MIDAS仿真技術在橋梁工程虛擬實驗教學中的應用

徐勛倩, 馮旭陽, 項宏亮, 湯天培

(南通大學 交通學院, 江蘇 南通　226019)

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MIDAS仿真技術在橋梁工程虛擬實驗教學中的應用

徐勛倩, 馮旭陽, 項宏亮, 湯天培

(南通大學 交通學院, 江蘇 南通226019)

針對“橋梁工程”課程實驗教學難以進行大型工程實驗的問題,引入MIDAS仿真技術,設計了“橋梁工程”虛擬仿真實驗。該仿真實驗通過對橋梁工程結構力學行為、變形特征以及整體、局部安全穩定性的數值仿真,實現了大型復雜工程結構實驗的可視化并且易操作。以橋梁工程施工過程安全監控為例,MIDAS數值仿真可與真實的實驗環境和實驗操作相互補充,便于學生進行軟件應用和創新能力的訓練。

橋梁工程； 虛擬實驗； MIDAS； 數值仿真

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

筆者結合本科生必修課程“橋梁工程”開放實驗教學,將土木與交通工程行業中MIDAS數值仿真技術融于實驗課程的教學活動中[1-2],解決了橋梁工程實驗教學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,數值仿真在土木與交通工程領域得到越來越廣泛的重視,并且理論與技術已日趨成熟。數值仿真技術可以克服常規物理實驗的監測困難和重復性差等缺陷,具有可視化、易操作、通用性強等優點,是解決土木與交通工程行業大型科學和工程難題的有效方法之一。在橋梁工程中常用的數值仿真軟件主要有ANSYS、ADINA、ABAQUS、MIDAS和橋梁博士等。

MIDAS主要用于大型復雜工程結構,特別是分析諸如鋼桁架橋梁結構、預應力箱型橋梁、懸索橋、斜拉橋等特殊的橋梁結構形式,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、準確地完成土木類結構的分析和設計[6-8]。MIDAS中的Civil模塊具有強大的前后處理功能,且特別適合求解復雜結構非線性問題,使其在土木與交通工程行業復雜橋梁結構的模擬中應用較為廣泛[9-10]。

由于橋梁工程結構在荷載作用下引起的作用效應屬于典型的大變形問題,因此,MIDAS/Civil作為復雜橋梁結構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(彎矩、剪力、軸力、位移變形等)轉化為直觀的三維圖形[11-12]。因此,將MIDAS/Civil數值仿真技術作為“橋梁工程”課程開放實驗教學的輔助手段,進行復雜橋梁結構施工過程的數值仿真研究,使橋梁工程結構彎矩、剪力、軸力、位移、變形及應力狀態用云圖、等值線圖及動畫等形式形象地表現出來,能幫助學生直觀地認識復雜橋梁工程施工過程的力學行為及其規律、牢固掌握相關知識點,提升學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的輔助作用

2.1直觀描述橋梁工程結構的力學行為機理

“橋梁工程”課程開放實驗教學的目的是闡述橋梁工程結構在不同階段(尤其是施工過程中),力學行為規律及其安全監控的基本理論和概念,讓學生認識不同荷載模式下橋梁結構作用效應、安全監測等相關控制方法。然而,由于橋梁工程荷載作用效應是典型的三維力學問題,一些現象——如結構應力、應變及安全穩定性,是看不見和接觸不到的。如果只靠課堂上進行理論講解,對于基礎薄弱的學生來說會感到較為晦澀、乏味和難于理解。采用MIDAS/Civil數值仿真技術能夠很好地解決這些問題。

筆者將MIDAS/Civil數值仿真引入“橋梁工程”虛擬實驗教學中,模擬不同使用、施工階段結構的力學行為特征,把一些復雜的橋梁結構空間和力學問題，通過彩色云圖、等值線圖和動畫等形象地展示在學生面前,真實再現橋梁工程不同階段結構力學效應、變形和安全穩定性的變化過程,增強學生對橋梁工程復雜力學特性變化過程的理解和記憶。

2.2加強學生對復雜結構荷載作用效應的理解

橋梁工程應力、應變以及安全監控實驗,具有時間尺度長、幾何尺度大的特點。學生對橋梁工程力學行為特性的認識大多是建立在已有現場實測和經驗的基礎上,對不同階段工程結構的力學行為、安全監測難以綜合考慮各方面的因素。如果僅憑借有限監控點的監測，不足以掌握不同階段、不同荷載組合作用對結構的影響規律,難以對使用、施工全過程的力學行為規律形成一個完整的觀念。這也是傳統的單一化和理論化的“橋梁工程”教學模式的主要弊端。

MIDAS數值仿真實驗是通過對橋梁工程結構力學行為、變形特征以及整體、局部安全穩定性的數值仿真,實現大型復雜工程結構實驗的可視化和易操作。

MIDAS商業軟件強大的數值仿真功能,為實驗教學提供了有利手段。通過對橋梁工程結構的虛擬仿真實驗,實現了大型復雜工程結構實驗的可視化、易操作。最主要的是,MIDAS不受實驗室條件與時間的限制,能直觀顯示橋梁結構不同階段結構的應力、應變、變形分布特征與施工轉體變化中結構的矢量圖。學生能利用結構應力、應變云圖和等值線圖，很直觀地掌握復雜結構和不同荷載組合下結構的力學行為特征,提高對橋梁工程力學基本規律的感性認識,加深對復雜橋梁結構基本概念的理解。

