楊慶年++李偉偉

摘要：通過一個(gè)具體實(shí)例，詳細(xì)介紹了數(shù)值仿真技術(shù)軟件在課程教學(xué)過程中的應(yīng)用情況，通過引入先進(jìn)的數(shù)值仿真技術(shù)使比較難以理解的基礎(chǔ)工程理論知識(shí)更加形象化、直觀化，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)工程理論的理解，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和數(shù)值模擬能力，同時(shí)提高了教學(xué)質(zhì)量，改善了當(dāng)前《基礎(chǔ)工程》課程教學(xué)中枯燥乏味的局面。

關(guān)鍵詞：基礎(chǔ)工程；數(shù)值仿真；ANSYS；教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）02-0264-02

《基礎(chǔ)工程》這門課程作為土木工程專業(yè)的必修課之一，在土木工程技術(shù)領(lǐng)域占有極其重要的地位，這門課程的歷史沿革同土木工程專業(yè)的發(fā)展是緊密相連的[1]。由于該門課程教學(xué)內(nèi)容多，涉及范圍廣，綜合性、實(shí)踐性強(qiáng)，規(guī)范條文多等特點(diǎn)導(dǎo)致該門課程教學(xué)難度大。傳統(tǒng)的教學(xué)方式主要以板書講解為主，并配以相應(yīng)的習(xí)題，這造成教學(xué)方式單一，學(xué)生易產(chǎn)生視覺疲勞感，降低學(xué)習(xí)效率。因此，在教學(xué)過程中要不斷改革教學(xué)方法。隨著科技的發(fā)展，大力推行計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，引入數(shù)值仿真技術(shù)，通過對(duì)結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬，將結(jié)構(gòu)的受力、變形通過圖表、圖形、動(dòng)畫等方式直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，以此激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)教學(xué)進(jìn)步[2]。

一、數(shù)值仿真應(yīng)用于基礎(chǔ)工程教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

數(shù)值仿真技術(shù)是現(xiàn)階段發(fā)展較為完整的計(jì)算力學(xué)方法，它以計(jì)算機(jī)為手段，通過對(duì)實(shí)際問題建立抽象化模型，結(jié)合數(shù)值計(jì)算來獲取結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形，并采用圖像顯示的方法，以云圖和圖表的方式展現(xiàn)計(jì)算結(jié)果，達(dá)到對(duì)工程問題和物理問題科學(xué)研究的目的。本文作者在教授《基礎(chǔ)工程》課程的過程中，主要根據(jù)學(xué)生的實(shí)際情況，把NSYS的計(jì)算和分析方面的優(yōu)勢(shì)充分運(yùn)用到課程中，并與ANSYS的數(shù)值仿真技術(shù)充分融合，可以大大促進(jìn)學(xué)生分析和創(chuàng)新能力的提升同時(shí)也使教學(xué)效果大大提高，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

（一）直觀化教學(xué)，有利于學(xué)生對(duì)基本理論知識(shí)的理解

《基礎(chǔ)工程》課程內(nèi)容多、涉及面廣、經(jīng)驗(yàn)強(qiáng)、公式多、構(gòu)造規(guī)定多、實(shí)踐性強(qiáng)，初學(xué)者學(xué)起來較為吃力。比如，在講授單樁軸向荷載的傳遞機(jī)理時(shí)，學(xué)生需要掌握施加于樁頂?shù)呢Q向荷載是如何通過樁—土相互作用傳遞給地基，以及單樁是怎么達(dá)到承載力極限狀態(tài)的基本概念。對(duì)于這些內(nèi)容，傳統(tǒng)教學(xué)方法單純通過教師口頭講解和板書繪圖，不易于學(xué)生理解，導(dǎo)致學(xué)生普遍感到基礎(chǔ)工程課程理論枯燥、難懂。而ANSYS具有直觀形象的圖形顯示功能，可將抽象的應(yīng)力、應(yīng)變、位移等數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為形象生動(dòng)的圖形，這將有助于提高學(xué)生的形象思維能力，幫助學(xué)生理解教材內(nèi)容，并培養(yǎng)學(xué)生們分析結(jié)構(gòu)的能力[4]。

（二）引入數(shù)值仿真，有利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)興趣、開拓思維

作為專業(yè)課程，《基礎(chǔ)工程》的發(fā)展與現(xiàn)代科技的發(fā)展是緊密相連的。比如，常規(guī)設(shè)計(jì)方法是把地基、基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)分開計(jì)算，計(jì)算上部結(jié)構(gòu)時(shí)不考慮基礎(chǔ)剛度及地基變形對(duì)其產(chǎn)生的影響；計(jì)算基礎(chǔ)時(shí)也不考慮上部結(jié)構(gòu)形式及其剛度的影響，這樣所得的結(jié)果是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)偏于保守，造成基礎(chǔ)材料的浪費(fèi)，而上部結(jié)構(gòu)則可能偏于不安全。由于常規(guī)設(shè)計(jì)方法的局限性，1947年，Meyerhof提出基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)共同工作的概念[5]。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，利用數(shù)值分析方法分析系統(tǒng)的受力性能，分析結(jié)果準(zhǔn)確、適用性強(qiáng)[6]。引入數(shù)值仿真技術(shù)的教學(xué)方式，可以擴(kuò)大學(xué)生的眼界，擴(kuò)展學(xué)生的知識(shí)面，使其熟練地掌握和應(yīng)用計(jì)算軟件，從而能培養(yǎng)學(xué)生理論與實(shí)踐相結(jié)合的能力。

