仿真技術在“橋梁工程”課程設計的實踐

周德 王寧波 溫偉斌

[摘 要] “橋梁工程”是一門實踐性很強的課程，針對其教學難以進行大型工程實驗的問題，引入Midas Civil有限元軟件，以某大型復雜懸索橋為例，通過對其施工全過程的力學仿真分析，實現橋梁從建造到運營全過程的可視化分析，從不同角度展現橋梁的建造過程及其受力特點，培養學生發現、分析和解決工程實際問題的綜合能力。通過Midas仿真技術在“橋梁工程”課程設計中的作用及實踐，支撐學生多層次實驗和創新實踐，滿足學生多樣化需求，實現“教” “學”“用”三者協同并進。

[關鍵詞] 橋梁工程;MIDAS;課程設計

[基金項目] 2020年度中南大學深化創新創業教育改革研究項目“基于‘結合教師科研課題’理念的工程力學創新教育改革研究”（2020CG039）;2020年度中南大學教育教學改革研究項目“基于可視化網絡教學平臺和以學生為中心的混合式工程力學課程教學研究”（2020jy060-8）

[作者簡介] 周 德（1980—），男，江西萍鄉人，博士，中南大學土木工程學院講師，主要從事橋梁結構理論及應用研究;王寧波 （1982—），男，湖北天門人，博士，中南大學土木工程學院副教授（通信作者），主要從事橋梁結構理論及應用研究。

[中圖分類號] G642? ?[文獻標識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）47-0054-04? ? [收稿日期] 2021-08-06

“橋梁工程”是土木與交通工程專業的一門重要核心課程。在傳統課堂教學中，雖然師生能夠面對面教學，但在板書中常以二維視角來展現三維模型，存在不夠直觀、形象、生動的缺點，降低了學生的學習興趣，增加了學習難度。加上實際授課中側重于概念理解而缺少實際操作，學生掌握程度差的現象普遍存在，理論與實際難以結合[1]。筆者結合中南大學土木工程專業本科生課程“結構分析軟件應用”教學，將Midas數值仿真技術融于教學活動中，解決了橋梁工程教學難以開展大型工程實驗的問題。

一、Midas Civil簡介

Midas Civil是橋梁領域通用結構分析及設計系統，它具有直觀的操作界面，并且采用了尖端的計算機顯示技術。Midas Civil集成了靜力分析、動力分析、幾何非線性分析、屈曲分析、移動荷載分析、懸索橋分析等分析設計功能。該軟件具有強大的前后處理功能，特別適合求解復雜結構仿真分析問題，在橋梁結構的模擬中應用非常廣泛，具有很好的適用性[2-4]。

Midas Civil軟件單元類型包括梁單元、桁架單元、板單元、實體單元和只受壓或只受拉單元、索單元、平面應力單元、平面應變單元、非線性連接單元等，幾乎涵蓋了結構分析時所有的單元類型。該軟件能將抽象的邊界條件、荷載作用等轉化為直觀的三維圖形。通過分析計算，將結構彎矩、剪力、軸力、位移、變形及應力狀態以云圖、等值線圖及動畫等形式形象地表現出來，能幫助學生直觀地認識復雜橋梁工程的力學行為及其變化規律，牢固掌握相關知識點，提升學生分析問題和解決實際工程問題的能力[5]。

二、Midas Civil軟件在“橋梁工程”課程設計中的價值

近年來，Midas Civil軟件在土木工程領域得到越來越廣泛的重視和應用，理論與技術日趨成熟。該軟件能夠靈活展現三維結構的特征，在教學中引入Midas Civil模型，通過直觀印象使學生更好地理解抽象概念和實際結構，增加學生學習興趣，提升學習效果。在“橋梁工程”教學中，由于數據量大，關聯性強，運用Midas Civil軟件進行計算，既能提高準確度，還能節省人工手算的時間和精力，并且能夠靈活控制各種參數的修改。教師可以對教學重點進行突出講解，讓學生對整個知識體系有更好的理解。避免了上課只有教師講，學生埋頭聽的現象。通過交流與探討，將結構設計原理、結構力學等專業基礎課知識點和橋梁工程串聯起來，構成學生自己的知識庫，增強學生對知識綜合利用的能力。

三、Midas Civil軟件中橋梁仿真分析流程

圖1為Midas Civil軟件中橋梁仿真分析流程。利用Midas Civil創建橋梁結構模型，定義結構剛度、邊界條件和施加荷載。通過將橋梁結構離散化，用有限個單元來表示復雜的對象，單元之間通過節點相互連接，根據變形協調條件綜合求解，即可進行對變形、反力、內力和應力結果的分析。

四、案例分析

（一）工程概況

如圖2所示，某獨塔自錨式懸索橋全長368.4米，主跨布置為2×150米，橋面寬40米，采用半漂浮體系。纜索為雙跨雙索面線形，理論跨徑140.635米，矢跨比為1/12。索塔高67米，采用異型雙柱式鋼筋混凝土箱型結構，壁厚1.2米。索塔基礎采用矩形承臺，長×寬×高分別為25.6米×15.6米×6米。全橋設15對吊索，吊索順橋向標準間距為8米，均采用高強度鍍鋅平行鋼絲。

