MIDAS仿真技术在桥梁工程虚拟实验教学中的应用

徐勋倩, 冯旭阳, 项宏亮, 汤天培

(南通大学 交通学院, 江苏 南通　226019)



MIDAS仿真技术在桥梁工程虚拟实验教学中的应用

徐勋倩, 冯旭阳, 项宏亮, 汤天培

(南通大学 交通学院, 江苏 南通226019)

针对“桥梁工程”课程实验教学难以进行大型工程实验的问题,引入MIDAS仿真技术,设计了“桥梁工程”虚拟仿真实验。该仿真实验通过对桥梁工程结构力学行为、变形特征以及整体、局部安全稳定性的数值仿真,实现了大型复杂工程结构实验的可视化并且易操作。以桥梁工程施工过程安全监控为例,MIDAS数值仿真可与真实的实验环境和实验操作相互补充,便于学生进行软件应用和创新能力的训练。

桥梁工程； 虚拟实验； MIDAS； 数值仿真

“桥梁工程”是土木与交通工程专业的一门重要核心课程,涉及的学科范围广,包括工程测量、工程材料、岩土工程、水文地质、力学、结构设计原理、施工技术等专业知识。由于课程涵盖的概念多、公式多,并且一些概念较为抽象,致使学生普遍感到“桥梁工程”课程比较乏味和难懂。

笔者结合本科生必修课程“桥梁工程”开放实验教学,将土木与交通工程行业中MIDAS数值仿真技术融于实验课程的教学活动中[1-2],解决了桥梁工程实验教学难以开展大型工程实验的问题[3-5]。

1　MIDAS/Civil虚拟仿真软件

近年来,数值仿真在土木与交通工程领域得到越来越广泛的重视,并且理论与技术已日趋成熟。数值仿真技术可以克服常规物理实验的监测困难和重复性差等缺陷,具有可视化、易操作、通用性强等优点,是解决土木与交通工程行业大型科学和工程难题的有效方法之一。在桥梁工程中常用的数值仿真软件主要有ANSYS、ADINA、ABAQUS、MIDAS和桥梁博士等。

MIDAS主要用于大型复杂工程结构,特别是分析诸如钢桁架桥梁结构、预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等特殊的桥梁结构形式,可以做非线性边界分析、水化热分析、材料非线性分析、静力弹塑性分析、动力弹塑性分析,能够迅速、准确地完成土木类结构的分析和设计[6-8]。MIDAS中的Civil模块具有强大的前后处理功能,且特别适合求解复杂结构非线性问题,使其在土木与交通工程行业复杂桥梁结构的模拟中应用较为广泛[9-10]。

由于桥梁工程结构在荷载作用下引起的作用效应属于典型的大变形问题,因此,MIDAS/Civil作为复杂桥梁结构的模拟研究工具有很好的适用性。MIDAS/Civil具有直观、形象的三维图形显示功能,可将抽象的荷载作用效应(弯矩、剪力、轴力、位移变形等)转化为直观的三维图形[11-12]。因此,将MIDAS/Civil数值仿真技术作为“桥梁工程”课程开放实验教学的辅助手段,进行复杂桥梁结构施工过程的数值仿真研究,使桥梁工程结构弯矩、剪力、轴力、位移、变形及应力状态用云图、等值线图及动画等形式形象地表现出来,能帮助学生直观地认识复杂桥梁工程施工过程的力学行为及其规律、牢固掌握相关知识点,提升学生分析问题和解决实际工程实际问题的能力。

2　MIDAS对桥梁工程虚拟实验教学的辅助作用

2.1直观描述桥梁工程结构的力学行为机理

“桥梁工程”课程开放实验教学的目的是阐述桥梁工程结构在不同阶段(尤其是施工过程中),力学行为规律及其安全监控的基本理论和概念,让学生认识不同荷载模式下桥梁结构作用效应、安全监测等相关控制方法。然而,由于桥梁工程荷载作用效应是典型的三维力学问题,一些现象——如结构应力、应变及安全稳定性,是看不见和接触不到的。如果只靠课堂上进行理论讲解,对于基础薄弱的学生来说会感到较为晦涩、乏味和难于理解。采用MIDAS/Civil数值仿真技术能够很好地解决这些问题。

笔者将MIDAS/Civil数值仿真引入“桥梁工程”虚拟实验教学中,模拟不同使用、施工阶段结构的力学行为特征,把一些复杂的桥梁结构空间和力学问题，通过彩色云图、等值线图和动画等形象地展示在学生面前,真实再现桥梁工程不同阶段结构力学效应、变形和安全稳定性的变化过程,增强学生对桥梁工程复杂力学特性变化过程的理解和记忆。

