羊日華+王新忠+黃國(guó)平

摘要：橋梁工程課程設(shè)計(jì)是土木工程交通土建專(zhuān)業(yè)實(shí)踐性教學(xué)計(jì)劃中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，對(duì)掌握知識(shí)和培養(yǎng)能力具有非常積極的作用。針對(duì)現(xiàn)在的工程實(shí)際設(shè)計(jì)的方向與手段，結(jié)合橋梁工程課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐，將MIDAS系列大型有限元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件引入課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)的手算方式相結(jié)合，強(qiáng)調(diào)了課程設(shè)計(jì)的合理性、實(shí)踐性。其對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)和能力具有良好的效果，能夠培養(yǎng)出更加適應(yīng)市場(chǎng)需要的土木工程專(zhuān)業(yè)人才。

關(guān)鍵詞：土木工程；橋梁工程；課程設(shè)計(jì)；MIDAS

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）51-0193-02

“橋梁工程”課程設(shè)計(jì)既是土木工程交通土建專(zhuān)業(yè)教學(xué)的一門(mén)主要課程，也是一門(mén)實(shí)踐性極強(qiáng)的工程學(xué)科，其目的是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用橋梁工程課程所學(xué)知識(shí)以及有關(guān)先修課程的基本知識(shí)進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的能力。以梁式橋課程設(shè)計(jì)為例，要求學(xué)生掌握梁式橋計(jì)算的全過(guò)程，其不僅加強(qiáng)了橋梁工程課程教學(xué)中的構(gòu)造設(shè)計(jì)、計(jì)算方法的學(xué)習(xí)效果，而且也是對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)力學(xué)等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的一次實(shí)際應(yīng)用，同時(shí)也畢業(yè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

一、現(xiàn)有橋梁工程課程設(shè)計(jì)教學(xué)中存在的主要問(wèn)題

1.現(xiàn)有的課程設(shè)計(jì)方法與工程實(shí)踐脫節(jié)。在現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，大型的有限元分析軟件逐步取代了手工計(jì)算和設(shè)計(jì)。常用的橋梁有限元軟件有ANSYS、MSC、MIDAS等一系列軟件，這些軟件以其強(qiáng)大的數(shù)值、分析運(yùn)算功能、生動(dòng)形象的圖像處理能力，代替了傳統(tǒng)方式下用筆和紙進(jìn)行的設(shè)計(jì)操作?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)課程中用筆、紙完成橋梁工程課程設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)教學(xué)方式與時(shí)代脫節(jié)，大量應(yīng)用電算技術(shù)成為一種時(shí)尚。有限元軟件應(yīng)用的輔助教學(xué)方式既為設(shè)計(jì)類(lèi)課程教學(xué)帶來(lái)了新的氣象，同時(shí)也對(duì)教學(xué)工作產(chǎn)生了巨大沖擊，其對(duì)于橋梁工程課程設(shè)計(jì)輔助教學(xué)的重要性越發(fā)突出。

2.對(duì)于設(shè)計(jì)成果是否符合要求缺乏判斷?，F(xiàn)有的課程設(shè)計(jì)僅僅采用手算模式，一旦設(shè)計(jì)成果不滿足規(guī)范要求，學(xué)生往往僅改結(jié)果，對(duì)于過(guò)程并不加以修正，而MIDAS這一類(lèi)設(shè)計(jì)軟件均引入了我國(guó)現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于設(shè)計(jì)成果是否符合規(guī)范要求是一個(gè)剛性的判斷標(biāo)準(zhǔn)，一旦設(shè)計(jì)成果不符合要求，必須全過(guò)程修正方可通過(guò)計(jì)算。

