水利工程中MIDAS計(jì)算軟件的應(yīng)用

摘?要：在智能水利快速發(fā)展的背景下，在水利工程中合理運(yùn)用計(jì)算機(jī)分析軟件則成為提升項(xiàng)目管理能力的重要組成部分。在本次研究中，本文將立足于MIDAS計(jì)算軟件，從多個(gè)維度入手闡述了MIDAS計(jì)算軟件的應(yīng)用方案。從案例項(xiàng)目的應(yīng)用結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在水利工程中運(yùn)用MIDAS計(jì)算軟件可以更深入地了解水利工程項(xiàng)目信息，幫助相關(guān)部門進(jìn)行質(zhì)量管理，這對(duì)于保障水利工程安全的意義重大。

關(guān)鍵詞：水利工程；AIDAS計(jì)算軟件；泄流孔；拱槽

水利工程項(xiàng)目普遍具有工程量大、施工周期長(zhǎng)的特征，導(dǎo)致工程項(xiàng)目在施工建設(shè)中可能面臨更多的質(zhì)量、安全風(fēng)險(xiǎn)，這對(duì)于水利工程項(xiàng)目的長(zhǎng)期運(yùn)行是不利的。因此在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，相關(guān)學(xué)者提出了運(yùn)用計(jì)算機(jī)分析軟件來(lái)評(píng)估水利工程項(xiàng)目性能的方法，通過建立仿真模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以更直觀地評(píng)價(jià)水利工程現(xiàn)狀并分析其中存在的質(zhì)量問題，具有可行性。其中MIDAS計(jì)算軟件因?yàn)榫哂泻軓?qiáng)的適應(yīng)性與數(shù)據(jù)處理能力成為當(dāng)前水利工程質(zhì)量評(píng)估的關(guān)鍵技術(shù)，值得關(guān)注。

1?MIDAS計(jì)算軟件分析

MIDAS計(jì)算軟件又被稱為邁達(dá)斯軟件，是基于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析的數(shù)據(jù)處理軟件，在橋梁領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。作為一種功能齊全的處理軟件，在水利工程項(xiàng)目中可以完成非線性邊界分析、水化熱分析、材料非線性分析、靜力彈塑性分析、動(dòng)力彈塑性分析，可以完成高端非線性分析與細(xì)部分析，并且該軟件的操作難度低、上手速度快，這也為該軟件的進(jìn)一步推廣奠定了基礎(chǔ)［1］。

在水利工程項(xiàng)目中，MIDAS軟件的優(yōu)勢(shì)主要集中在以下內(nèi)容：（1）MIDAS軟件可以通過構(gòu)建三維模型的方法仿真水利工程項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)信息，根據(jù)軟件仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)水利工程結(jié)構(gòu)中的缺陷，幫助相關(guān)人員改進(jìn)水利工程不足［2］。（2）MIDAS軟件可以提供多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，因此該軟件可以用于不同水利工程處理，模擬水利工程不同工況下的狀態(tài)，充分滿足工作人員操作的要求［3］。

2?MIDAS計(jì)算軟件在泄漏孔加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1?項(xiàng)目背景

近幾年某地區(qū)的防洪形勢(shì)嚴(yán)峻，現(xiàn)有水閘的最大工作流量達(dá)到了260m3/s，并且水閘前存在嚴(yán)重的泥沙淤積問題，嚴(yán)重影響了水工建筑物的性能。根據(jù)對(duì)該水閘的相關(guān)調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，因?yàn)樵撍l的建成時(shí)間長(zhǎng)，再加之上游地區(qū)存在大量泥沙淤積問題，導(dǎo)致河口水閘水流紊動(dòng)，具有泄漏孔存在險(xiǎn)情，嚴(yán)重影響了該水閘的功能，所以需要對(duì)泄流閘孔做加固改造。并且設(shè)計(jì)人員通過研究發(fā)現(xiàn)，水閘泄流孔與閘門在靜載作用下可能會(huì)出現(xiàn)明顯的變形，這對(duì)于保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是不利的，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

而相關(guān)部門在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查后，發(fā)現(xiàn)閘孔中滲流場(chǎng)活躍，設(shè)計(jì)水位工況下浸潤(rùn)線高度處于孔側(cè)壁位置，在靜載作用下會(huì)導(dǎo)致水閘泄流孔出現(xiàn)嚴(yán)重的拉應(yīng)力特征，這一情況會(huì)直接影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。所以為了解決該問題，相關(guān)部門決定利用MIDAS計(jì)算軟件做進(jìn)一步處理。