2.3提升學生對“橋梁工程”相關問題的創新能力

目前,交通行業橋梁工程的科研、工程設計和施工控制大都借助于數值仿真技術,MIDAS/Civil數值仿真為解決相關橋梁工程施工監測問題提供強有力的工具,引入數值仿真技術進行橋梁工程教學,能夠引導學生主動參與橋梁工程施工監測相關問題的研究與實驗,為學生今后的工程應用和研究學習奠定堅實的基礎。

MIDAS/Civil數值仿真技術的應用是建立在對專業理論知識掌握、理解的基礎上。一方面,學生通過數值仿真練習,對橋梁工程相關知識所存在的難點和重點進行驗證和鞏固,亦可對橋梁工程新的發展方向展開深入的探究,有效提高了學生對橋梁結構問題的鉆研和分析能力。另一方面,通過直觀的三維數值仿真的學習,使學生熟練掌握“橋梁工程”知識體系中的基本概念和理論知識,并將這些知識應用到工程實際問題分析中。兩者相互結合,既鍛煉了學生的分析問題能力,又提升了學生的創新能力。

3　MIDAS在橋梁工程虛擬實驗教學中的典型應用

3.1項目概述

濟南長清黃河公路大橋因設計需要,設有多聯5×51 m等高度預應力混凝土連續箱梁,并確定利用移動模架進行逐孔施工。為保證移動模架結構在橋梁建設過程中的安全及穩定[13],應用MIDAS/Civil軟件對移動模架結構施工階段的安全性進行復核計算分析。

移動模架結構采用焊接鋼箱梁,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、外側腹板厚度分別為12 mm和10 mm。移動模架兩端采用桁式鼻梁結構與主梁對接,基本節間長度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于橫梁的底模支撐及設于主梁的翼緣板及腹板撐桿，實現混凝土濕重向模架結構傳力,模架總體情況如圖1所示。

圖1　模架結構

3.2計算模型

依據濟南長清黃河公路大橋51 m移動模架設計圖紙,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,對上部結構進行分析計算,總體計算模型分合模狀態和開模狀態兩類。

圖2　模架上部結構有限元計算模型

圖3　模架下部結構有限元計算模型

3.3計算結果

根據《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》(JTJ 025—86)第1.2.15條,對結構進行強度、穩定性驗算,結構采用Q345B鋼材,臨時性結構考慮容許應力提高系數1.3,各工況下主梁、橫梁、下部結構牛腿及支撐的計算結果如圖4—圖6所示。

圖4　主梁計算結果

圖5　橫梁計算結果

圖6　牛腿及支撐結構計算結果

3.4結論與建議

經對模架結構的計算結果分析,結論與建議如下。

(1) 在合模狀態下,進行首孔混凝土梁澆注時,主梁最大拉應力為255.6 MPa,最大壓應力為-206.2 MPa。若不計風荷載,主梁最大拉應力為254.4 MPa,最大壓應力為-204.1 MPa,高于材料基本容許應力210 MPa,考慮模架的非永久性提高后,低于強度限值273 MPa,強度滿足要求。主梁剪應力、整體穩定性滿足要求。主梁外側腹板局部穩定性不滿足要求,主梁腹板豎向加勁肋間距不滿足要求,主梁頂底緣翼板局部穩定性不滿足要求。建議:①主梁強度在臨時結構的安全系數上調后,雖可滿足要求,但應力水平較高,建議適當調整主梁截面,增大主梁抗彎能力,降低應力水平；②建議主梁內外側腹板采用相同厚度,加密腹板豎向加勁肋,結合提高抗彎能力，增大頂、底板厚度,并對底板設置縱向加勁肋。

(2) 橫梁結構最大拉應力為164.9 MPa,最大壓應力為-166 MPa,低于材料基本容許應力210 MPa,正應力強度滿足要求；最大剪應力為71.7 MPa,低于材料基本容許應力120 MPa,剪應力強度驗算滿足要求。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,面外穩定性不滿足要求；橫梁局部穩定性滿足要求。建議:保證在橫梁跨中對橫梁的縱向支頂作用,可考慮結合縱向平臺在橫梁與底模間增設斜向撐桿,或保證縱向平臺的縱向貫通支頂等。

(3) 關于模架下部牛腿及接地支撐結構,在圖紙設定邊界條件下,接地支撐與橋墩間連接型鋼按固結處理時,型鋼正應力強度大于限值,其余桿件強度均可滿足要求。結構中牛腿斜桿、接地支撐豎桿桿件穩定性、結構整體穩定性以及各桿件局部穩定性均可滿足要求。建議增大型鋼截面,或將牛腿頂部改為能限制橫橋向位移、型鋼與橋墩間連接釋放豎向位移,如槽式限位裝置等。

4　結語

將基于MIDAS設計的仿真實驗應用到“橋梁工程”實驗教學中,可以生動、形象地將橋梁工程中大型復雜結構的力學性能直觀顯示出來。該數值仿真實驗可以彌補橋梁工程傳統實驗方法的不足,對于一些實驗室不能用實際工程演示的實驗項目,借助數值仿真實驗進行分析,不僅減少了實驗儀器設備、實驗耗材相關費用,還使學生能夠深入地掌握、理解理論知識和工程問題,使得學生的學習效果更好。利用MIDAS商業軟件提供的Civil應用模塊,學生可以自主開展靈活多樣的開放性、設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知識的理解掌握,更能夠激發學生的實踐創新能力。

References)

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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改革與質量提升工程建設專項；南通市科技局項目(AR2015013)；江蘇省大學生創新訓練計劃項目(201610304074Y)；南通大學省級教學改革研究培育項目(2013S04)；南通大學精品課程培育項目(JP13042)

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

TU501

B

1002-4956(2016)10-0115-04