浅谈MIDAS仿真技术在桥梁工程虚拟实验教学中的应用

谢家和

(长沙理工大学 湖南 长沙 410114)

“桥梁工程”中所涉及到的内容比较广泛，牵涉到多门学科知识，其中的很多知识都很抽象，学生在学习过程中会比较困难。 在进行实验类教学活动的过程中，由于有的工程规模比较大，结构比较复杂，所以开展实验的难度会很大。 MIDAS 仿真技术的应用，能使这一问题得到很好的解决。

1.MIDAS仿真技术简介

1.1 MIDAS仿真技术的应用

MIDAS 仿真技术一般应用于规模比较大、 结构复杂性比较大的工程中，尤其是有的桥梁结构，具有明显的特殊习惯，采用此技术能够对其进行全面的分析。 例如，在MIDAS 仿真技术的作用下，可对钢桁架桥梁结构进行分析、可对预应力箱型桥梁结构进行分析，还能够对斜拉桥结构进行分析。分析的方法也比较多，比较常用的有以下几种：第一，通过非线性的方式，对桥梁结构的边界进行分析；第二，对桥梁结构进行水热化分析；第三，对桥梁结构的材料采取非线性分析方法。此外，还有静力或者动力弹塑性分析方法。在MIDAS 仿真技术的作用下，可在较短的时间内，对土木类结构进行准确的分析，并将其设计出来。 在MIDAS 仿真软件中，存在着Civil 模块，此模块能够对数据信息进行高效处理。 有些结构的非线性问题求解过程十分复杂，利用Civil模块可简化求解过程，此模块在一些复杂度比较高的土木、交通工程结构模拟中有较多的应用。

1.2 施工工艺引起的质量问题

当受到荷载作用时，会产生相关的效应，并通过桥梁工程结构反映出来，这些效应具有典型性特点。 MIDAS 仿真技术，以及其中的Civil 模块能够对比较复杂的桥梁结构进行模拟， 可将桥梁工程结构以三维图形的形式显示出来，学习者在看到三维图形时，就能直观的认识到桥梁工程结构。在三维图形中还能将抽象的荷载作用效应显示出来，包括弯矩、位移变形情况等。 这样以来，学生就可以对复杂类桥梁工程的力学行为有直观的认识，还能使学生分析的综合能力得到提升。

2.MIDAS仿真技术在桥梁工程虚拟实验中教学中的价值

2.1 有利于提高学生课堂学习效率

在桥梁工程教学中，会开展一些开放实验教学活动，目的在于让学生对桥梁工程结构在每个阶段的力学行为和规律有充分的认识，使学生能够对安全监控的相关理论进行实际应用。 同时，通过虚拟实验教学， 要能够帮助学生掌握桥梁结构在不同荷载模式下的作用效应，以及对其进行安全监测的方法。但是，在实际的开放实验教学中，学生并不能直观的观察到桥梁结构应力情况，也看不到桥梁结构的应变情况和安全状况。 如果教师只对这些内容进行理论方面的分析，无疑会让学生难以理解。通过对MIDAS 仿真技术的应用，可使这些问题得到有效解决。 例如，在桥梁工程虚拟实验教学中，采用MIDAS 仿真技术将桥梁工程在不同施工阶段的结构力学行为特征模拟出来， 再利用MIDAS 仿真软件中的彩色云图、等值线图等，为学生展示复杂度比较高的桥梁结构空间及相应的力学问题，能使学生直观地观察到桥梁工程在每个阶段的结构力学效应变化过程，以及桥梁工程是怎样出现变形的，安全稳定性是怎样发生改变的，从而提高学生在实验课堂上的学习效率。

2.2 有利于强化学生对桥梁结构的理解

在桥梁工程教学中，会涉及到各种实验，而这些试验都会受到时间和几何尺度的影响。 学生在学习与桥梁工程力学特性的相关内容时，主要有两种方式，一种是进行现场实测，一种是根据自己的经验，但很难对各项因素进行综合性的考虑。 当监控点的数量不足时，所获取的监控信息就会不全面，无法准确地获取桥梁工程不同阶段，以及不同的荷载组合对结构的影响规律。 在这样的情况下，学生就无法对桥梁工程力学特征方面的知识有全面的认识。 利用MIDAS 仿真技术进行数值仿真实验，能够对桥梁工程进行全面的数值仿真，从而实现大规模复杂桥梁工程结构实验的可视化。 例如，MIDAS 仿真技术在桥梁工程虚拟实验教学中的应用，不会受到实验条件的影响，也不会受到时间的限制。 在实验过程中，能够通过软件呈现出与桥梁结构有关的各种矢量图。 学生只需要认真分析这些矢量图，就能够对比较复杂的桥梁结构有深入的了解，并掌握各种荷载组合下，桥梁结构的力学行为特征。

