桥梁工程实验虚拟仿真示范课程实践研究

陈建平， 项宏亮， 徐勋倩

(1. 南通大学 交通学院， 江苏 南通 226019; 2. 南通市规划设计院有限公司， 江苏 南通 226019)

随着“卓越工程师计划”的不断推进与实践，“培养创新型、应用型的高素质人才”的目标和举措越发明确与有效[1-3]。围绕着“本科教学质量提升工程”主题活动，组织教学团队开展了本科教学示范课程的建设工作[4]。桥梁工程精品课程历时3年建设，在教学内容、教学方法、启发式学习、网络平台、工程实践等方面都取得了一定进展。但在实验虚拟仿真教学方面，由于实验条件不足，建设较为缓慢。在桥梁工程培养上形成了“基础知识较好，但缺乏工程应用能力”的局面，难以适应卓越计划对土木工程和交通工程专业的要求。这种现象在工科专业中应用技术类的课程很是普遍[5-8]。为此，教师团队申报了虚拟教学仿真实验教学建设项目，并进行了桥梁工程示范课程教学改革实践。

1 建设思路

桥梁工程前期课程“结构设计原理”重在基础，注重结构的原理与计算方法；桥梁工程则重在工程应用与创新实践，注重结构概念设计与实践能力。基于上述的建设指导思想，从课程内容、教学方法、实践教学环节、考核办法等方面对桥梁工程进行教学改革实践[9-10]。

教学内容方面，进一步强化对工程的结构组成及其关系的介绍，细化关键结构构件的作用及其逻辑关系，计算分析内容的讲解简化，删除与结构设计原理、结构力学和桥梁工程施工等前期、后续课程重复的内容。

教学方法方面，以仿真教学及工程案例教学为重点。基于MAIDAS和“桥梁博士”软件构建大量的仿真计算模型，辅助学生感性认知结构并建立其工程素养，以工程案例为手段便于吸引学生对专业掌握的关注点[11-13]。

增设实践仿真教学环节。通过新型桥梁工程模型试验及MAIDAS、桥梁博士仿真实验进行实践教学[14-15]。

考核以工程设计作品和设计大作业为主，重点考核学生的创新能力和工程实践素养，弱化理论知识点的考核模式。

2 改革举措

2.1 教学内容

绪论部分建立图片库，介绍各类桥梁工程，帮助学生建立课程的兴趣和对桥梁工程的感性认知；绘制流程图，介绍桥梁工程的主要设计流程，并作为后续课程讲解的教学纲领及路线，如图1所示。

图1 桥梁工程主要设计流程

整个课程以“钢筋混凝土和预应力混凝土简支梁桥”为主(占20学时/64学时)，在传统的授课体系下，4类结构多平均分配学时。新的梁式桥内容分为组成介绍、桥面辅助构件、行车道板、主梁、次梁、横隔板、支座设计。创新点在于将梁式桥的设计分为纵向主梁、横向隔板设计、逻辑思路明确。

“悬臂与连续体系梁桥”简化大量的分析与计算方法，讲明结构的配筋设计与计算，尤其是详细讲明立面与横断面设计布置原则，介绍悬臂与连续体系梁桥常用施工方法。

“混凝土拱桥”讲明拱桥的基本特点、组成和类型为重点，以介绍拱桥的总体布置与设计构思为重点，并重点介绍简单体系及组合体系拱桥的构造特点，简化简单体系拱桥的计算方法和拱桥常用施工方法。

“缆索承重体系桥梁”以介绍缆索承重体系桥梁的基本特征及类型为主，分别讲解拉桥、悬索桥的结构特点和计算方法，介绍缆索承重体系桥梁常用施工方法。

“桥梁墩台”以讲明桥梁墩台设计与计算为主，简单介绍桥梁墩台的类型、适用条件及施工方法。

2.2 教学方法

引进工程项目图片，特别是以MAIDAS三维仿真的图片和相关视频为切入点，详细介绍各类桥梁的结构组成、节点设计和支座组成，以及工程施工和成型过程，在介绍各类结构组成的同时阐述各部分构件的相关性，进而培养学生概念设计的能力。

