畢業(yè)設(shè)計(jì)的橋梁電算課程教學(xué)方法探索

　　摘 要：隨著計(jì)算機(jī)的普及和有限元分析方法在橋梁設(shè)計(jì)、施工和維修加固等領(lǐng)域的全面應(yīng)用，橋梁工程方向本科畢業(yè)生廣泛采用橋梁專業(yè)軟件開展畢業(yè)設(shè)計(jì)，使學(xué)生畢業(yè)后能盡快適應(yīng)實(shí)際工作需求。針對學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)中存在的問題，提出基于畢業(yè)設(shè)計(jì)的橋梁電算課程教學(xué)模式，首先分析了學(xué)生開展畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)的常用橋型，并介紹了依托預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋工程實(shí)例的橋梁電算課程講授內(nèi)容;然后分析了當(dāng)前橋梁電算課程教學(xué)中存在的問題，并從課程學(xué)時(shí)分配、建設(shè)橋梁有限元模型庫和完善考核方式等方面提出了橋梁電算課程改革思路，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量和使用橋梁專業(yè)軟件解決實(shí)際工程問題的能力。

　　關(guān)鍵詞：橋梁電算;教學(xué)改革;畢業(yè)設(shè)計(jì);有限元軟件;考核模式

　　有限元軟件可以模擬復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和荷載[1]，并且具有計(jì)算成本低和計(jì)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，使得有限元分析方法在我國的橋梁設(shè)計(jì)、施工和維修加固等橋梁建設(shè)領(lǐng)域得到全面、廣泛的應(yīng)用，促進(jìn)了我國橋梁建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展，并不斷向更高墩、更大跨度、結(jié)構(gòu)新型化和美觀化等方向發(fā)展[2]。當(dāng)前，采用有限元軟件解決橋梁結(jié)構(gòu)的計(jì)算和分析問題已經(jīng)成為工程技術(shù)人員必備的專業(yè)技能[3]。

　　基于這一現(xiàn)狀，貴州大學(xué)土木工程學(xué)院(以下簡稱“我校”)積極引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)、使用有限元軟件，并要求橋梁工程方向的本科畢業(yè)生采用橋梁專業(yè)有限元軟件開展畢業(yè)設(shè)計(jì)工作，以期學(xué)生能夠掌握一種或多種橋梁專業(yè)設(shè)計(jì)軟件的使用方法，提高學(xué)生的競爭力。但是，根據(jù)作者近幾年參與我校橋梁方向本科生畢業(yè)答辯工作的實(shí)際情況來看，當(dāng)前學(xué)生在開展畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，主要存在以下問題：

　　1. 無法較好地在有限元軟件中模擬橋梁的施工過程，特別是橋梁施工過程中和成橋后邊界條件的變化。

　　2. 學(xué)生在應(yīng)用橋梁設(shè)計(jì)軟件開展畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，無法較好地將橋梁理論知識、橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范與橋梁設(shè)計(jì)軟件相結(jié)合，盲目信任軟件計(jì)算結(jié)果。

　　3. 畢業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算書撰寫不規(guī)范，不清楚橋梁設(shè)計(jì)軟件各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果的意義，僅將所有的計(jì)算結(jié)果全部放入計(jì)算書中，導(dǎo)致計(jì)算書中存在過多的無用結(jié)果。

　　針對學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中存在的實(shí)際問題，我校開設(shè)了橋梁電算課程，并選用橋梁設(shè)計(jì)軟件Midas/Civil為橋梁電算課程的教學(xué)平臺，依托學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)中常用橋型的實(shí)例橋梁講解Midas/Civil軟件使用方法，開展如何應(yīng)用Midas/Civil軟件進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)建模、數(shù)據(jù)分析和錯(cuò)誤查找等的教學(xué)工作。當(dāng)前，橋梁電算課程在我校屬于創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)及實(shí)踐類課程，共1.5學(xué)分(24課時(shí))，橋梁工程方向本科生可于大四上學(xué)期選修。本文基于作者在貴州大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁電算課程的實(shí)際教學(xué)經(jīng)歷，首先介紹了我校基于實(shí)例的橋梁電算課程的教學(xué)模式，然后針對作者在實(shí)際教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，提出了進(jìn)一步的橋梁電算課程教學(xué)改革思路。

