建筑结构加固教学中数值模拟技术的应用探析

冯晓君

摘 要：结合数值模拟技术的特点，本文对其在建筑结构加固教学中的应用进行了分析和探讨，以提高教学的质量，帮助学生对相关知识进行理解和记忆。

关键词：建筑结构加固教学；数值模拟技术；建筑施工技术

随着科学技术的不断发展，我国的建筑行业获得了飞速进步，各種先进的建筑施工技术和新的建筑施工材料不断得到应用，建筑工程的质量得到了很大的提升。虽然现代建筑虽然理论寿命都能够达到数十年，但因在使用过程中受各种因素的影响和破坏，实际寿命会有所缩短，同时影响建筑的使用安全。在这种情况下，建筑结构的加固就尤为重要。

一、数值模拟技术概述

数值模拟技术，主要是通过数值的计算方法，重现现象，强调运用数值模拟的结果，对实际实验中观测到的已知现象进行解释，以加深理解。从目前的发展情况来看，数值模拟是指在计算机上实现一个特定的计算，类似于履行一个相应的物理试验，在这个过程中，分析人员实际上已经跳出了数学方程的圈子。因此，可以将数值模拟理解为使用计算机来做实验。数值模拟的步骤主要包含以下几点：

1.模型建立

要建立其能够反映问题本质的数学模型，即建数值模拟。反映问题各量之间的微分方程及相应的定解条件，这是数值模拟的出发点。如果缺乏完善准确的数学模型，数值模拟也就无从谈起。

2.寻求计算方法

在数学模型建立后，需要采取各种各样的措施和手段，采用高效率、高精准度的计算方法。目前，数值计算方法不仅包括有微分方程的离散化方法以及求解方法，还包括了贴体坐标的建立、边界条件的处理等。

3.编制程序

在对计算方法以及相关坐标系进行确定后，需要进行数值模拟程序的编制以及计算。大量的实践证明，这一阶段的工作是整个数值模拟中的主体，占据数值模拟过程的绝大部分实践。由于求解问题的复杂性，单纯依靠数值求解的方法，无法得到准确的结果，因此需要通过试验进行验证。

4.图像处理

计算工作完成后，一般数据只能通过图像的形式表现出来，因此数值图像的处理同样是十分重要的。利用现代化的计算机技术和显像技术，可以通过录像机对其动态过程进行显示，模拟的水平不断提高，图像也越来越逼真。

二、数值模拟技术在建筑结构加固教学中的应用

在经济发展的带动下，建筑工程的数量不断增加，建筑物的检测、鉴定、改造和加固任务日益繁重，也使得建筑结构的鉴定和加固逐渐形成了一门新的技术。在高校建筑工程的教学中，建筑结构加固是一项实践性很强的专业课程，对于建筑工程的教学有着十分重要的影响。但是，在当前建筑结构加固教学中，虽然学生都做过一些结构试验，但是多数高校并没有设置相应的现场实践活动，学生对于建筑结构加固的概念没有一个清晰的认识，对结构构建加固前后的受力性能、破坏过程等的理解方面存在一定的困难。

针对这个问题，可以在建筑结构结构教学中引入数值模拟技术，通过相应的数值模拟试验，加深学生对于基础知识的理解和记忆。这里结合某大学科研组研发的RFPA计算系统，对数值模拟技术的实际应用进行分析。

该计算系统是一种基于有限元应力分析以及统计损伤理论的材料破损过程分析数值计算方法，可以作为数值模拟试验的工具，对建筑材料渐进破损直至失稳的全过程进行模拟试验。系统的重要特色，是充分考虑了材料性质的非均性，通过非均匀性模拟非线性，通过连续介质力学的方法模拟非连续介质问题的材料破损过程。基于弹性损伤理论，可以建立相应的数学模型，然后通过图像的形式，将实验中存在的一些基本现象直观地演示出来。

以混凝土受弯构件的加固方法为例，对该系统的实际应用进行分析。结合相应的数值信息和理论知识，运用该计算系统，对混凝土受弯构件加固前以及采用GFRP加固后的破坏过程进行数值模拟。在加固前，混凝土梁的跨中形成了一条垂直方向的裂纹，而加固后，混凝土梁的跨中形成了树根状的裂纹系，最终混凝土构建由于FPR板与混凝土撕裂、脱落而失效，这是一种外贴加固法的典型破坏模式。通过与实际试验的对比，可以发现数值模拟的结果与试验结果相互吻合。

在建筑结构加固教学中，如果单纯采用传统的教学方法，受教学资源的限制，学生缺乏相应的实践经验，对于相关知识的理解仅仅停留在文字层面。而利用多媒体技术，对科研成果进行直观表达，可以激发学生的学习兴趣，提升教学质量。

总之，在建筑结构加固教学中，合理应用数值模拟技术，可以在有限的教学时间内，使学生尽可能多地对教学内容进行理解和掌握，激发学生的学习兴趣，通过更加直观的方式，使学生了解结构构件的应力变化和变形，切实提高教学质量。

参考文献：

[1]常旭，张悦，蔺海晓，张娟霞.数值模拟技术在建筑结构加固教学中的应用[J].现代教育技术，2010，20（5）:118-120.

[2]祝捷.数值模拟在建筑结构教学中的应用[J].北华航天工业学院学报，2011，21（3）:33-34.