二、數(shù)值仿真在基礎(chǔ)工程教學(xué)中的具體應(yīng)用

建筑樁基礎(chǔ)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要滿足三個(gè)方面的要求：強(qiáng)度、變形及上部結(jié)構(gòu)的其他要求。此部分內(nèi)容是本課程教學(xué)中的重點(diǎn)、難點(diǎn)。教材采用以分項(xiàng)系數(shù)表達(dá)的兩種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算。本文引入新的教學(xué)手段，借助于數(shù)值仿真軟件，建立有限元模型，開展了對(duì)樁基設(shè)計(jì)的數(shù)值模擬。

（一）數(shù)值仿真計(jì)算過程

1.結(jié)構(gòu)離散化，將需要分析的結(jié)構(gòu)分割成數(shù)個(gè)單元體。

2.選擇合適的位移差值函數(shù)。

3.分析單元的力學(xué)特性。

4.建立所有單元的平衡方程，組成整體結(jié)構(gòu)的平衡方程。

5.由平衡方程組求解節(jié)點(diǎn)的未知位移，然后計(jì)算相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變，最后計(jì)算出用于設(shè)計(jì)的內(nèi)力和變形值。

（二）計(jì)算實(shí)例及結(jié)果分析

1.計(jì)算實(shí)例。假設(shè)承臺(tái)樁基礎(chǔ)斷面尺寸如圖1所示[7]。其中，承臺(tái)厚1m，全樁長20m，樁底為巖石層，故按照端承樁進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算分析。采用4根直徑為2m的鉆孔灌注樁，基礎(chǔ)和橋墩全部采用C30混凝土，由上部結(jié)構(gòu)傳下來作用于承臺(tái)上的力為1.2×105 kN。

首先建立有限元模型并劃分單元網(wǎng)格，樁身采用六面體8節(jié)點(diǎn)單元SOLID45號(hào)單元；然后施加重力和邊界條件并求解，如圖2所示。

2.結(jié)果分析。對(duì)建筑樁基礎(chǔ)的內(nèi)力和變形進(jìn)行分析，主要包括以下兩方面：（1）變形是否滿足要求；（2）混凝土拉、壓應(yīng)力是否滿足現(xiàn)行規(guī)范中規(guī)定設(shè)計(jì)值。

通過后處理器查看分析結(jié)果，單樁的最大豎向位移為7.084mm，滿足設(shè)計(jì)要求[8]。樁基礎(chǔ)的應(yīng)力最大拉應(yīng)力為1.37MPa、最大壓應(yīng)力為17.2MPa，由規(guī)范可知，C30混凝土最大拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值為1.43MPa，而最大壓應(yīng)力值為14.3MPa，說明壓應(yīng)力超過了設(shè)計(jì)強(qiáng)度，因此應(yīng)配置足夠的鋼筋方可滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，從規(guī)范中[8]也可以看出，C30混凝土最大壓應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值為20.1MPa，說明此次設(shè)計(jì)是合理的。

3.調(diào)查研究。從上面的例子可以看出，數(shù)值仿真直觀而生動(dòng)地應(yīng)用到專業(yè)課程教學(xué)中，不但使學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握能力有所提高，同時(shí)也開闊了學(xué)生的眼界，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且進(jìn)一步激勵(lì)學(xué)生通過直觀的圖像展示去追求抽象的理論知識(shí)。針對(duì)于教學(xué)的效果，本課題組連續(xù)三年，對(duì)2011、2012、2013級(jí)學(xué)生通過調(diào)查問卷的形式，對(duì)引入數(shù)值仿真環(huán)節(jié)授課效果進(jìn)行調(diào)查，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，學(xué)生認(rèn)為“該環(huán)節(jié)對(duì)學(xué)習(xí)有所幫助”的比例占到了92.6%。

三、結(jié)論

第一，從調(diào)查分析可以看出，數(shù)值仿真應(yīng)用到教學(xué)中一個(gè)明顯的特點(diǎn)就是直觀，使學(xué)生有新鮮感，不僅加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握、提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓展了眼界，而且激勵(lì)學(xué)生通過直觀的圖像展示去追求抽象的理論知識(shí)。

第二，數(shù)值仿真可以在不同條件下進(jìn)行重復(fù)操作演示，克服了現(xiàn)實(shí)中不能或不易實(shí)現(xiàn)的演示與設(shè)計(jì)。進(jìn)行演示，不但能精確設(shè)計(jì)結(jié)果，而且節(jié)約資源。

第三，數(shù)值仿真軟件在工程計(jì)算分析中得到廣泛的應(yīng)用，但應(yīng)用于輔助教學(xué)不是很多，因此引入一定的數(shù)值仿真輔助教學(xué)是十分必要的。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡衛(wèi)東，楊恒山，甘美玲.土木工程專業(yè)基礎(chǔ)工程課程的教學(xué)改革研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010，（29）：132-133.

[2]袁健，丁科.結(jié)合專業(yè)課程知識(shí)的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)方式探討[J].高等建筑教育，2011，20（2）：56-58.

[3]盧玉林，盧滔，王振宇等.數(shù)值仿真技術(shù)在建筑力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].高等建筑教育，2012，21（2）：137-139.

[4]林紅，胡玉林，薛世峰.ANSYS在工科材料力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].電腦學(xué)習(xí)，2011（1）：15-17.

[5]華南理工大學(xué)，浙江大學(xué)等.基礎(chǔ)工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2013.

[6]何本國.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例（第三版）[M].北京：中國水利水電出版社，2011.endprint