等值線圖，很直觀地掌握復(fù)雜結(jié)構(gòu)和不同荷載組合下結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為特征,提高對橋梁工程力學(xué)基本規(guī)律的感性認(rèn)識,加深對復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)基本概念的理解。

2.3提升學(xué)生對“橋梁工程”相關(guān)問題的創(chuàng)新能力

目前,交通行業(yè)橋梁工程的科研、工程設(shè)計和施工控制大都借助于數(shù)值仿真技術(shù),MIDAS/Civil數(shù)值仿真為解決相關(guān)橋梁工程施工監(jiān)測問題提供強(qiáng)有力的工具,引入數(shù)值仿真技術(shù)進(jìn)行橋梁工程教學(xué),能夠引導(dǎo)學(xué)生主動參與橋梁工程施工監(jiān)測相關(guān)問題的研究與實驗,為學(xué)生今后的工程應(yīng)用和研究學(xué)習(xí)奠定堅實的基礎(chǔ)。

MIDAS/Civil數(shù)值仿真技術(shù)的應(yīng)用是建立在對專業(yè)理論知識掌握、理解的基礎(chǔ)上。一方面,學(xué)生通過數(shù)值仿真練習(xí),對橋梁工程相關(guān)知識所存在的難點(diǎn)和重點(diǎn)進(jìn)行驗證和鞏固,亦可對橋梁工程新的發(fā)展方向展開深入的探究,有效提高了學(xué)生對橋梁結(jié)構(gòu)問題的鉆研和分析能力。另一方面,通過直觀的三維數(shù)值仿真的學(xué)習(xí),使學(xué)生熟練掌握“橋梁工程”知識體系中的基本概念和理論知識,并將這些知識應(yīng)用到工程實際問題分析中。兩者相互結(jié)合,既鍛煉了學(xué)生的分析問題能力,又提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

3　MIDAS在橋梁工程虛擬實驗教學(xué)中的典型應(yīng)用

3.1項目概述

濟(jì)南長清黃河公路大橋因設(shè)計需要,設(shè)有多聯(lián)5×51 m等高度預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁,并確定利用移動模架進(jìn)行逐孔施工。為保證移動模架結(jié)構(gòu)在橋梁建設(shè)過程中的安全及穩(wěn)定[13],應(yīng)用MIDAS/Civil軟件對移動模架結(jié)構(gòu)施工階段的安全性進(jìn)行復(fù)核計算分析。

移動模架結(jié)構(gòu)采用焊接鋼箱梁,主梁總長61.49 m,箱梁高度3 439～3 457 mm,頂板厚度14～32 mm,底板厚度12～25 mm,內(nèi)、外側(cè)腹板厚度分別為12 mm和10 mm。移動模架兩端采用桁式鼻梁結(jié)構(gòu)與主梁對接,基本節(jié)間長度2.5 m,鼻梁上、下弦采用焊接工字型截面,豎桿、斜腹桿采用雙拼125 mm×80 mm×10 mm角鋼,底面橫向聯(lián)系橫桿采用雙拼10#槽鋼,斜桿采用雙拼100 mm×80 mm×10 mm角鋼。橫梁采用高度1 150 mm的焊接工字型桿件,與主梁通過螺栓連接；箱梁澆注模板體系通過設(shè)于橫梁的底模支撐及設(shè)于主梁的翼緣板及腹板撐桿，實現(xiàn)混凝土濕重向模架結(jié)構(gòu)傳力,模架總體情況如圖1所示。

圖1　模架結(jié)構(gòu)

3.2計算模型

依據(jù)濟(jì)南長清黃河公路大橋51 m移動模架設(shè)計圖紙,采用MIDAS/Civil建立移動模架上部、下部空間有限元模型,如圖2、圖3所示。其中,對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算,總體計算模型分合模狀態(tài)和開模狀態(tài)兩類。

圖2　模架上部結(jié)構(gòu)有限元計算模型

圖3　模架下部結(jié)構(gòu)有限元計算模型

3.3計算結(jié)果

根據(jù)《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTJ 025—86)第1.2.15條,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度、穩(wěn)定性驗算,結(jié)構(gòu)采用Q345B鋼材,臨時性結(jié)構(gòu)考慮容許應(yīng)力提高系數(shù)1.3,各工況下主梁、橫梁、下部結(jié)構(gòu)牛腿及支撐的計算結(jié)果如圖4—圖6所示。

