建筑結構加固教學中數值模擬技術的應用探析

馮曉君

摘 要：結合數值模擬技術的特點，本文對其在建筑結構加固教學中的應用進行了分析和探討，以提高教學的質量，幫助學生對相關知識進行理解和記憶。

關鍵詞：建筑結構加固教學；數值模擬技術；建筑施工技術

隨著科學技術的不斷發展，我國的建筑行業獲得了飛速進步，各種先進的建筑施工技術和新的建筑施工材料不斷得到應用，建筑工程的質量得到了很大的提升。雖然現代建筑雖然理論壽命都能夠達到數十年，但因在使用過程中受各種因素的影響和破壞，實際壽命會有所縮短，同時影響建筑的使用安全。在這種情況下，建筑結構的加固就尤為重要。

一、數值模擬技術概述

數值模擬技術，主要是通過數值的計算方法，重現現象，強調運用數值模擬的結果，對實際實驗中觀測到的已知現象進行解釋，以加深理解。從目前的發展情況來看，數值模擬是指在計算機上實現一個特定的計算，類似于履行一個相應的物理試驗，在這個過程中，分析人員實際上已經跳出了數學方程的圈子。因此，可以將數值模擬理解為使用計算機來做實驗。數值模擬的步驟主要包含以下幾點：

1.模型建立

要建立其能夠反映問題本質的數學模型，即建數值模擬。反映問題各量之間的微分方程及相應的定解條件，這是數值模擬的出發點。如果缺乏完善準確的數學模型，數值模擬也就無從談起。

2.尋求計算方法

在數學模型建立后，需要采取各種各樣的措施和手段，采用高效率、高精準度的計算方法。目前，數值計算方法不僅包括有微分方程的離散化方法以及求解方法，還包括了貼體坐標的建立、邊界條件的處理等。

3.編制程序

在對計算方法以及相關坐標系進行確定后，需要進行數值模擬程序的編制以及計算。大量的實踐證明，這一階段的工作是整個數值模擬中的主體，占據數值模擬過程的絕大部分實踐。由于求解問題的復雜性，單純依靠數值求解的方法，無法得到準確的結果，因此需要通過試驗進行驗證。

4.圖像處理

計算工作完成后，一般數據只能通過圖像的形式表現出來，因此數值圖像的處理同樣是十分重要的。利用現代化的計算機技術和顯像技術，可以通過錄像機對其動態過程進行顯示，模擬的水平不斷提高，圖像也越來越逼真。

二、數值模擬技術在建筑結構加固教學中的應用

在經濟發展的帶動下，建筑工程的數量不斷增加，建筑物的檢測、鑒定、改造和加固任務日益繁重，也使得建筑結構的鑒定和加固逐漸形成了一門新的技術。在高校建筑工程的教學中，建筑結構加固是一項實踐性很強的專業課程，對于建筑工程的教學有著十分重要的影響。但是，在當前建筑結構加固教學中，雖然學生都做過一些結構試驗，但是多數高校并沒有設置相應的現場實踐活動，學生對于建筑結構加固的概念沒有一個清晰的認識，對結構構建加固前后的受力性能、破壞過程等的理解方面存在一定的困難。

針對這個問題，可以在建筑結構結構教學中引入數值模擬技術，通過相應的數值模擬試驗，加深學生對于基礎知識的理解和記憶。這里結合某大學科研組研發的RFPA計算系統，對數值模擬技術的實際應用進行分析。

該計算系統是一種基于有限元應力分析以及統計損傷理論的材料破損過程分析數值計算方法，可以作為數值模擬試驗的工具，對建筑材料漸進破損直至失穩的全過程進行模擬試驗。系統的重要特色，是充分考慮了材料性質的非均性，通過非均勻性模擬非線性，通過連續介質力學的方法模擬非連續介質問題的材料破損過程。基于彈性損傷理論，可以建立相應的數學模型，然后通過圖像的形式，將實驗中存在的一些基本現象直觀地演示出來。

以混凝土受彎構件的加固方法為例，對該系統的實際應用進行分析。結合相應的數值信息和理論知識，運用該計算系統，對混凝土受彎構件加固前以及采用GFRP加固后的破壞過程進行數值模擬。在加固前，混凝土梁的跨中形成了一條垂直方向的裂紋，而加固后，混凝土梁的跨中形成了樹根狀的裂紋系，最終混凝土構建由于FPR板與混凝土撕裂、脫落而失效，這是一種外貼加固法的典型破壞模式。通過與實際試驗的對比，可以發現數值模擬的結果與試驗結果相互吻合。

在建筑結構加固教學中，如果單純采用傳統的教學方法，受教學資源的限制，學生缺乏相應的實踐經驗，對于相關知識的理解僅僅停留在文字層面。而利用多媒體技術，對科研成果進行直觀表達，可以激發學生的學習興趣，提升教學質量。

總之，在建筑結構加固教學中，合理應用數值模擬技術，可以在有限的教學時間內，使學生盡可能多地對教學內容進行理解和掌握，激發學生的學習興趣，通過更加直觀的方式，使學生了解結構構件的應力變化和變形，切實提高教學質量。

參考文獻：

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