Midas數(shù)值模擬在《建筑結(jié)構(gòu)》課程中的應(yīng)用探索

趙智慧

【摘 要】建筑結(jié)構(gòu)課程是高職高專建筑技術(shù)專業(yè)學(xué)生的必修基礎(chǔ)課程，該課程涵蓋大量的課程實(shí)驗(yàn)，在缺乏試驗(yàn)條件，教學(xué)課時(shí)精簡，實(shí)踐環(huán)節(jié)被空前重視的條件下，為了順利完成實(shí)驗(yàn)，本文借助Midas結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，將數(shù)值模擬引入建筑結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，使構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和破壞形態(tài)在課堂上生動(dòng)地展現(xiàn)出來，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力，提高教學(xué)質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】Midas數(shù)值模擬；建筑結(jié)構(gòu)課程；應(yīng)用探索

現(xiàn)階段高職院校招生規(guī)模急劇膨脹，大多數(shù)高職院校面臨試驗(yàn)教學(xué)資源嚴(yán)重不足的困境，現(xiàn)有的試驗(yàn)條件不能滿足教學(xué)任務(wù)的需要，嚴(yán)重影響了教學(xué)質(zhì)量。建筑結(jié)構(gòu)課程教學(xué)公式推導(dǎo)和理論的建立是以試驗(yàn)為基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的理論教學(xué)方式試驗(yàn)現(xiàn)象的描述枯燥、繁瑣和難于理解，數(shù)值模擬仿真教學(xué)實(shí)現(xiàn)把“虛擬的試驗(yàn)室”搬到課堂上，在理論教學(xué)的同時(shí)穿插試驗(yàn)教學(xué)。仿真教學(xué)試驗(yàn)可以輸出結(jié)構(gòu)真實(shí)的三維模型、仿真動(dòng)畫和結(jié)果數(shù)據(jù)，通過對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析來闡述基本概念、基本原理。大多數(shù)高職院校的建筑結(jié)構(gòu)課程的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)主要包括單筋矩形截面受彎構(gòu)件正截面破壞形態(tài)、受彎構(gòu)件斜截面受剪破壞、軸心受壓柱的破壞、偏心受壓柱破壞。

建筑結(jié)構(gòu)常用計(jì)算軟件PKPM系列、廣廈結(jié)構(gòu)CAD、SAP2000、ANSYS、MIDAS等，MIDAS/Gen—建筑結(jié)構(gòu)通用有限元分析和設(shè)計(jì)軟件，2004年1月9日通過國家建設(shè)部評估鑒定（建科評[2003]015號），優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)：可以導(dǎo)入PKPM、AutoCAD、SAP、STAAD等文件，便于互相校核；按國內(nèi)新規(guī)范輸出各種結(jié)果，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)平法輸出配筋結(jié)果簡圖、鋼結(jié)構(gòu)驗(yàn)算結(jié)果簡圖等及設(shè)計(jì)計(jì)算書文本輸出。

本文借助借用Midas gen軟件對單筋矩形截面受彎構(gòu)件正截面破壞形態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模型模擬：

（1）選擇恰當(dāng)?shù)慕孛娉叽?、配筋、材料?/p>

（2）完成模型的建立（材料—截面—單元—邊界條件—荷載）；

（3）結(jié)果分析。

1 適筋破壞

1.1 梁的尺寸、材料和配筋

梁采用C25混凝土，鋼筋采用HRB335，架立筋和受力鋼筋以及箍筋的配筋情況如圖1、圖2所示。

1.2 適筋梁模型

（1）混凝土和鋼筋材料（圖3）

（2）鋼筋截面尺寸（圖4）

（3）梁模型（不含鋼筋）

梁橫截面尺寸120mm×200mm，橫截面橫向網(wǎng)格劃分25mm、25mm、20mm、25mm、25mm，縱向網(wǎng)格50mm的間距如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)梁是簡支梁，邊界條件為一端固定端支座，一端可動(dòng)鉸支座，在midas gen軟件中梁的縱向?yàn)閤方向，梁橫截面方向?yàn)閥方向，豎向?yàn)閦方向。支座模擬是z方向的所有位移限制在表一中表現(xiàn)的是“1”，x方向一端固定為“1”，一端可動(dòng)為“0”，y方向中間點(diǎn)不動(dòng)為”1”，兩端可動(dòng)為“0”（如表1和圖8-圖11所示）。

適筋梁破壞始于受拉區(qū)，當(dāng)彎矩達(dá)到一定值時(shí)，縱向受拉鋼筋的應(yīng)力先屈服強(qiáng)度，受拉鋼筋的應(yīng)力保持屈服強(qiáng)度不變，而應(yīng)變迅速增大，知道受壓邊緣混凝土的壓應(yīng)變達(dá)到極限壓應(yīng)變，受壓區(qū)混凝土被壓碎而破壞。

1.3 超筋梁模型

超筋梁模型和適筋梁模型的區(qū)別是：

（1）從圖1可以看出縱向受力鋼筋偏大；

（2）集中力荷載的大小不同為50kN，共100kN。

1.4 少筋梁模型

少筋梁模型和適筋梁模型的區(qū)別是：

（1）從圖1可以看出縱向受力鋼筋偏小；

（2）集中力荷載的大小不同為18kN，共36kN。

在建筑結(jié)構(gòu)課程中，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的承載力計(jì)算是教學(xué)大綱要求的重點(diǎn)內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容涉及鋼筋種類、位置和作用以及鋼筋混凝土構(gòu)件的破壞形態(tài)和配筋構(gòu)造要求。采用抽象概念加機(jī)械記憶的傳統(tǒng)教學(xué)法收效不佳，一部分構(gòu)件空間概念薄弱的學(xué)生將對學(xué)習(xí)失去信心。

利用數(shù)值模擬方法，將構(gòu)件和結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)和破壞形態(tài)在課堂上生動(dòng)地展現(xiàn)出來，不僅有利于學(xué)生加深對理論、概念的理解、了解構(gòu)件變形破壞的全過程，而且可以提高學(xué)生的興趣，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)知識的主動(dòng)性。

[責(zé)任編輯：王楠]