二、MIDAS軟件引入橋梁工程課程設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)與實(shí)踐

1.MIDAS軟件引入橋梁工程課程設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。為了解決橋梁工程課程設(shè)計(jì)中所暴露的問(wèn)題，在課程設(shè)計(jì)中引入MIDAS作為設(shè)計(jì)工具，同時(shí)采用手算對(duì)承載能力進(jìn)行復(fù)核，讓學(xué)生通過(guò)做課程設(shè)計(jì)，了解實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本程序和掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，并且通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，真正達(dá)到基本訓(xùn)練的目的，為畢業(yè)設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.MIDAS軟件在橋梁工程課程設(shè)計(jì)中的實(shí)踐。MIDAS系列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件為通用的空間有限元分析軟件，要用到結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、橋梁工程等大量理論知識(shí)。特別是針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)，MIDAS/Civil結(jié)合國(guó)內(nèi)的規(guī)范與習(xí)慣，在建模、分析、后處理、設(shè)計(jì)等方面提供了很多的便利功能，目前已為各大公路、鐵路部門(mén)的設(shè)計(jì)院所采用。根據(jù)橋梁工程課程設(shè)計(jì)的任務(wù)要求，教學(xué)內(nèi)容選定MIDAS系列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件中最基本的桿系程序MIDAS/Civil。基本操作過(guò)程訓(xùn)練的教學(xué)目的是讓學(xué)生了解MIDAS/Civil系列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的基本組成與設(shè)計(jì)流程，熟悉各級(jí)菜單命令。其教學(xué)內(nèi)容包括建模（前處理），即材料參數(shù)輸入、結(jié)構(gòu)離散化、邊界條件與荷載布置等；對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，即按照現(xiàn)行的規(guī)范，對(duì)各種荷載進(jìn)行組合并進(jìn)行分析；結(jié)果（后處理），即導(dǎo)出設(shè)計(jì)成果、出圖等操作。分析能力提高訓(xùn)練的教學(xué)目的是使學(xué)生的實(shí)踐能力由基本操作技能向?qū)嶋H應(yīng)用能力提高，其教學(xué)內(nèi)容是指MIDAS/Civil在進(jìn)行配筋計(jì)算與驗(yàn)算后，可以得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移圖形與表格，并且根據(jù)各種驗(yàn)算結(jié)果判斷是否通過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)范。由于軟件的全部計(jì)算過(guò)程是隱蔽、看不到的，只有讓學(xué)生通過(guò)查看結(jié)果圖形和文本文件，學(xué)會(huì)分析判斷各工況下的荷載傳遞情況、荷載圖、彎矩包絡(luò)圖、剪力包絡(luò)圖等是否正確，結(jié)構(gòu)鋼筋布置是否合理，計(jì)算結(jié)果（水平側(cè)移、裂縫、撓度等）是否符合規(guī)范、規(guī)程要求等。對(duì)可能存在的不合理的設(shè)計(jì)結(jié)果，通過(guò)對(duì)所建模型進(jìn)行修改，結(jié)構(gòu)概念、結(jié)構(gòu)分析能力得到提高，對(duì)于結(jié)構(gòu)力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、橋梁工程以及規(guī)范的理解能力大幅度增強(qiáng)。教師隨課程設(shè)計(jì)的進(jìn)度，可選在課程設(shè)計(jì)前提前組織學(xué)生傳授、現(xiàn)場(chǎng)演示上述軟件的功能、應(yīng)用及基本建模、分析及后處理過(guò)程，并且輔助已經(jīng)建好橋梁模型使學(xué)生有更加深刻的體會(huì)。對(duì)于超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的受力與施工過(guò)程息息相關(guān)，這就要求學(xué)生不僅會(huì)正確使用軟件，還要求學(xué)生采用結(jié)合所學(xué)的力學(xué)知識(shí)對(duì)所算橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能、施工過(guò)程進(jìn)行檢驗(yàn)，要求學(xué)生對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的定性分析應(yīng)十分熟悉，必要時(shí)還應(yīng)與簡(jiǎn)化的橋梁模型的手算結(jié)果相符合，以此驗(yàn)證軟件計(jì)算結(jié)果的正確性，為將來(lái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工均打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.通過(guò)MIDAS的引入加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念的教學(xué)。在我們的實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)學(xué)生往往會(huì)按照流程建立橋梁的模型，并且進(jìn)行分析計(jì)算，但是對(duì)于計(jì)算的結(jié)果往往無(wú)法進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)，甚至找不出程序報(bào)錯(cuò)的原因。其主要原因來(lái)源于學(xué)生的基本理論不清楚，對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)、規(guī)范的理解程度不夠。畢竟有限元軟件僅僅是一個(gè)工具，“人必須成為工具的主人，而不能被工具所代替”，因?yàn)槊恳淮螌?duì)于模型的修改和調(diào)試都建立在對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的宏觀概念上，所以學(xué)生在對(duì)橋梁模型的不停修改與調(diào)試中，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、橋梁工程、現(xiàn)行規(guī)范以及所學(xué)的各種力學(xué)等課程的理解不斷加深，也更加有利于教學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合，幫助學(xué)生建立大結(jié)構(gòu)的概念。

