桥梁设计软件课程教学探讨及在毕业设计中的应用

2017-04-06贾松林陈劲飙葛新广

四川建筑 2017年6期

关键词：毕业设计桥梁工程建模

胡强，贾松林，陈劲飙，葛新广

(广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006)

桥梁设计软件课程教学探讨及在毕业设计中的应用

胡强，贾松林，陈劲飙，葛新广

(广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006)

桥梁结构及其施工方法和过程的复杂性决定了学生掌握相关课程具有较大难度。文章介绍了开设计桥梁设计软件课程，将桥梁设计软件Midas引入专业教学，让学生掌握复杂桥型的分析、计算成为可能。将Midas软件应用于毕业设计，让学生进行一座具体桥梁的计算，提高了学生解决复杂工程问题的能力，提升了学生的综合素质，能够培养出更加适合市场需求的土木工程专业毕业生。

桥梁设计软件；桥梁工程；毕业设计

桥梁工程是土木工程专业交通土建方向的主干课程之一，重点难点多，课程的学习需较为扎实的力学基础，且桥型多，施工方法各有不同，施工过程中常常伴随体系转换，导致桥梁结构往往超静定数目多、施工过程复杂、计算量大，如变截面连续梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥等，难以用手算完成桥梁的设计和施工过程的模拟。采用有限元软件代替手算内容可大幅度降低工作量，增加效率，也使得初学者计算、分析复杂桥梁成为可能。而Midas/Civil软件是针对土木结构，尤其是预应力箱型桥梁、悬索桥、斜拉桥等复杂桥梁结构形式，能够迅速、准确地完成线性与非线性、静动力弹塑性等问题的分析和设计[1]。同时，Midas软件引入了我国现行桥梁设计规范，设计成果的判定依赖于有限元模型的正确，避免了学生在设计过程中人为修改设计结果的“懒惰”行为[2]。2015年住建部发布了全国高等学校土木工程专业评估(认证)的文件，要求“以成果为导向，学生具有解决复杂工程问题的能力”。因此，开设桥梁设计软件课程，Midas软件的引入对桥梁工程相关的教学，尤其是毕业设计环节，具有重要的促进作用，能让学生真正分析、解决复杂桥梁工程问题。

1 课程设置及教学现状

将Midas软件引入交通土建方向学生的专业课程，使得学生对桥梁工程具有更深入的了解，一定程度上减小了多数学生由于力学基础不够扎实而带来的畏难情绪，使得学生能够对较为复杂的桥梁结构进行模拟和计算，促进了学生对该专业方向的兴趣。该门课程的学习在计算机机房进行，教学方法为教师演示、学生练习、课堂答疑、课后练习的方式，在教学上取得了较好的效果，但也存在一些问题：

(1)学时不够。本门课程总学时为24课时，除了教师演示的时间外，课堂上学生练习的时间仍然不够，而课后练习又不利于辅导，导致部分学生对课堂内容掌握不够。

(2)对有限元软件较为陌生。教学过程明显感觉到部分学生对有限元软件了解不够，对于为何要建立节点、单元、边界条件、设置材料属性等内容，只知其然不知其所以然，因而在学习中存在机械、呆板的被动记忆的情况，导致对软件中众多参数设置不理解，不能正确建立有限元模型。

(3)力学基本功不够扎实。有限元分析实质上是力学问题的求解，但力学课程的学习本身难度大，较多学生在学习力学课程时不够扎实，对力学基本概念、基本方法的理解不够，对力学相关知识点更是似是而非。因而，导致在学习Midas软件过程中，对模型中各部分的关系处理不准确，甚至不正确，例如部分学生对连续梁桥和刚构桥所施加的约束不明确，对先简支后连续、挂篮施工等过程中出现的体系转换较难理解。同时，由于力学基本功不够扎实，较多学生看不懂软件分析结果，无法正确判定分析结果是否正确，或者知道分析结果不正确也无法判别是哪里出了问题。

(4)专业知识不够系统化。该门课程的开设时间为大四上学期，大多专业课程刚刚学完，学生对各门专业课程的理解大多还停留在该门课程上，尚不能将各专业课程联系起来形成较为系统的知识体系，因而在应用Midas软件对桥梁结构进行分析时往往存在考虑不全面合理，例如在施工阶段划分时，不能抓住主要矛盾，导致施工阶段划分过细过多、前后施工段衔接不合理等问题。

当然，这些问题的出现，原因是多方面的。如有限元课程一般属研究生课程，本科课程体系中不可能开设专门的有限元教学；地方院校的学生学习不够刻苦，对基础知识和专业基础知识的学习力度不够；学校教学模式决定了没有足够的实习机会能够接触到所有实际工程的设计、施工等等。

2 教学过程中的改进方法

Midas软件的引入，其目的在于应用，能够让学生使用软件对不同类型的桥梁结构进行正确合理的分析。要让学生，尤其是桥梁方向毕业设计的学生使用该软件对较为复杂的桥梁结构，如拱桥、斜拉桥、悬索桥等进行分析设计，必须让学生真正掌握Midas软件。针对上述教学中存在的问题，采取如下措施以改进教学方法，提升教学效果：

(1)抓重点难点，适当补充相关专业知识背景。由于学时有限，以及该门课程的特殊性导致课外答疑存在诸多不便，因而在课堂教学时，需抓住重点难点进行仔细讲解，例如Midas软件建模过程中边界条件的处理、材料参数设置、预应力筋的布设、拉索索力的调整等问题。在建模、分析和结果处理过程中涉及到的专业知识应适当补充，如预应力损失的计算，PSC设计中验算结果的判定等。

(2)以规范为主，引导学生独立查阅相关资料，培养学生的自学能力。Midas软件与我国规范紧密结合，使用者能够通过软件进行预应力构件的设计验算，因此，要掌握Midas软件需要熟悉我国现行规范的相关规定。在教学中，要将Midas软件的学习与规范结合起来，引导学生养成查阅规范的习惯。同时，引导学生学习软件的帮助手册和查阅相关资料，让学生在建模、分析和结果处理过程中遇到问题能够独立查阅资料，解决问题，逐渐减少对教师的依赖。

(3)采用案例教学。教学过程中采用案例教学，即将软件的具体操作引入桥梁的直接建模，可以生动、形象地将桥梁工程中大型复杂结构的力学性能直观的显示出来[3]，不再单独对软件菜单进行枯燥乏味的讲解。既节约时间，又让学生感受到Midas软件的具体建模过程，激发学生的学习积极性。例如，讲解拱桥建模时，将纵横梁建模方法与箱梁的鱼骨刺模型进行对比讲解，让学生既能掌握具体的操作步骤，又能从整体上把握桥梁建模的过程。

3 Midas软件在毕业设计中的应用

对于桥梁方向的毕业设计，让学生采用Midas软件对所设计桥梁进行建模、分析，既可节约计算时间避开繁琐的手算过程，又能让学生对某个桥型具有整体上的把握和构造上的理解，能将所学专业知识系统化，特别是能让学生尝试更为复杂桥型的计算，提高了学生解决复杂工程问题的能力，建立学生对毕业设计的兴趣，激发学生对桥梁工程的热爱。在完成毕业设计的同时，不但加深了对专业知识的理解，也熟练了Midas软件。