2.3 可使学生在桥梁工程相关问题中的创新能力得到锻炼

在桥梁工程的设计、施工过程中，都会对数值仿真技术进行不同程度的应用，其能够使桥梁工程中与施工监测有关的问题得到有效解决。 因此，在桥梁工程虚拟实验教学中引入MIDAS 仿真技术，能引导学生对此类问题进行探究和实验，从而使学生的创新能力得到很好的锻炼。例如，学生可以进行数值仿真练习，突破桥梁工程学习中的相关重难点知识，并对与桥梁结构有关的各类问题进行分析和研究。 三维数值仿真具有很强的直观性，通过学习，能够帮助学生形成系统性的桥梁工程知识结构体系， 并将这些知识运用到实际的桥梁工程中，解决相关问题，从而使学生的创新能力得到有效锻炼。

3.MIDAS仿真技术在桥梁工程虚拟实验教学中的应用

3.1 工程概况

在某桥梁工程中， 有多联预应力混凝土连续箱梁， 其高度相同，尺寸为5m*51m，该工程将采用移动模架进行逐孔施工。 在此工程中，重点研究移动模架结构在施工过程中的安全情况，所以需要对本文中的技术加以利用。 工程中移动模架结构采用的是焊接钢箱梁形式，主梁的长度比较长，总共为61.49m，箱梁的高度介于3439-3457m 之间。 顶板、底板、内侧腹板、外侧腹板的厚度分别为为14-32mm、12-25mm、12mm 和10mm。 竖杆和斜腹杆所用的角钢尺寸为12.5cm*8cm*1cm，斜杆所用的材料为双拼角钢，其尺寸为10cm*8cm*1cm。横梁焊接的是工字型杆件，其高度为115cm，通过螺栓与主梁连接起来。 在横梁底模中设置有支撑，而在主梁上则设置有翼缘板和腹板撑杆，通过这几部分，能够实现箱梁浇筑模板体系混凝土湿重向模架结构的传力。

3.2 计算模型及结果

按照上述工程中移动模架的设计图纸，通过MIDAS 软件，尤其是其中的Civil 模块，能够建立起以下两种模型：第一种模型为其上部空间的有限元模型；第二种模型为其下部空间的有限元模型。同时，在两种不同状态下，分别分析上部结构的计算过程，这两种状态分别为分合模、开模状态。 在此基础上，再验算出结构的强度，同时验算结构的稳定性。在本工程的结构中，用到的钢材为Q345B，其临时性结构的允许应力提高系数取1.3。

3.3 结论及建议

首先，当移动模架为合模情况时，需要先浇筑第一孔混凝土梁，其主梁最大拉应力和最大压应力分别为255.6MPa 和-206.2MPa。如果不考虑风荷载，这两个值分别会减少1.2MPa 和增加2.1MPa。 如果考虑模架的非永久性提高，强度为限值273MPa，如果将模架的非永久性提高因素考虑在其中，可发现此时的强度是合格的。 并且，主梁的剪应力、整体稳定性，都能够达到要求。 但是，还有以下三方面达不到满足要求：第一，从主梁来看，其外侧腹板的某些部位稳定性不足；第二，从主梁腹板来看，其竖向的加劲肋间距不满足要求；第三，从主梁顶底缘翼板来看，也有某些部位的稳定性达不到要求。 可采取以下两方面的措施进行调整：第一，改变对主梁截面，增强其抗弯力，这样就可以降低其应力水平。第二，主梁的内、外侧腹板应保持厚度的一致性。同时，从竖向加密腹板增加劲肋，再适当的提高抗弯能力，增加顶板、底板厚度，然后从纵向对底板设置劲肋。

其次， 横结构的最大拉应力和最大压应力分别为164.9MPa 和、-166MPa，而材料的基本容许应力为210MPa，正应力的强度能够达到要求。 最大的剪应力比材料的基本容许应力更低，前者为71.7MPa，后者为120MPa，剪应力强度也是能够达到要求的。如果纵向施工平台对横梁纵向的限制比较弱，模板对其的限制也比较弱，但不考虑这一因素，那么横梁在受到弯矩和轴力的影响时，无论是内部还是外部，稳定性都达不到要求，只有横梁局部的稳定性能够达到要求。因此，需要结合纵向平台，将斜向的撑杆添加到横梁底模之间，或者使纵向平台的纵向能够贯通到支顶，这样才能将横梁跨对横粱的纵向支顶作用发挥出来。

4.结束语

综上所述，MIDAS 仿真技术在桥梁工程虚拟实验教学中的应用，可将桥梁工程结构的力学行为机理直观的描述出来、帮助学生更好的理解复杂结构荷载作用，并能锻炼学生的创新能力。因此，在桥梁工程虚拟实验教学中，应对此技术进行合理的运用，以促进学生实践能力的提升。