CSI Bridge在桥梁工程课程教学中的应用研究

何军杰　白军

（西藏大学农牧学院，西藏林芝　860000）

CSI Bridge在桥梁工程课程教学中的应用研究

何军杰白军

（西藏大学农牧学院，西藏林芝860000）

为提高土木工程专业桥梁工程课程的教学效率，丰富课堂教学内容并提高学生的动手实践能力，在总结桥梁工程课程教学现状的基础上，提出将有限元分析软件CSI Bridge运用到课堂教学过程的教学方法。利用CSI Bridge建立典型的桥梁结构模型，演示桥梁结构的设计方法，使该课程的教学由理论型转变为理论与实践相结合型，提高了桥梁工程课程的实践教学效果，为桥梁工程课程教学体系研究与改革提供了理论和实践依据。

桥梁工程；CSI Bridge；教学研究

桥梁工程是土木工程专业的一门重要课程。课程的主要内容有：桥梁的规划与设计基本原则、桥梁设计作用、桥面布置与构造、混凝土梁桥设计与构造、桥梁施工及复杂桥梁简介等［1］。学生在学习桥梁工程前需要大量课程做铺垫，包括材料力学、结构力学、钢结构设计原理、混凝土结构设计原理等［2］。学生在学习桥梁工程的过程中需要参照相应的桥梁规范，掌握桥梁结构在施工和使用时的工作状态，计算出结构作用和反应，最终设计出坚固耐用、经济合理和造型美观的桥梁结构。

1　桥梁工程引入CSI Bridge教学探索

1.1桥梁工程课程教学现状

桥梁工程在土木工程专业人才的培养过程中所具有的显著地位决定了其教学的重要性［3］。根据现有的教学经验，教师在本课程教学过程中仅局限于对简支梁桥构造的介绍和承载能力极限状态计算，教师指导学生完成简支梁桥设计计算也需要花大量的时间和精力。对于结构形式复杂的连续梁桥、索桥、拱桥、刚构桥的讲授仅局限于概括性的介绍，学生基本无法实现直观、高效的学习。而当今我国桥梁工程设计、施工技术发展日新月异，大量创新型技术得到应用，一项项纪录被接连不断的打破，学生学习掌握这些新知识新技术显得尤为重要。

受教学时间的限制，教师无法讲授复杂结构形式的桥梁的结构特点、设计方法、抗震设计、基础设计等内容，学生难以学到本课程的新知识新技术，无法拓宽桥梁工程的知识面，造成当前本课程的教学效果不理想。为了改变这种现状，探索一种可以在有限的学时内既能够丰富桥梁工程课程的教学内容，又可以提高教学效率的教学方法迫在眉睫。

随着科学技术的快速发展，专业的桥梁设计软件在实际工程中运用广泛，其中有限元分析软件是解决复杂桥梁工程实际设计、研究、优化的有力工具，并且已成为桥梁结构分析最有效的方法和手段。为了在桥梁工程教学过程中让学生更好地掌握各种桥梁结构的设计和施工的新知识新技术，提高教师的课堂教学质量和学生的学习效率，在桥梁工程教学过程中运用专业的结构设计软件进行辅助教学是有必要的。

1.2CSI Bridge辅助教学优势

CSI Bridge是美国Computer and Structures Inc.（CSI）公司开发研制一款功能强大的专业桥梁设计分析软件，该软件集成了桥梁结构的建模、分析和设计。运用CSI Bridge，桥梁设计所有的任务都能方便快捷地实现，使得该软件成为当今市场上使用广泛和最具生产效率的软件产品。CSI Bridge与其他大型有限元分析软件单元化建模方式不同的是参数化定义桥梁模型，直接使用桥梁工程师熟悉的术语，如布局线、桥跨、梁截面、支座、桥台、桥墩、桥铰及预应力等，用户可以方便地定义复杂桥梁的几何、边界条件及荷载工况。软件可以离散为3种分析模型：主梁模型、壳模型、实体模型，当桥梁定义参数发生改变时，能够自动更新相应的分析模型［4］。而CSI Bridge在实际工程运用过程中兼具功能强大和高效率的特点，非常适合在桥梁工程课堂教学中使用。

1.3CSI Bridge教学方法

CSI Bridge包含一个方便的建模向导，参数化的建模器可以创建复杂的桥梁模型，能够高效地进行修改，方便对整个设计过程保持完全控制，图1概括了创建桥梁模型的主要步骤。运用CSI Bridge可以进桥梁行静力分析、模态分析、反应谱分析、Pushover分析、阻尼隔震分析、施工顺序加载分析、移动荷载分析、谐振稳态分析、功率谱密度分析和次效应分析等。CSI Bridge设计校核中嵌入的中国规范内容有抗弯验算、抗剪验算、抗裂验算、主应力验算、正应力验算、开裂后主应力验算、裂缝宽度验算及预应力钢束应力检查。在课堂上教师可以根据建模步骤清晰地演示桥梁结构的设计方法，模型经过计算在后期调整、设计过程中可以充分展示我国桥梁规范的实际运用过程。