　　一、基于實(shí)例的橋梁電算課程教學(xué)實(shí)踐

　　當(dāng)前，我校土木工程專業(yè)橋梁方向的畢業(yè)生開展畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，選做的橋型主要有：簡支梁橋、連續(xù)梁/剛構(gòu)橋和上承式拱橋等，其中大部分學(xué)生會選做連續(xù)梁/剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)?；谶@一情況，并考慮到我校橋梁電算課程僅有24課時(shí)的現(xiàn)狀，我校橋梁電算課程通常選取一座結(jié)構(gòu)形式、施工方式和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等均具有一定代表性的連續(xù)梁/剛構(gòu)橋作為講授實(shí)例橋梁，通過對實(shí)例橋梁建模、驗(yàn)算和計(jì)算書的撰寫等過程的講解，使學(xué)生掌握連續(xù)梁/剛構(gòu)橋梁有限元建模流程和預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁驗(yàn)算內(nèi)容，并在教學(xué)過程中向?qū)W生講解基本原理在橋梁工程中的作用，以避免學(xué)生出現(xiàn)迷信電算工具、成為電算工具的奴隸而非主導(dǎo)者等現(xiàn)象[4]。

　　2019-2020學(xué)年第一學(xué)期，我校橋梁電算課程選取了一座跨徑布置為(90+160+90)m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)橹v授實(shí)例橋梁，該橋主梁采用單箱單室的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋墩為矩形空心墩，橋梁總體布置如圖1所示。該橋主梁采用掛籃懸臂方式施工，兩側(cè)邊跨現(xiàn)澆段采用落地支架施工。該橋的技術(shù)指標(biāo)為：道路等級為城市II級主干道，設(shè)計(jì)車速為50km/h，車輛荷載等級采用公路一級，并根據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)[5]確定橋梁溫度荷載取值。

　　本課程講授時(shí)采用課堂演示+課下建模實(shí)踐的方式進(jìn)行講授，采用Midas/Civil建立全橋模型，如圖2所示。由于學(xué)生缺少有限元使用經(jīng)驗(yàn)，因此在課堂演示建模方法時(shí)，將連續(xù)剛構(gòu)橋建模劃分為：主體結(jié)構(gòu)建模、預(yù)應(yīng)力鋼束輸入、荷載施加、施工階段模擬和PSC驗(yàn)算等五部分，并以每一部分作為一個(gè)講授階段，根據(jù)每個(gè)階段的特點(diǎn)，選擇不同的講授方法。其中：

　　1. 主體結(jié)構(gòu)建模階段包括建立節(jié)點(diǎn)、定義材料和截面、建立單元等內(nèi)容，采用理論+實(shí)踐的講授方式。定義材料時(shí)，結(jié)合規(guī)范向?qū)W生講解各個(gè)材料參數(shù)的取值，并帶領(lǐng)學(xué)生回憶建筑材料等課程中對材料參數(shù)的定義等內(nèi)容，并通過向?qū)W生演示建立節(jié)點(diǎn)、定義截面和建立單元等軟件操作方法后，要求學(xué)生著手自己建模，通過不斷的實(shí)踐掌握主體結(jié)構(gòu)建模方法。

　　2. 實(shí)際橋梁工程中預(yù)應(yīng)力鋼束的線形往往不是直線，而是平彎與豎彎同時(shí)存在的復(fù)雜空間曲線形狀[6]，使得預(yù)應(yīng)力鋼束輸入是連續(xù)剛構(gòu)橋建模過程中最為復(fù)雜的部分之一。因此，預(yù)應(yīng)力鋼束輸入方法講解時(shí)，需要由授課教師對Midas/Civil軟件預(yù)應(yīng)力鋼束輸入命令中各參數(shù)的意義進(jìn)行逐個(gè)講解，并結(jié)合橋梁預(yù)應(yīng)力鋼束的CAD圖，分別講解頂板束、腹板束和底板束等不同類型預(yù)應(yīng)力鋼束的輸入方法。同時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼束的輸入需要學(xué)生在課后多多進(jìn)行練習(xí)，通過不斷的實(shí)踐熟練地掌握預(yù)應(yīng)力鋼束的輸入方法。

　　3. 荷載包括自重、二期恒載、風(fēng)荷載、溫度荷載、預(yù)應(yīng)力荷載和掛籃荷載等多種不同類型的荷載，并且每一種荷載均對應(yīng)不同的荷載施加方法，講解這一部分內(nèi)容時(shí)，緊密聯(lián)系《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)中的相關(guān)規(guī)定，使學(xué)生除掌握有限元軟件中各荷載的施加方法外，還應(yīng)了解并掌握各種荷載的取值依據(jù)和計(jì)算方法。