2.2?軟件模型仿真

為了更直觀顯示水利工程項(xiàng)目的相關(guān)信息，在MIDAS計(jì)算軟件上建立了泄流孔加固后的有限元模型［4］。該模型中包括約12.6萬(wàn)個(gè)微單元，模型底部采用了多向約束的方法，頂部為單向約束方法，模型中各個(gè)部分的物理力學(xué)均根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值計(jì)算。在該模型中，X軸為順?biāo)髁?，Y軸為閘室垂直向上；Z軸為水流橫向右岸。在該模型的基礎(chǔ)上，可以完成鋼結(jié)構(gòu)橫截面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化。

2.3?設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化方案

在該項(xiàng)目中為了更深入地判斷鋼結(jié)構(gòu)橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)水利工程性能的影響，工作人員在MIDAS計(jì)算軟件中進(jìn)行仿真，在確保橫梁高度小于等于跨距1/4的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)下，分別設(shè)置了不同橫梁高度設(shè)計(jì)方案（在軟件模擬中，分別設(shè)置橫梁高度為1.0m、1.1m、1.2m、1.3m、1.4m、1.5m），在其他數(shù)據(jù)保持不變的情況下，在軟件中開始模擬下泄流閘中多個(gè)關(guān)鍵部位所產(chǎn)生的應(yīng)力變化情況。

2.3.1?不同鋼結(jié)構(gòu)橫梁高度的拉、壓應(yīng)力特征模擬

2.3.1.1?拉應(yīng)力結(jié)果

在MIDAS計(jì)算軟件的支持下，該項(xiàng)目在軟件上模擬不同方案的應(yīng)力變化，最終獲得了不同橫梁高度下的最大拉應(yīng)力變化情況。根據(jù)MIDAS計(jì)算軟件的模擬結(jié)果可知，當(dāng)橫梁高度為1.0m時(shí)，縱梁的最大拉應(yīng)力達(dá)到了38MPa，孔壁的拉應(yīng)力達(dá)到了3.3MPa；而隨著橫梁高度的增加，上述兩個(gè)部位的拉應(yīng)力不斷下降，當(dāng)橫梁高度達(dá)到15m時(shí)，總量最大壓應(yīng)力下降至2.7MPa，孔壁的最大壓應(yīng)力下降至2.2MPa。相比之下，當(dāng)橫梁高度從1.0m演變至1.5m時(shí)，水閘所承受的最大拉應(yīng)力無(wú)明顯變化，相關(guān)資料如圖1所示。

根據(jù)圖1所介紹的信息可以發(fā)現(xiàn)，在三個(gè)關(guān)鍵部位中，縱梁所承受的壓應(yīng)力最大，閘門所承受的拉應(yīng)力最小。根據(jù)MIDAS計(jì)算軟件模擬的相關(guān)資料可知，通過改變橫梁截面體形會(huì)改變水工建筑物的結(jié)構(gòu)受力情況，其中結(jié)構(gòu)張拉危險(xiǎn)面主要集中在縱梁上。因此根據(jù)這一結(jié)果可以認(rèn)為，在未來(lái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注橫縱梁體穩(wěn)定性。

同時(shí)根據(jù)本次的相關(guān)結(jié)果可知，通過比較不同橫梁高度參數(shù)設(shè)計(jì)方案中的最大應(yīng)力變化，隨著橫梁高度減少會(huì)導(dǎo)致孔壁與橫梁的最大壓應(yīng)力下降，其中隨著高度的下降，壓應(yīng)力的降幅約為30%～38%，在進(jìn)一步分析其中的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)后可以發(fā)現(xiàn)，橫梁高度在1.0～1.3的區(qū)間內(nèi)具有更明顯的張拉抑制效應(yīng)，對(duì)于控制結(jié)構(gòu)建造成本的意義重大。并且因?yàn)殚l門所承受的最大壓應(yīng)力變化不明顯，從方案性能的角度來(lái)看，當(dāng)橫梁高度為1.3m時(shí)，閘門、泄流孔壁與縱梁的最大壓應(yīng)力處在安全區(qū)間內(nèi)，并且該結(jié)構(gòu)對(duì)于抑制泄流閘張拉的作用滿意。