4.應(yīng)用實(shí)例。橋梁工程課程設(shè)計(jì)主要內(nèi)容為30m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)計(jì)算包括T梁截面尺寸的擬定、荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算與效應(yīng)組合、預(yù)應(yīng)力鋼束的配置、截面驗(yàn)算等。MIDAS提供視圖、結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)/單元、特性、邊界、荷載、分析、結(jié)果、PSC、pushover、設(shè)計(jì)、查詢、工具等十三項(xiàng)一級(jí)目錄。每個(gè)一級(jí)目錄下均提供若干二級(jí)目錄，MIDAS通過(guò)提供三維視圖使得設(shè)計(jì)更為直觀。如橋梁工程教學(xué)中對(duì)于截面尺寸的擬定給出的是一個(gè)范圍，如T梁指出高跨比為1/14—1/25，肋寬為0.18—0.20m，從受力與施工角度出發(fā)，在支點(diǎn)處往往采用較大的截面尺寸，跨中采用馬蹄形較小的截面尺寸，對(duì)于這些構(gòu)造缺乏直觀的現(xiàn)實(shí)。MIDAS通過(guò)材料和截面、節(jié)點(diǎn)單元輸入進(jìn)行截面擬定，相對(duì)于教材二維圖形，其可以產(chǎn)生三維構(gòu)圖，從而表現(xiàn)更加直觀。學(xué)生更加容易理解也便于細(xì)部尺寸的修改。尺寸擬定完成以后，確定邊界條件，再按照課程設(shè)計(jì)要求進(jìn)行車(chē)道和人群荷載布設(shè)，程序進(jìn)行荷載效應(yīng)計(jì)算與組合，PSC設(shè)計(jì)，完成預(yù)應(yīng)力鋼束的初步估計(jì)。學(xué)生可以通過(guò)查看各種效應(yīng)組合下的內(nèi)力圖形，與手算結(jié)果比較，判斷模型建立是否正確。這不僅提高了學(xué)生對(duì)于結(jié)構(gòu)力學(xué)等基礎(chǔ)課程的理解，更為今后施工、設(shè)計(jì)中的定性判斷提供了基礎(chǔ)。根據(jù)程序提供的預(yù)應(yīng)力鋼束數(shù)量以及結(jié)構(gòu)的彎矩圖，學(xué)生可以直觀地進(jìn)行預(yù)應(yīng)力鋼束的布置，并對(duì)鋼束的位置可以進(jìn)行任意修改，直至結(jié)構(gòu)通過(guò)程序驗(yàn)算。程序的驗(yàn)算是否可以通過(guò)施工階段正截面法向應(yīng)力驗(yàn)算、受拉區(qū)鋼筋的拉應(yīng)力驗(yàn)算、使用階段正截面抗裂驗(yàn)算等。MIDAS程序設(shè)定一旦設(shè)計(jì)不能滿足現(xiàn)有規(guī)范的要求，則驗(yàn)算報(bào)錯(cuò)，這就需要學(xué)生對(duì)模型進(jìn)行修改，或者調(diào)整預(yù)應(yīng)力鋼束的數(shù)量、位置，或者調(diào)整截面的尺寸，這能進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生設(shè)計(jì)流程、預(yù)應(yīng)力鋼束的布設(shè)以及作用等教學(xué)重點(diǎn)的理解，使得理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)進(jìn)一步融合。

三、結(jié)語(yǔ)

近幾年，將MIDAS/Civil有限元分析軟件引入混凝土結(jié)構(gòu)課程設(shè)計(jì)的教學(xué)實(shí)踐表明，通過(guò)提前布置課程設(shè)計(jì)題目，帶領(lǐng)學(xué)生熟悉并且應(yīng)用有限元軟件，對(duì)于加強(qiáng)學(xué)生的設(shè)計(jì)理念，調(diào)動(dòng)學(xué)生的設(shè)計(jì)積極性有著積極的作用，并且對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生對(duì)各種錯(cuò)綜復(fù)雜因素的綜合分析能力以及對(duì)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)、加大實(shí)踐教育起到了很大的幫助作用。

參考文獻(xiàn)：

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Application of Software MIDAS in Teaching of Bridge Engineering Course Design

YANG Ri-hua，WANG Xin-zhong，HUANG Guo-ping

（School of Civil Engineering，Hunan City University，Yiyang，Hunan 413000，China）

Abstract：Bridge engineering course design is an important part in the practical teaching design planning of the major of civil engineering transportation and civil engineering，and would make a very positive effect for knowledge mastering and capacity training. Together with the teaching practice of bridge engineering course design，the soft of MIDAS was introduced to the course design teaching，with combining of traditional hand computation. This method reflected the rationality and practicality of curriculum design，and have had a good effect to the development of students' comprehensive quality and ability. This should be great benefit to the task of cultivating those more marketing oriented professional students in the civil engineering field.

Key words：civil engineering；bridge engineering；course design；MIDAS