橋梁工程實驗虛擬仿真示范課程實踐研究

陳建平， 項宏亮， 徐勛倩

(1. 南通大學 交通學院， 江蘇 南通 226019; 2. 南通市規劃設計院有限公司， 江蘇 南通 226019)

隨著“卓越工程師計劃”的不斷推進與實踐，“培養創新型、應用型的高素質人才”的目標和舉措越發明確與有效[1-3]。圍繞著“本科教學質量提升工程”主題活動，組織教學團隊開展了本科教學示范課程的建設工作[4]。橋梁工程精品課程歷時3年建設，在教學內容、教學方法、啟發式學習、網絡平臺、工程實踐等方面都取得了一定進展。但在實驗虛擬仿真教學方面，由于實驗條件不足，建設較為緩慢。在橋梁工程培養上形成了“基礎知識較好，但缺乏工程應用能力”的局面，難以適應卓越計劃對土木工程和交通工程專業的要求。這種現象在工科專業中應用技術類的課程很是普遍[5-8]。為此，教師團隊申報了虛擬教學仿真實驗教學建設項目，并進行了橋梁工程示范課程教學改革實踐。

1 建設思路

橋梁工程前期課程“結構設計原理”重在基礎，注重結構的原理與計算方法；橋梁工程則重在工程應用與創新實踐，注重結構概念設計與實踐能力。基于上述的建設指導思想，從課程內容、教學方法、實踐教學環節、考核辦法等方面對橋梁工程進行教學改革實踐[9-10]。

教學內容方面，進一步強化對工程的結構組成及其關系的介紹，細化關鍵結構構件的作用及其邏輯關系，計算分析內容的講解簡化，刪除與結構設計原理、結構力學和橋梁工程施工等前期、后續課程重復的內容。

教學方法方面，以仿真教學及工程案例教學為重點。基于MAIDAS和“橋梁博士”軟件構建大量的仿真計算模型，輔助學生感性認知結構并建立其工程素養，以工程案例為手段便于吸引學生對專業掌握的關注點[11-13]。

增設實踐仿真教學環節。通過新型橋梁工程模型試驗及MAIDAS、橋梁博士仿真實驗進行實踐教學[14-15]。

考核以工程設計作品和設計大作業為主，重點考核學生的創新能力和工程實踐素養，弱化理論知識點的考核模式。

2 改革舉措

2.1 教學內容

緒論部分建立圖片庫，介紹各類橋梁工程，幫助學生建立課程的興趣和對橋梁工程的感性認知；繪制流程圖，介紹橋梁工程的主要設計流程，并作為后續課程講解的教學綱領及路線，如圖1所示。

圖1 橋梁工程主要設計流程

整個課程以“鋼筋混凝土和預應力混凝土簡支梁橋”為主(占20學時/64學時)，在傳統的授課體系下，4類結構多平均分配學時。新的梁式橋內容分為組成介紹、橋面輔助構件、行車道板、主梁、次梁、橫隔板、支座設計。創新點在于將梁式橋的設計分為縱向主梁、橫向隔板設計、邏輯思路明確。

“懸臂與連續體系梁橋”簡化大量的分析與計算方法，講明結構的配筋設計與計算，尤其是詳細講明立面與橫斷面設計布置原則，介紹懸臂與連續體系梁橋常用施工方法。

“混凝土拱橋”講明拱橋的基本特點、組成和類型為重點，以介紹拱橋的總體布置與設計構思為重點，并重點介紹簡單體系及組合體系拱橋的構造特點，簡化簡單體系拱橋的計算方法和拱橋常用施工方法。

“纜索承重體系橋梁”以介紹纜索承重體系橋梁的基本特征及類型為主，分別講解拉橋、懸索橋的結構特點和計算方法，介紹纜索承重體系橋梁常用施工方法。

“橋梁墩臺”以講明橋梁墩臺設計與計算為主，簡單介紹橋梁墩臺的類型、適用條件及施工方法。

2.2 教學方法

引進工程項目圖片，特別是以MAIDAS三維仿真的圖片和相關視頻為切入點，詳細介紹各類橋梁的結構組成、節點設計和支座組成，以及工程施工和成型過程，在介紹各類結構組成的同時闡述各部分構件的相關性，進而培養學生概念設計的能力。

譬如，薄壁式橋臺計算分析一章作為橋臺設計的初識，然后安排實際工程圖片演示工程的施工過程，以及各構件的構成與組成。最后，講解在超重車引起的臺后土壓力增量下薄壁式橋臺將出現承載能力嚴重不足的問題，通過建立空間有限元模型進行分析，如圖2所示。以板梁的抗壓剛度作為兩岸橋臺對應節點間的連接剛度，模擬板梁支撐作用，以受壓節點彈性支撐方式考慮臺后填土對臺身的支撐作用、樁基與土體的相互作用，節點彈性支撐剛度根據土體性質及節點影響面積計算確定，分析超重車影響下的薄壁橋臺受力情況，如圖3所示。

圖2 樁基有限元模型

圖3 樁基計算結果

大量引入工程案例，可以強化各種類型結構的設計、施工中容易忽略的知識點和常見問題。在實際案例中主動學習，更有吸引力和感染力，對于知識點的掌握可以起到強化的作用。

2.3 實踐教學環節

新增了實踐仿真教學環節。傳統的橋梁工程中鮮有專門的實驗、實踐教學環節，我們教學團隊基于MAIDAS和“橋梁博士”技術為橋梁工程增設了實驗仿真教學項目，仿真實驗教學4學時(2個實驗仿真項目)，如表1所示。