（二）仿真模型

采用有限元分析軟件Midas Civil 2020建立該橋空間仿真模型。建模時，索塔和加勁梁均采用梁單元模擬，纜索、吊索均采用只受拉索單元模擬，混凝土板和鋼板采用空間板單元模擬，通過調整纜索和吊索力確定合理成橋狀態，邊界條件按實際情況施加。全橋空間有限元仿真模型如圖3所示。

（三）結果查看

結果查看是檢驗仿真分析正確與否的重要手段。對結構進行分析計算，即按照現行的規范，對各種荷載進行組合并進行分析，導出計算成果。此過程有利于促進學生之間的檢驗和互動，完善過程，完成對結果精度與計算效率的評判，可以得到結構的內力、位移圖形與表格（如圖4所示），并且根據各種驗算結果判斷是否通過設計規范，其教學目的是使學生的實踐能力由基本操作技能向實際應用能力轉變。

五、對Midas Civil軟件在“橋梁工程”課程設計中的進一步思考

（一）以整體提升為目標的分組教學方式

教學初期，通過課堂考察，可基本確定學習和操作能力較強的學生，作為后續分組擔任小組長人選。教師講解后，注意大部分學生是否能聽懂并完成操作，再分組練習，教師來回輔導，同時要求各小組長注意本小組情況，特別要注意進度較慢學生的練習情況并給予指導。在教學過程中，布置一些學生容易混淆的知識點，讓學生在組內進行討論。在討論過程中，促使學生主動思考、主動學習，集體形成結論。各組指派代表講解，教師作點評。通過學生互相學習，達到共同提升的目的，提高課堂的效率。

（二）包容的教材選擇與開放的教學反饋相結合

有關Midas Civil有限元軟件的課本多種多樣，但課程內容和原理大同小異，學生可以根據自身情況靈活選擇教材。將開放式和互動式的教學方式相結合，教學內容以學生為中心，課下開設不同內容的答疑專區。對學生難以理解的知識點進行集中答疑和講解。充分調動學生的積極性，對提出和解答有價值問題的學生施行學習獎勵制度，推行學習積分制。設置提問和回答達人專區，設置獎勵內容，當積分達到一定程度可以獲得專業書本獎勵或者其他加分獎勵等。這樣既能使教師在不增加工作量的前提下兼顧每一位學生的學習情況，又能使一些問題可在學生內部得到解決而減輕教師的工作量。這樣的過程非常有利于提高學生的參與度和組織感，增強綜合能力，由被動學習變為主動學習。

（三）基于多交叉學科的多媒體教學手段

采用Midas Civil有限元軟件對橋梁工程的仿真分析，由于涉及數學、力學、專業基礎和計算機等諸多知識;因此，在傳統教學的基礎上，更加重視以多媒體輔助的教學方式，有效發揮多交叉學科課程的教學優勢。對學生來說，在提高學習興趣的同時，能對枯燥的公式推導及規范條文的理解有更為直觀、更為生動的認識，不僅知其然而且能夠知其所以然，實現知識點突破，達到良好的教學效果。

（四）理論聯系實際，任務驅動教學

“橋梁工程”是一門實踐性較強的課程，應當與工程實踐問題結合起來。針對有限元算法求解的復雜性，教學過程結合大量的設計案例來進行。以工程實際問題為抓手，以任務驅動教學，在使用軟件進行設計的過程中，涉及的專業知識和軟件知識是很多的，如何將這些知識貫穿在教學中是組織課內教學的關鍵。通過完成幾個典型的設計任務，學生既了解了流程，又溫習了所學的專業知識，有了設計的成果，學生也有了成就感，學生的職業素養得到了鍛煉，積極性也得到提高。同時，課外還鼓勵學生參加以實際工程為依托的“有限元仿真分析”大賽，并應用于工程實踐中。課程設計注重實際建模作業，考查學生對知識的理解和吸收。模型建立后，學生可以上傳模型至交流區進行相互比較、相互批改、取長補短，最后由教師點評并提出建議。

六、結語

綜上所述，Midas軟件在“橋梁工程”課程設計中的應用，將有限元軟件應用到建模計算中去，可以生動、形象地將橋梁工程中大型復雜結構的力學性能直觀地顯示出來，與傳統的手算方式相結合，提高授課過程中學生對知識的吸收程度。通過將橋梁工程的力學行為和受力機理直觀地描述出來，幫助學生更好地理解復雜結構荷載作用，鍛煉學生的創新能力。同時，也減少了實驗儀器設備、實驗耗材相關費用，使得學生的學習效果更為理想。

參考文獻

[1]易壯鵬.“橋梁工程”課程設計教學方法研究[J].中國電力教育，2011（14）：100-101+106.

[2]徐勛倩，馮旭陽，項宏亮，等.MIDAS仿真技術在橋梁工程虛擬實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2016（10）： 115-118.

[3]羊日華，王新忠，黃國平.有限元分析軟件MIDAS在橋梁工程課程設計教學中的應用[J].教育教學論壇，2016（51）：193-194.

[4]李靜，陳翠和，庹云.網絡環境下的計算機軟件應用類課程教學改革探究[J].文化創新比較研究，2019（29）：154-155.

[5]武和全，胡宏偉，薛盈盈.“有限元分析”網絡教學課程改革的探索與實踐[J].科教導刊（上旬），2014（8）：100+111.