2.2加强学生对复杂结构荷载作用效应的理解

桥梁工程应力、应变以及安全监控实验,具有时间尺度长、几何尺度大的特点。学生对桥梁工程力学行为特性的认识大多是建立在已有现场实测和经验的基础上,对不同阶段工程结构的力学行为、安全监测难以综合考虑各方面的因素。如果仅凭借有限监控点的监测，不足以掌握不同阶段、不同荷载组合作用对结构的影响规律,难以对使用、施工全过程的力学行为规律形成一个完整的观念。这也是传统的单一化和理论化的“桥梁工程”教学模式的主要弊端。

MIDAS数值仿真实验是通过对桥梁工程结构力学行为、变形特征以及整体、局部安全稳定性的数值仿真,实现大型复杂工程结构实验的可视化和易操作。

MIDAS商业软件强大的数值仿真功能,为实验教学提供了有利手段。通过对桥梁工程结构的虚拟仿真实验,实现了大型复杂工程结构实验的可视化、易操作。最主要的是,MIDAS不受实验室条件与时间的限制,能直观显示桥梁结构不同阶段结构的应力、应变、变形分布特征与施工转体变化中结构的矢量图。学生能利用结构应力、应变云图和等值线图，很直观地掌握复杂结构和不同荷载组合下结构的力学行为特征,提高对桥梁工程力学基本规律的感性认识,加深对复杂桥梁结构基本概念的理解。

2.3提升学生对“桥梁工程”相关问题的创新能力

目前,交通行业桥梁工程的科研、工程设计和施工控制大都借助于数值仿真技术,MIDAS/Civil数值仿真为解决相关桥梁工程施工监测问题提供强有力的工具,引入数值仿真技术进行桥梁工程教学,能够引导学生主动参与桥梁工程施工监测相关问题的研究与实验,为学生今后的工程应用和研究学习奠定坚实的基础。

MIDAS/Civil数值仿真技术的应用是建立在对专业理论知识掌握、理解的基础上。一方面,学生通过数值仿真练习,对桥梁工程相关知识所存在的难点和重点进行验证和巩固,亦可对桥梁工程新的发展方向展开深入的探究,有效提高了学生对桥梁结构问题的钻研和分析能力。另一方面,通过直观的三维数值仿真的学习,使学生熟练掌握“桥梁工程”知识体系中的基本概念和理论知识,并将这些知识应用到工程实际问题分析中。两者相互结合,既锻炼了学生的分析问题能力,又提升了学生的创新能力。

3　MIDAS在桥梁工程虚拟实验教学中的典型应用

3.1项目概述

济南长清黄河公路大桥因设计需要,设有多联5×51 m等高度预应力混凝土连续箱梁,并确定利用移动模架进行逐孔施工。为保证移动模架结构在桥梁建设过程中的安全及稳定[13],应用MIDAS/Civil软件对移动模架结构施工阶段的安全性进行复核计算分析。

移动模架结构采用焊接钢箱梁,主梁总长61.49 m,箱梁高度3 439～3 457 mm,顶板厚度14～32 mm,底板厚度12～25 mm,内、外侧腹板厚度分别为12 mm和10 mm。移动模架两端采用桁式鼻梁结构与主梁对接,基本节间长度2.5 m,鼻梁上、下弦采用焊接工字型截面,竖杆、斜腹杆采用双拼125 mm×80 mm×10 mm角钢,底面横向联系横杆采用双拼10#槽钢,斜杆采用双拼100 mm×80 mm×10 mm角钢。横梁采用高度1 150 mm的焊接工字型杆件,与主梁通过螺栓连接；箱梁浇注模板体系通过设于横梁的底模支撑及设于主梁的翼缘板及腹板撑杆，实现混凝土湿重向模架结构传力,模架总体情况如图1所示。

图1　模架结构

3.2计算模型

依据济南长清黄河公路大桥51 m移动模架设计图纸,采用MIDAS/Civil建立移动模架上部、下部空间有限元模型,如图2、图3所示。其中,对上部结构进行分析计算,总体计算模型分合模状态和开模状态两类。

图2　模架上部结构有限元计算模型

图3　模架下部结构有限元计算模型

3.3计算结果

根据《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》(JTJ 025—86)第1.2.15条,对结构进行强度、稳定性验算,结构采用Q345B钢材,临时性结构考虑容许应力提高系数1.3,各工况下主梁、横梁、下部结构牛腿及支撑的计算结果如图4—图6所示。

图4　主梁计算结果

图5　横梁计算结果

图6　牛腿及支撑结构计算结果

3.4结论与建议

经对模架结构的计算结果分析,结论与建议如下。

(1) 在合模状态下,进行首孔混凝土梁浇注时,主梁最大拉应力为255.6 MPa,最大压应力为-206.2 MPa。若不计风荷载,主梁最大拉应力为254.4 MPa,最大压应力为-204.1 MPa,高于材料基本容许应力210 MPa,考虑模架的非永久性提高后,低于强度限值273 MPa,强度满足要求。主梁剪应力、整体稳定性满足要求。主梁外侧腹板局部稳定性不满足要求,主梁腹板竖向加劲肋间距不满足要求,主梁顶底缘翼板局部稳定性不满足要求。建议:①主梁强度在临时结构的安全系数上调后,虽可满足要求,但应力水平较高,建议适当调整主梁截面,增大主梁抗弯能力,降低应力水平；②建议主梁内外侧腹板采用相同厚度,加密腹板竖向加劲肋,结合提高抗弯能力，增大顶、底板厚度,并对底板设置纵向加劲肋。