　　4. 施工階段模擬是連續(xù)剛構(gòu)橋建模和驗(yàn)算的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是建立正確的連續(xù)剛構(gòu)橋有限元模型的難點(diǎn)。在講解施工階段建模方法時(shí)，首先讓學(xué)生觀看連續(xù)剛構(gòu)橋施工動(dòng)畫，并與橋梁工程課程中所講授過的連續(xù)剛構(gòu)橋施工流程進(jìn)行對照，加深學(xué)生對連續(xù)剛構(gòu)橋施工流程的理解;然后再根據(jù)實(shí)例橋梁的施工流程，演示有限元軟件模擬橋梁施工階段的建模流程。在施工階段建模流程講解過程中，著重講解如何通過激活、鈍化功能模擬懸臂施工中掛籃前移和混凝土澆筑等施工步驟，并對主梁合攏施工階段的處理進(jìn)行重點(diǎn)講解;最后，通過對計(jì)算結(jié)果的分析，使學(xué)生能夠更好地理解結(jié)構(gòu)體系轉(zhuǎn)換和施工階段混凝土的收縮徐變對橋梁結(jié)構(gòu)受力性能的影響。

　　5. PSC驗(yàn)算部分除講解Midas/Civil軟件中相關(guān)命令參數(shù)的輸入方法外，結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范講解Midas/Civil軟件PSC驗(yàn)算各項(xiàng)驗(yàn)算內(nèi)容的對應(yīng)計(jì)算公式，加強(qiáng)學(xué)生對理論和設(shè)計(jì)規(guī)范的理解，使學(xué)生在掌握Midas/Civil軟件使用方法的同時(shí)也掌握通過理論分析各項(xiàng)驗(yàn)算結(jié)果的方法，為畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)開展預(yù)應(yīng)力鋼束的調(diào)束工作打好基礎(chǔ)。

　　圖2 橋梁有限元模型

　　二、當(dāng)前教學(xué)中存在的問題

　　(一)考核方式單一

　　當(dāng)前，我校橋梁電算課程要求學(xué)生在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)建立示例橋梁的全橋有限元模型并提交一份計(jì)算書，任課教師根據(jù)計(jì)算書的完成情況給出評分。采用這種考核方法的目的是使每個(gè)學(xué)生都能通過建立橋梁有限元模型掌握有限元軟件的使用方法，并通過計(jì)算書的撰寫，掌握撰寫橋梁結(jié)構(gòu)計(jì)算書的要點(diǎn)，為撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。但是，在實(shí)際操作過程中，這種考核方式給一部分自律性較差的學(xué)生提供了抄襲的可能性，無法達(dá)到使每個(gè)學(xué)生均動(dòng)手建立橋梁有限元模型的原定教學(xué)目標(biāo)，對學(xué)風(fēng)造成了不良影響。此外，由于學(xué)生數(shù)量較多，很難找到足夠多的橋梁圖紙，使每個(gè)學(xué)生均能分配得到一個(gè)不同的示例橋梁建模并撰寫計(jì)算書，使得當(dāng)前的橋梁電算課程考核方式存在較大的弊端。

　　(二)課時(shí)較少且講授內(nèi)容單一

　　當(dāng)前，我校橋梁電算課程僅安排了24課時(shí)，使得沒有足夠的課時(shí)講授有限元基礎(chǔ)理論知識，只能選擇單一類型橋梁實(shí)例，講授橋梁有限元軟件的使用方法，以期學(xué)生能夠在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)基本掌握軟件的使用方法并為大四下學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。但是，橋梁電算課程即屬于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類課程的范疇，又兼有實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的特點(diǎn)，具有很強(qiáng)的綜合性[7]，不掌握一定的有限元基礎(chǔ)知識，學(xué)生無法從根本上理解有限元軟件的計(jì)算原理，導(dǎo)致軟件計(jì)算出現(xiàn)問題時(shí)，不知道如何查找問題的出處，并對橋梁模型進(jìn)行修改。橋梁電算課程的開設(shè)目的并不僅僅是要求學(xué)生掌握一種橋梁有限元軟件的使用方法，而是要求學(xué)生通過橋梁電算課程的學(xué)習(xí)，能夠?qū)⒉牧狭W(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、橋梁工程和橋梁施工等多門先修課程整合，并結(jié)合橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范，了解并掌握橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)驗(yàn)算方法。但是，在24課時(shí)的授課時(shí)間內(nèi)，無法達(dá)到上述教學(xué)目的，導(dǎo)致學(xué)生在開展橋梁畢業(yè)設(shè)計(jì)或工作中面對實(shí)際橋梁問題時(shí)仍然不知道如何正確、合理、系統(tǒng)地應(yīng)用軟件來解決[8]。并且，當(dāng)前學(xué)生的就業(yè)方向主要有設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理、橋梁養(yǎng)護(hù)檢測等以及科研院所等部門就業(yè)[9]，就業(yè)方向多樣。因此，本課程僅選取單一類型橋梁講授建模方法和驗(yàn)算內(nèi)容，無法滿足學(xué)生當(dāng)前就業(yè)方向多樣性的需求。