图1　CSI Bridge基本操作过程流程图

2　CSI Bridge教学演示

2.1项目简介

现以某跨径为40m+70m+40m的三跨PC变截面单箱单室连续箱梁为例，对CSI Bridge在桥梁结构设计分析中的应用做简单介绍。主桥上部结构为上、下行分离的（40+70+40）m三跨PC变截面连续箱梁。单个箱体顶板宽13.25m，厚0.28m，底板宽6.75m，厚度由0.3m从跨中至距主墩中心3.75m范围按二次抛物线变化成0.8m，横桥向底板保持水平；箱梁根部梁高3.8m，跨中梁高1.8m，箱梁梁高从距跨中1.0m至距主墩中心3.75m处按二次抛物线变化；腹板厚度1～5号块为0.7m，7～9号块为0.5m，在6号块件范围内由0.7m按直线变化到0.5m；翼缘板悬臂长为3.25m，端部厚0.18m，根部厚0.7m。除在主墩墩顶设置一道厚2.5m的横隔板，边跨端部设厚1.5m的横梁外，其余部位均不设横隔板。主桥下部结构采用钢筋混凝土实体墩，低桩承台，群桩基础。主墩墩身宽3.5m，长8.0m。图2为利用CSI Bridge建立的三跨PC变截面单箱单室连续箱梁桥的模型。

图2　三跨PC变截面单箱单室连续箱梁桥模型

2.2CSI Bridge分析功能

CSI Bridge分析结构包括整体模型和局部构建的分析数据，各种荷载工况下结构内力/应力图、结构能量/虚功图、结构变形形状、振型形状等。计算完成后会显示结构在恒载作用下的变形见图3。在Deformed Shape菜单里可以根据不同的工况或组合查看壳单元模型相应的结构变形，图4为一阶振型图。CSI Bridge还可以方便地输出动画，可以直观地观察变形过程。

图3　恒载作用下结构变形图

图4　一阶振型图

在CSI Bridge显示壳力/应力菜单中，可以根据不同的工况或组合分别选择显示内力、壳应力、壳层应力等分量类型，其中壳应力分量的输出类型包括可见面、顶面、底面、最大、最小和绝对最大共6种。图5为二期恒载工况下S11应力云图，图6为二阶振型S12云图。

图5　二期恒载工况下S11云图

图6　二阶振型S12云图（局部）

CSI Bridge有桥梁内力/应力菜单，可以直观地显示出桥梁对象响应。显示范围可以选择整个桥截面、某根主梁、整个桥截面加各主梁。显示分量包括桥梁结构设计所需要的轴力、弯矩、剪力、扭矩及对应的应力分量。图7为恒载工况下整个桥截面加各主梁M3内力图，可以看出各主梁截面的内力相加等于整个桥截面的内力。此外，CSI Bridge还可以将绘图参数非常方便地输出到Excel表格，以方便进一步分析。

图7　恒载工况下整个桥截面加各主梁M3内力图

在桥梁结构设计分析中影响线和影响面非常重要，在CSI Bridge中可以方便地查看各工况作用下的内力的影响线或影响面见，图8、9、10。

图8　左桥墩中柱轴力影响线

图9　跨中壳单元S12影响面（局部）

图10　跨中壳单元M3-3影响面

该模型为课堂教学演示案例，将桥平面线型简化为直线，未设置横坡，未考虑腹板厚度变化等因素。本文因篇幅有限本文没有进行结构的抗震设计分析等过程的演示。

3　结语

通过该三跨PC变截面单箱单室连续箱梁桥在CSI Bridge进行建模计算分析的案例可以看出，CSI Bridge拥有方便的建模功能和强大的分析功能，同时可以提供全面、灵活的数据显示和输出方式，用户可以方便直观地查看及打印分析、设计结果。

人才培养应顺应人才市场的需求，土木工程专业是一个实践与理论密切结合的专业，特别是对学生的实践水平有很高的要求［5］。在桥梁工程课程的教学过程中，教师可以灵活地运用CSI Bridge软件在课堂上进行教学演示桥梁结构设计步骤，可以分析桥梁结构在各种工况下的响应，可以快速地修改和优化模型。相信教师在教学过程中合理地运用CSI Bridge进行辅助教学，使讲授内容与实际工程紧密结合而不再局限于课本，可以丰富课堂教学内容。学生通过直接分析软件输出的图形、动画等结果可以提高学习效率，参数化的建模方式使得相比其他有限元软件更容易让学生上手学习，在学习理论知识的同时提高学生的动手实践能力。

［1］范立础.桥梁工程［M］.北京：人民交通出版社，1987.

［2］钟小平，肖鹏.桥梁工程系列结构类课程教学内容一体化研究［J］.高等建筑教育，2008（1）：47-50.

［3］胡免溢，杜嘉.《桥梁工程》课程教学问题及改革对策［J］.重庆交通学院学报（社科版），2002（2）：87-88，91.

［4］北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南［M］.2版.北京：人民交通出版社，2012.

［5］刘勃，刘玉，钟国辉，等.基于真实项目的实践教学体系探索［J］.高等工程教育研究，2012（1）：116-120，126.

Research on the Application of Bridge CSI in the Teaching of Bridge Engineering Course

He JunjieBai Jun
（College of Agriculture and Animal Husbandry，University of Tibet，Linzhi Tibet 860000）

In order to improve the teaching efficiency of engineering course of civil engineering major bridge，enrich the content of classroom teaching and improve students'practical ability，on the basis of summarizing the present teaching situation of the bridge engineering course，the teaching method of applying the finite element analysis soft⁃ware Bridge CSI to the classroom teaching process was put forward.A typical model of bridge structure was estab⁃lished by using Bridge CSI，the design method of bridge structure was demonstrated，so that the teaching of the course was changed from theory to theory and practice，the practice teaching effect of bridge engineering course was improved，which provided theoretical and practical basis for the research and reform of the teaching system of bridge engineering course.

bridge engineering；Bridge CSI；teaching research

U44

A

1003-5168（2016）08-0038-04

2016-07-13

高效重点实验室，西藏土木水利电力工程技术研究中心。

西藏大学农牧学院，教学改革与研究项目，桥梁工程课程教学改革研究。

何军杰（1989-），男，助教，研究方向：结构工程。