(2) 横梁结构最大拉应力为164.9 MPa,最大压应力为-166 MPa,低于材料基本容许应力210 MPa,正应力强度满足要求；最大剪应力为71.7 MPa,低于材料基本容许应力120 MPa,剪应力强度验算满足要求。在不考虑纵向施工平台及模板等对横梁纵向限制较弱时,横梁3—9在弯矩及轴力作用下,面外稳定性不满足要求；横梁局部稳定性满足要求。建议:保证在横梁跨中对横梁的纵向支顶作用,可考虑结合纵向平台在横梁与底模间增设斜向撑杆,或保证纵向平台的纵向贯通支顶等。

(3) 关于模架下部牛腿及接地支撑结构,在图纸设定边界条件下,接地支撑与桥墩间连接型钢按固结处理时,型钢正应力强度大于限值,其余杆件强度均可满足要求。结构中牛腿斜杆、接地支撑竖杆杆件稳定性、结构整体稳定性以及各杆件局部稳定性均可满足要求。建议增大型钢截面,或将牛腿顶部改为能限制横桥向位移、型钢与桥墩间连接释放竖向位移,如槽式限位装置等。

4　结语

将基于MIDAS设计的仿真实验应用到“桥梁工程”实验教学中,可以生动、形象地将桥梁工程中大型复杂结构的力学性能直观显示出来。该数值仿真实验可以弥补桥梁工程传统实验方法的不足,对于一些实验室不能用实际工程演示的实验项目,借助数值仿真实验进行分析,不仅减少了实验仪器设备、实验耗材相关费用,还使学生能够深入地掌握、理解理论知识和工程问题,使得学生的学习效果更好。利用MIDAS商业软件提供的Civil应用模块,学生可以自主开展灵活多样的开放性、设计性和研究性桥梁工程实验项目,不仅能加深对桥梁工程基础知识的理解掌握,更能够激发学生的实践创新能力。

References)

[1] 沈波,詹海刚,张富兵.MIDAS软件在海上钢栈桥计算中的应用[J].公路,2012(12):33-35.

[2] 葛俊颖.桥梁工程软件midas civil使用指南[M].北京:人民交通出版社,2013.

[3] 孙书伟,林杭,任连伟.FLAC3D在岩土工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2011.

[4] 考四明,卢小雨,宫能平.数值模拟在材料力学教学中的应用[J].西南师范大学学报:自然科学版,2014,38(12):209-211.

[5] 盖文东,张婧,赵伟志.基于OPC技术的过程控制仿真实验设计[J].实验技术与管理,2015,32(10):133-135.

[6] 刘建武.钢筋混凝土拱桥主拱圈悬臂浇筑施工技术研究[D].重庆:重庆交通大学,2012.

[7] 刘辉.大跨径钢筋混凝土拱桥悬臂桁架浇筑法施工技术研究[D].重庆:重庆交通大学,2013.

[8] 朱波.大跨径钢筋混凝土拱桥悬臂浇筑施工控制技术研究[D].重庆:重庆交通大学,2012.

[9] Zhu Jinsong,Chen Cheng,Han Qinghua.Vehicle-bridge coupling vibration analysis based fatigue reliability prediction of prestressed concrete highway bridges[J].Structural Engineering and Mechanics,2014,49(2):203-223.

[10] 许世展,柯红军,姬同庚,等.桃花峪黄河大桥主桥成桥状态确定及基准索股架设用[J].中外公路,2013,33(4):152-157.

[11] 陈科键.装配式T形梁桥横向联接的有限元分析及加固研究[D].长沙:中南大学,2011.

[12] 王春生,周江,吴全有,等.既有混凝土桥梁疲劳寿命与使用安全评估[J].中国公路学报,2012,5(6):102-107.

[13] 交通运输部.JTGBO1-2014公路工程技术标准[S].北京:人民交通出版社,2014.

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年江苏省高等教育教学改革与质量提升工程建设专项；南通市科技局项目(AR2015013)；江苏省大学生创新训练计划项目(201610304074Y)；南通大学省级教学改革研究培育项目(2013S04)；南通大学精品课程培育项目(JP13042)

徐勋倩(1973—),女,江西九江,博士,教授,副院长,从事交通运输工程学科领域科研与教学.E-mail：xunqian_xu@163.com

TU501

B

1002-4956(2016)10-0115-04