2.3.1.2?應(yīng)力特征研究

通過計(jì)算不同方案中關(guān)鍵部位的最大壓應(yīng)力變化，本文在MIDAS計(jì)算軟件中進(jìn)行模擬，此時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在該結(jié)構(gòu)中壓應(yīng)力最大部位是孔壁，其中當(dāng)橫梁高度達(dá)到1.1m時(shí)，孔壁所承受的壓應(yīng)力值達(dá)到了12.5MPa，而在相同的高度下，閘門的壓應(yīng)力約下降62.0%，縱梁的壓應(yīng)力約下降21.8%。從整體數(shù)據(jù)來(lái)看，在不同設(shè)計(jì)方案中孔壁壓應(yīng)力與閘門、縱梁等部位存在較大的差值，其中最高值達(dá)到了41.5%。同時(shí)根據(jù)MIDAS計(jì)算軟件的模擬結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，隨著橫梁高度的增加會(huì)導(dǎo)致孔壁、縱梁的最大壓應(yīng)力變化，二者之間呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。所以從結(jié)構(gòu)優(yōu)化的角度來(lái)看，在案例水利工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，橫梁高度為1.3m時(shí)結(jié)構(gòu)的拉應(yīng)力水平較為理想，是一種較為理想的設(shè)計(jì)方案。

2.3.2?鋼結(jié)構(gòu)橫梁寬度對(duì)拉、壓應(yīng)力的影響

在該項(xiàng)目中在上文背景的基礎(chǔ)上，工作人員通過MIDAS計(jì)算軟件來(lái)判斷不同橫梁寬度對(duì)拉應(yīng)力與壓應(yīng)力的影響。

2.3.2.1?拉應(yīng)力變化

根據(jù)MIDAS計(jì)算軟件的仿真結(jié)果，本文統(tǒng)計(jì)了相同工況下不同部位的拉應(yīng)力變化情況，詳細(xì)的數(shù)據(jù)資料如圖2所示。

根據(jù)圖2的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著橫梁寬度的變化，縱梁、孔壁與閘門的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本相同，表現(xiàn)出“先減少后增加”的數(shù)據(jù)波動(dòng)情況，這一結(jié)果提示隨著橫梁寬度的變化，會(huì)對(duì)水利工程項(xiàng)目性能產(chǎn)生直接影響，橫梁寬度已經(jīng)成為不容忽視的問題。以縱梁為例，當(dāng)橫梁的寬度達(dá)到1.0m時(shí)，縱梁的最大壓應(yīng)力數(shù)值達(dá)到了2.7MPa，但是當(dāng)橫梁的寬度提升至1.2m時(shí)，壓應(yīng)力的降幅約為43%；但是隨著橫梁寬度的增加，當(dāng)其寬度值為1.3m、15m時(shí)，與1.2m相比數(shù)據(jù)相比增幅約為13%與52%。根據(jù)圖2的數(shù)據(jù)可知，在MIDAS軟件仿真中發(fā)現(xiàn)三個(gè)部位的最小拉應(yīng)力值均為1.2m。所以根據(jù)這一結(jié)果可以認(rèn)為，當(dāng)橫梁寬度在1.0～1.2m的區(qū)間時(shí)，應(yīng)力降幅較為明顯，對(duì)結(jié)構(gòu)張拉的抑制作用更明顯，因此最終結(jié)果顯示當(dāng)橫梁寬度達(dá)到1.2m時(shí)，結(jié)構(gòu)的抗拉效果最理想。

2.3.2.2?壓應(yīng)力變化情況

根據(jù)軟件模擬結(jié)果可知，橫梁寬度會(huì)直接影響不同部位的最大壓應(yīng)力數(shù)值，而根據(jù)其中的數(shù)據(jù)變化可以發(fā)現(xiàn)，橫梁寬度與縱梁、孔壁以及閘門之間存在二次函數(shù)關(guān)系，其中當(dāng)寬度達(dá)到1.2m時(shí)各個(gè)部位所產(chǎn)生的壓應(yīng)力達(dá)到最大值，其中閘門拉應(yīng)力為8.3MPa，泄流孔的壓應(yīng)力為142MPa，縱梁為11.2MPa。并且在1.0～1.2m的區(qū)間中，隨著寬度的增加壓應(yīng)力的增幅越大，與1.0m相比，三個(gè)指標(biāo)的數(shù)據(jù)增幅均值超過20%。而當(dāng)寬度大于1.2m之后，壓應(yīng)力明顯下降，其中在1.2～1.5m的數(shù)據(jù)區(qū)間中，壓應(yīng)力的平均降幅約為15%。所以根據(jù)這一組數(shù)據(jù)變化情況可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橫梁的寬度達(dá)到1.2m時(shí)，水利工程結(jié)構(gòu)的抗拉性能最滿意。

