有限元分析軟件MIDAS在橋梁工程課程設(shè)計教學中的應(yīng)用

羊日華+王新忠+黃國平

摘要：橋梁工程課程設(shè)計是土木工程交通土建專業(yè)實踐性教學計劃中的一個重要環(huán)節(jié)，對掌握知識和培養(yǎng)能力具有非常積極的作用。針對現(xiàn)在的工程實際設(shè)計的方向與手段，結(jié)合橋梁工程課程設(shè)計的教學實踐，將MIDAS系列大型有限元結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件引入課程設(shè)計教學環(huán)節(jié)，與傳統(tǒng)的手算方式相結(jié)合，強調(diào)了課程設(shè)計的合理性、實踐性。其對于培養(yǎng)學生的綜合素質(zhì)和能力具有良好的效果，能夠培養(yǎng)出更加適應(yīng)市場需要的土木工程專業(yè)人才。

關(guān)鍵詞：土木工程；橋梁工程；課程設(shè)計；MIDAS

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）51-0193-02

“橋梁工程”課程設(shè)計既是土木工程交通土建專業(yè)教學的一門主要課程，也是一門實踐性極強的工程學科，其目的是培養(yǎng)學生綜合運用橋梁工程課程所學知識以及有關(guān)先修課程的基本知識進行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計的能力。以梁式橋課程設(shè)計為例，要求學生掌握梁式橋計算的全過程，其不僅加強了橋梁工程課程教學中的構(gòu)造設(shè)計、計算方法的學習效果，而且也是對于結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、結(jié)構(gòu)力學等專業(yè)基礎(chǔ)課的一次實際應(yīng)用，同時也畢業(yè)設(shè)計的基礎(chǔ)。

一、現(xiàn)有橋梁工程課程設(shè)計教學中存在的主要問題

1.現(xiàn)有的課程設(shè)計方法與工程實踐脫節(jié)。在現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計中，大型的有限元分析軟件逐步取代了手工計算和設(shè)計。常用的橋梁有限元軟件有ANSYS、MSC、MIDAS等一系列軟件，這些軟件以其強大的數(shù)值、分析運算功能、生動形象的圖像處理能力，代替了傳統(tǒng)方式下用筆和紙進行的設(shè)計操作。現(xiàn)有的設(shè)計課程中用筆、紙完成橋梁工程課程設(shè)計的傳統(tǒng)教學方式與時代脫節(jié)，大量應(yīng)用電算技術(shù)成為一種時尚。有限元軟件應(yīng)用的輔助教學方式既為設(shè)計類課程教學帶來了新的氣象，同時也對教學工作產(chǎn)生了巨大沖擊，其對于橋梁工程課程設(shè)計輔助教學的重要性越發(fā)突出。

2.對于設(shè)計成果是否符合要求缺乏判斷。現(xiàn)有的課程設(shè)計僅僅采用手算模式，一旦設(shè)計成果不滿足規(guī)范要求，學生往往僅改結(jié)果，對于過程并不加以修正，而MIDAS這一類設(shè)計軟件均引入了我國現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范，對于設(shè)計成果是否符合規(guī)范要求是一個剛性的判斷標準，一旦設(shè)計成果不符合要求，必須全過程修正方可通過計算。

二、MIDAS軟件引入橋梁工程課程設(shè)計的優(yōu)勢與實踐

1.MIDAS軟件引入橋梁工程課程設(shè)計的優(yōu)勢。為了解決橋梁工程課程設(shè)計中所暴露的問題，在課程設(shè)計中引入MIDAS作為設(shè)計工具，同時采用手算對承載能力進行復(fù)核，讓學生通過做課程設(shè)計，了解實際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本程序和掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法，并且通過設(shè)計結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，真正達到基本訓(xùn)練的目的，為畢業(yè)設(shè)計打下堅實的基礎(chǔ)。

2.MIDAS軟件在橋梁工程課程設(shè)計中的實踐。MIDAS系列結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件為通用的空間有限元分析軟件，要用到結(jié)構(gòu)力學、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、橋梁工程等大量理論知識。特別是針對橋梁結(jié)構(gòu)，MIDAS/Civil結(jié)合國內(nèi)的規(guī)范與習慣，在建模、分析、后處理、設(shè)計等方面提供了很多的便利功能，目前已為各大公路、鐵路部門的設(shè)計院所采用。根據(jù)橋梁工程課程設(shè)計的任務(wù)要求，教學內(nèi)容選定MIDAS系列結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件中最基本的桿系程序MIDAS/Civil。基本操作過程訓(xùn)練的教學目的是讓學生了解MIDAS/Civil系列結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件的基本組成與設(shè)計流程，熟悉各級菜單命令。其教學內(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；對結(jié)構(gòu)進行分析計算，即按照現(xiàn)行的規(guī)范，對各種荷載進行組合并進行分析；結(jié)果（后處理），即導(dǎo)出設(shè)計成果、出圖等操作。分析能力提高訓(xùn)練的教學目的是使學生的實踐能力由基本操作技能向?qū)嶋H應(yīng)用能力提高，其教學內(nèi)容是指MIDAS/Civil在進行配筋計算與驗算后，可以得到結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移圖形與表格，并且根據(jù)各種驗算結(jié)果判斷是否通過設(shè)計規(guī)范。由于軟件的全部計算過程是隱蔽、看不到的，只有讓學生通過查看結(jié)果圖形和文本文件，學會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。對可能存在的不合理的設(shè)計結(jié)果，通過對所建模型進行修改，結(jié)構(gòu)概念、結(jié)構(gòu)分析能力得到提高，對于結(jié)構(gòu)力學、結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、橋梁工程以及規(guī)范的理解能力大幅度增強。教師隨課程設(shè)計的進度，可選在課程設(shè)計前提前組織學生傳授、現(xiàn)場演示上述軟件的功能、應(yīng)用及基本建模、分析及后處理過程，并且輔助已經(jīng)建好橋梁模型使學生有更加深刻的體會。對于超靜定結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的受力與施工過程息息相關(guān)，這就要求學生不僅會正確使用軟件，還要求學生采用結(jié)合所學的力學知識對所算橋梁結(jié)構(gòu)的受力性能、施工過程進行檢驗，要求學生對于橋梁結(jié)構(gòu)的定性分析應(yīng)十分熟悉，必要時還應(yīng)與簡化的橋梁模型的手算結(jié)果相符合，以此驗證軟件計算結(jié)果的正確性，為將來的結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工均打下堅實的基礎(chǔ)。