圖4　主梁計算結(jié)果

圖5　橫梁計算結(jié)果

圖6　牛腿及支撐結(jié)構(gòu)計算結(jié)果

3.4結(jié)論與建議

經(jīng)對模架結(jié)構(gòu)的計算結(jié)果分析,結(jié)論與建議如下。

(1) 在合模狀態(tài)下,進(jìn)行首孔混凝土梁澆注時,主梁最大拉應(yīng)力為255.6 MPa,最大壓應(yīng)力為-206.2 MPa。若不計風(fēng)荷載,主梁最大拉應(yīng)力為254.4 MPa,最大壓應(yīng)力為-204.1 MPa,高于材料基本容許應(yīng)力210 MPa,考慮模架的非永久性提高后,低于強(qiáng)度限值273 MPa,強(qiáng)度滿足要求。主梁剪應(yīng)力、整體穩(wěn)定性滿足要求。主梁外側(cè)腹板局部穩(wěn)定性不滿足要求,主梁腹板豎向加勁肋間距不滿足要求,主梁頂?shù)拙壱戆寰植糠€(wěn)定性不滿足要求。建議:①主梁強(qiáng)度在臨時結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)上調(diào)后,雖可滿足要求,但應(yīng)力水平較高,建議適當(dāng)調(diào)整主梁截面,增大主梁抗彎能力,降低應(yīng)力水平；②建議主梁內(nèi)外側(cè)腹板采用相同厚度,加密腹板豎向加勁肋,結(jié)合提高抗彎能力，增大頂、底板厚度,并對底板設(shè)置縱向加勁肋。

(2) 橫梁結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為164.9 MPa,最大壓應(yīng)力為-166 MPa,低于材料基本容許應(yīng)力210 MPa,正應(yīng)力強(qiáng)度滿足要求；最大剪應(yīng)力為71.7 MPa,低于材料基本容許應(yīng)力120 MPa,剪應(yīng)力強(qiáng)度驗算滿足要求。在不考慮縱向施工平臺及模板等對橫梁縱向限制較弱時,橫梁3—9在彎矩及軸力作用下,面外穩(wěn)定性不滿足要求；橫梁局部穩(wěn)定性滿足要求。建議:保證在橫梁跨中對橫梁的縱向支頂作用,可考慮結(jié)合縱向平臺在橫梁與底模間增設(shè)斜向撐桿,或保證縱向平臺的縱向貫通支頂?shù)取?/p>

(3) 關(guān)于模架下部牛腿及接地支撐結(jié)構(gòu),在圖紙設(shè)定邊界條件下,接地支撐與橋墩間連接型鋼按固結(jié)處理時,型鋼正應(yīng)力強(qiáng)度大于限值,其余桿件強(qiáng)度均可滿足要求。結(jié)構(gòu)中牛腿斜桿、接地支撐豎桿桿件穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性以及各桿件局部穩(wěn)定性均可滿足要求。建議增大型鋼截面,或?qū)⑴Ｍ软敳扛臑槟芟拗茩M橋向位移、型鋼與橋墩間連接釋放豎向位移,如槽式限位裝置等。

4　結(jié)語

將基于MIDAS設(shè)計的仿真實驗應(yīng)用到“橋梁工程”實驗教學(xué)中,可以生動、形象地將橋梁工程中大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能直觀顯示出來。該數(shù)值仿真實驗可以彌補(bǔ)橋梁工程傳統(tǒng)實驗方法的不足,對于一些實驗室不能用實際工程演示的實驗項目,借助數(shù)值仿真實驗進(jìn)行分析,不僅減少了實驗儀器設(shè)備、實驗耗材相關(guān)費(fèi)用,還使學(xué)生能夠深入地掌握、理解理論知識和工程問題,使得學(xué)生的學(xué)習(xí)效果更好。利用MIDAS商業(yè)軟件提供的Civil應(yīng)用模塊,學(xué)生可以自主開展靈活多樣的開放性、設(shè)計性和研究性橋梁工程實驗項目,不僅能加深對橋梁工程基礎(chǔ)知識的理解掌握,更能夠激發(fā)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。

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Application of MIDAS simulation technology to virtual experimental teaching of bridge engineering courses

Xu Xunqian, Feng Xuyang, Xiang Hongliang, Tang Tianpei

(School of Transportation,Nantong University,Nantong 226019,China)

Aiming at the problem that it is difficult to carry out large-scale engineering experiments in the existing teaching of bridge engineering experiments, the virtual experiment of bridge engineering is designed by introducing the MIDAS simulation technology. Using MIDAS software,it can be simulated including the bridge structure mechanical behavior, the deformation characteristic, the safety and stability of the whole and the local. Then,the visualization and easy operation of large-scale complex engineering structures are realized. Taking the bridge engineering construction process safety monitoring as an example,the MIDAS numerical simulation technology can be complemented with the real experimental environment and the experimental operation. It is convenient for students to carry out the training of software application and innovation ability.

bridge engineering; virtual experiment; MIDAS; numerical simulation

10.16791/j.cnki.sjg.2016.10.029

2016-04-24

2015年江蘇省高等教育教學(xué)改革與質(zhì)量提升工程建設(shè)專項；南通市科技局項目(AR2015013)；江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(201610304074Y)；南通大學(xué)省級教學(xué)改革研究培育項目(2013S04)；南通大學(xué)精品課程培育項目(JP13042)

徐勛倩(1973—),女,江西九江,博士,教授,副院長,從事交通運(yùn)輸工程學(xué)科領(lǐng)域科研與教學(xué).E-mail：xunqian_xu@163.com

TU501

B

1002-4956(2016)10-0115-04