2.4?效果評(píng)價(jià)

根據(jù)案例工程項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，在該水利工程項(xiàng)目中通過MIDAS計(jì)算軟件可以模擬不同橫梁寬度與橫梁高度對(duì)水工建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響，最終根據(jù)MIDAS計(jì)算軟件的仿真可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)橫梁寬度為1.2m、橫梁高度為1.3m時(shí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好，因此根據(jù)這一組數(shù)據(jù)可以認(rèn)為，通過MIDAS計(jì)算軟件可以用于指導(dǎo)泄漏孔加固結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，就有可行性。

3?MIDAS計(jì)算軟件在拱槽設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1?項(xiàng)目背景

某水庫(kù)是一座集農(nóng)業(yè)灌溉、生活供水等于一體的綜合性水利工程項(xiàng)目，工程項(xiàng)目多年的平均供水量達(dá)到了2200萬(wàn)立方米。為滿足周邊地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及生活的要求，在該水利工程設(shè)計(jì)中決定新增一座拱槽，設(shè)計(jì)流量為25m3/s，加大流量約為3.1m3/s。而為了分析該拱槽結(jié)構(gòu)的合理性，該項(xiàng)目中相關(guān)人員通過MIDAS計(jì)算軟件來(lái)判斷不同工況下水工建筑物的荷載變化情況。

在本次工程中分別設(shè)定了兩個(gè)工況，其中工況一為：恒載＋水壓力＋人群荷載＋風(fēng)荷載＋溫度升降＋土壓力＋混凝土收縮。工況二為：恒載＋地震荷載。

在上述兩種工況的基礎(chǔ)上，確定案例工程項(xiàng)目的荷載工況，基本資料包括：（1）項(xiàng)目恒載設(shè)定中，拱肋、排架、系梁與基礎(chǔ)鋼筋混凝土的容重按照25kN/m3的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行

計(jì)算。（2）渡槽槽身結(jié)構(gòu)作用力計(jì)算中，可根據(jù)槽深計(jì)算

結(jié)果反力施加在排架蓋梁支座位置。同時(shí)針對(duì)拱肋等結(jié)構(gòu)，還需要考慮橫向風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。（3）溫度變化環(huán)境設(shè)定中，設(shè)定的溫度變化為整體降溫20℃與整體升溫25℃。（4）計(jì)算拱座背土壓力時(shí)需要記錄水平壓力強(qiáng)度。（5）地震荷載參數(shù)計(jì)算中，設(shè)定地震動(dòng)峰值加速度為0.1g，通過反應(yīng)譜法計(jì)算出代表值為2.25，地震作用效應(yīng)折減系數(shù)為0.35。

3.2?模型的構(gòu)建與計(jì)算

該項(xiàng)目中利用MIDAS計(jì)算軟件構(gòu)建了拱槽模型，之后分別針對(duì)兩個(gè)工況展開驗(yàn)算，最終的驗(yàn)算結(jié)果如表1所示。

同時(shí)在兩種工況下，力與彎矩平衡的數(shù)據(jù)存在一定的差異，其相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

3.3?效果評(píng)價(jià)

從表1、表2的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，判斷拱槽結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，根據(jù)其中的相關(guān)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等關(guān)鍵指標(biāo)符合穩(wěn)定性要求，在荷載作用下可以避免水工建筑物出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)變形，提示結(jié)構(gòu)的剛度良好，其性能滿足設(shè)計(jì)要求［5］。

結(jié)語(yǔ)

在水利工程中運(yùn)用MIDAS計(jì)算軟件可以提升工程項(xiàng)目效果，根據(jù)本文對(duì)不同案例的研究發(fā)現(xiàn)，在MIDAS計(jì)算軟件運(yùn)用之后，該技術(shù)可以模擬不同工況的結(jié)構(gòu)信息，并判斷水工建筑物的受力情況，對(duì)于指導(dǎo)水利工程項(xiàng)目結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工的意義重大，因此相關(guān)人員應(yīng)該深入了解MIDAS計(jì)算軟件的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與操作方法，通過該軟件不斷改進(jìn)水利工程項(xiàng)目的管理辦法，最終為切實(shí)保障水利工程施工順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：譚政（1989—?），男，漢族，湖北荊州人，碩士，中級(jí)工程師，從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。