3.通過MIDAS的引入加強橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計概念的教學。在我們的實踐中，發(fā)現(xiàn)學生往往會按照流程建立橋梁的模型，并且進行分析計算，但是對于計算的結(jié)果往往無法進行正確的評價，甚至找不出程序報錯的原因。其主要原因來源于學生的基本理論不清楚，對于橋梁結(jié)構(gòu)的特點、規(guī)范的理解程度不夠。畢竟有限元軟件僅僅是一個工具，“人必須成為工具的主人，而不能被工具所代替”，因為每一次對于模型的修改和調(diào)試都建立在對于橋梁結(jié)構(gòu)的宏觀概念上，所以學生在對橋梁模型的不停修改與調(diào)試中，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、橋梁工程、現(xiàn)行規(guī)范以及所學的各種力學等課程的理解不斷加深，也更加有利于教學與實踐相結(jié)合，幫助學生建立大結(jié)構(gòu)的概念。

4.應(yīng)用實例。橋梁工程課程設(shè)計主要內(nèi)容為30m預(yù)應(yīng)力混凝土T梁結(jié)構(gòu)設(shè)計。該設(shè)計計算包括T梁截面尺寸的擬定、荷載作用下結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計算與效應(yīng)組合、預(yù)應(yīng)力鋼束的配置、截面驗算等。MIDAS提供視圖、結(jié)構(gòu)、節(jié)點/單元、特性、邊界、荷載、分析、結(jié)果、PSC、pushover、設(shè)計、查詢、工具等十三項一級目錄。每個一級目錄下均提供若干二級目錄，MIDAS通過提供三維視圖使得設(shè)計更為直觀。如橋梁工程教學中對于截面尺寸的擬定給出的是一個范圍，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，對于這些構(gòu)造缺乏直觀的現(xiàn)實。MIDAS通過材料和截面、節(jié)點單元輸入進行截面擬定，相對于教材二維圖形，其可以產(chǎn)生三維構(gòu)圖，從而表現(xiàn)更加直觀。學生更加容易理解也便于細部尺寸的修改。尺寸擬定完成以后，確定邊界條件，再按照課程設(shè)計要求進行車道和人群荷載布設(shè)，程序進行荷載效應(yīng)計算與組合，PSC設(shè)計，完成預(yù)應(yīng)力鋼束的初步估計。學生可以通過查看各種效應(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。這不僅提高了學生對于結(jié)構(gòu)力學等基礎(chǔ)課程的理解，更為今后施工、設(shè)計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，學生可以直觀地進行預(yù)應(yīng)力鋼束的布置，并對鋼束的位置可以進行任意修改，直至結(jié)構(gòu)通過程序驗算。程序的驗算是否可以通過施工階段正截面法向應(yīng)力驗算、受拉區(qū)鋼筋的拉應(yīng)力驗算、使用階段正截面抗裂驗算等。MIDAS程序設(shè)定一旦設(shè)計不能滿足現(xiàn)有規(guī)范的要求，則驗算報錯，這就需要學生對模型進行修改，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，這能進一步加強學生設(shè)計流程、預(yù)應(yīng)力鋼束的布設(shè)以及作用等教學重點的理解，使得理論教學與實踐教學進一步融合。

三、結(jié)語

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)計的教學實踐表明，通過提前布置課程設(shè)計題目，帶領(lǐng)學生熟悉并且應(yīng)用有限元軟件，對于加強學生的設(shè)計理念，調(diào)動學生的設(shè)計積極性有著積極的作用，并且對于培養(yǎng)學生對各種錯綜復(fù)雜因素的綜合分析能力以及對學生畢業(yè)設(shè)計、加大實踐教育起到了很大的幫助作用。

參考文獻：

[1]邵旭東.橋梁工程[M].第二版.北京：人民交通出版社，2007.

[2]易壯鵬.“橋梁工程”課程設(shè)計教學方法研究[J].中國電力教育，2011，（14）：100-103.

[3]王新忠，郭太平，文國華.橋梁工程專業(yè)課程設(shè)計改革探索[J].中國電力教育，2009，（8）：112-114.

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