表1 橋梁工程課程學時分配表

2.3.1 實驗仿真項目(1)：系桿拱橋吊桿更換分析

某橋全長86.00 m、總寬17.2 m，雙向4車道布置，上部結構采用1跨70 m單幅鋼管混凝土系桿拱，系桿拱矢跨比為1∶5，拱軸線采用二次拋物線。全橋共32根吊桿，每側16根，吊桿間距4 m。下部結構采用空腹式輕型橋臺，樁基礎。橋梁設計荷載：汽車：20級，掛車：100。橋梁專項排查發現該橋主要存在病害：吊桿外保護層老化，普遍存在環狀裂紋，個別吊桿外保護層斷裂。吊桿底部錨固防護罩內普遍積水嚴重，吊桿內鋼絲冷鑄墩頭銹蝕。為保證結構安全，需對橋梁吊桿進行更換。

吊桿更換過程的理論計算主要利用原橋理論計算模型，模擬原結構吊桿內力逐漸由原吊桿轉移至臨時吊桿或其他兜吊系統，再由臨時吊桿或兜吊系統逐漸轉移至新吊桿的過程，以確保吊桿更換過程中的結構安全和穩定(見圖4)。計算主要解決拆除舊吊桿階段的臨時吊桿或兜吊的張拉步長、張拉力、張拉新吊桿階段的臨時吊桿或兜吊的卸載分級問題。分析后認為，本橋原吊桿采用91Φ5平行鋼絲，根據吊桿拆除、更換施工分析結果，分7次平均割斷原吊桿，即按照13根、13根、13根、13根、13根、13根、13根的步長順序和對應吊桿內力，張拉臨時吊桿和割斷原有吊桿內的平行鋼絲，對結構變形及結構受力狀態變化影響很小。

圖4 橋梁結構有限元模型

2.3.2 實驗仿真項目(2)：系桿拱橋施工支架設計

某預應力鋼管砼系桿拱結構，跨越運河，計算跨徑L=128.66 m，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1/5，矢高25.732 m，全橋共設40根吊桿，吊桿間距為6.10 m。下部結構采用鉆孔灌注樁基礎。為保證橋梁施工過程中橋下50 m凈空要求，拱橋系桿施工支架要求跨度54 m，且存在左右側邊跨長度的不均衡，常規施工支架很難滿足要求，需進行特殊設計。為保證橋下通航凈空、系桿施工支架受力安全、施工支架剛度，經多次比較分析采用帶預應力的托架+貝雷片支架的復合施工支架形式，通過托架弦桿、斜腹桿預拉力設計，以在減小支架計算跨徑的同時確保施工支架受力安全(見圖5)。

圖5 施工支架計算圖式

計算分析結果認為(見圖6)，施工過程中貝雷片內最大彎矩548.7 kN.m，最大負彎矩717.4 kN.m，貝雷片內最大剪力-166.2 kN。托架桿件最大應力121.5 MPa，桿件穩定性驗算、托架整體穩定性滿足規范要求。左側掛籃底部支反力在967～1360 kN，右側掛籃底部支反力1 080 kN～1 242 kN。施工過程中掛籃底部出現的最大負反力-164 kN，下部臨時墩受力安全。支架最大彈性撓度-59.2 mm，剛度滿足要求。

圖6 施工支架計算結果

2.4 考核辦法

考核辦法以過程性考核為主。各類結構講解完畢即布置設計大作業(或作品)，直至下一種結構類型橋梁介紹結束時提交設計成果。共涉及4大類橋梁類型，每類橋型結構作業20分，共計80分。輔以考核翻轉課堂討論、考勤、參加課程相關的第二課堂活動情況等，計20分。

設計成果的考核指標為創新性、實踐訓練難度及次數、理論問題的思考深度、資料規范化的程度。

取消期末考試，不考核學生的計算理論及分析的掌握情況。

3 踐行方式

由于課程的教學內容及組織方式有了很大的革新，對應教材較為缺乏，暫不指定相關教材，根據自編講義組織教學活動，后期成熟后編寫教材。

大力建設虛擬仿真實驗室以及工程結構實訓中心，為橋梁工程設計教學、學生大設計作業提供實驗平臺，最終實現對學生實踐和創新素養的培養。

推行研究生(橋梁工程方向)助教方式。作為主講教師，按照上述要求進行教學改革實踐，不僅需要有豐富的工程實踐經驗和三維仿真能力，同時要收集整理大量的工程案例資料。僅靠一位主講教師很難完成，課程建設期間聘請校外企業技術專家形成主講教師教學團隊。作為學生，需要教師過程性指導、講解模型仿真技術以及資料規范整理途徑及方法等。借助一年級的碩士研究生參與教學環節，既可以成為主講教師的助手，也便于與高年級本科生的交流和溝通，有效提高了教學效果。

4 結語

橋梁工程在教學內容、教學方法、實踐環節、考核方法上進行了較大的變革，取得了一些經驗。

(1) 前期原理課程已詳細講授了理論與計算，應用類課程應側重強化概念設計和邏輯關系的介紹。

(2) 三維仿真模型及工程案例教學，易于學生掌握結構的組成類型和常見問題，具有啟發性和感染力。

(3) 考查以學生的創新性、工程實踐能力、綜合分析問題的能力為著重點，降低了常規理論知識的考查權重。