譬如，薄壁式桥台计算分析一章作为桥台设计的初识，然后安排实际工程图片演示工程的施工过程，以及各构件的构成与组成。最后，讲解在超重车引起的台后土压力增量下薄壁式桥台将出现承载能力严重不足的问题，通过建立空间有限元模型进行分析，如图2所示。以板梁的抗压刚度作为两岸桥台对应节点间的连接刚度，模拟板梁支撑作用，以受压节点弹性支撑方式考虑台后填土对台身的支撑作用、桩基与土体的相互作用，节点弹性支撑刚度根据土体性质及节点影响面积计算确定，分析超重车影响下的薄壁桥台受力情况，如图3所示。

图2 桩基有限元模型

图3 桩基计算结果

大量引入工程案例，可以强化各种类型结构的设计、施工中容易忽略的知识点和常见问题。在实际案例中主动学习，更有吸引力和感染力，对于知识点的掌握可以起到强化的作用。

2.3 实践教学环节

新增了实践仿真教学环节。传统的桥梁工程中鲜有专门的实验、实践教学环节，我们教学团队基于MAIDAS和“桥梁博士”技术为桥梁工程增设了实验仿真教学项目，仿真实验教学4学时(2个实验仿真项目)，如表1所示。

表1 桥梁工程课程学时分配表

2.3.1 实验仿真项目(1)：系杆拱桥吊杆更换分析

某桥全长86.00 m、总宽17.2 m，双向4车道布置，上部结构采用1跨70 m单幅钢管混凝土系杆拱，系杆拱矢跨比为1∶5，拱轴线采用二次抛物线。全桥共32根吊杆，每侧16根，吊杆间距4 m。下部结构采用空腹式轻型桥台，桩基础。桥梁设计荷载：汽车：20级，挂车：100。桥梁专项排查发现该桥主要存在病害：吊杆外保护层老化，普遍存在环状裂纹，个别吊杆外保护层断裂。吊杆底部锚固防护罩内普遍积水严重，吊杆内钢丝冷铸墩头锈蚀。为保证结构安全，需对桥梁吊杆进行更换。

吊杆更换过程的理论计算主要利用原桥理论计算模型，模拟原结构吊杆内力逐渐由原吊杆转移至临时吊杆或其他兜吊系统，再由临时吊杆或兜吊系统逐渐转移至新吊杆的过程，以确保吊杆更换过程中的结构安全和稳定(见图4)。计算主要解决拆除旧吊杆阶段的临时吊杆或兜吊的张拉步长、张拉力、张拉新吊杆阶段的临时吊杆或兜吊的卸载分级问题。分析后认为，本桥原吊杆采用91Φ5平行钢丝，根据吊杆拆除、更换施工分析结果，分7次平均割断原吊杆，即按照13根、13根、13根、13根、13根、13根、13根的步长顺序和对应吊杆内力，张拉临时吊杆和割断原有吊杆内的平行钢丝，对结构变形及结构受力状态变化影响很小。

图4 桥梁结构有限元模型

2.3.2 实验仿真项目(2)：系杆拱桥施工支架设计

某预应力钢管砼系杆拱结构，跨越运河，计算跨径L=128.66 m，拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1/5，矢高25.732 m，全桥共设40根吊杆，吊杆间距为6.10 m。下部结构采用钻孔灌注桩基础。为保证桥梁施工过程中桥下50 m净空要求，拱桥系杆施工支架要求跨度54 m，且存在左右侧边跨长度的不均衡，常规施工支架很难满足要求，需进行特殊设计。为保证桥下通航净空、系杆施工支架受力安全、施工支架刚度，经多次比较分析采用带预应力的托架+贝雷片支架的复合施工支架形式，通过托架弦杆、斜腹杆预拉力设计，以在减小支架计算跨径的同时确保施工支架受力安全(见图5)。

图5 施工支架计算图式

计算分析结果认为(见图6)，施工过程中贝雷片内最大弯矩548.7 kN.m，最大负弯矩717.4 kN.m，贝雷片内最大剪力-166.2 kN。托架杆件最大应力121.5 MPa，杆件稳定性验算、托架整体稳定性满足规范要求。左侧挂篮底部支反力在967～1360 kN，右侧挂篮底部支反力1 080 kN～1 242 kN。施工过程中挂篮底部出现的最大负反力-164 kN，下部临时墩受力安全。支架最大弹性挠度-59.2 mm，刚度满足要求。

图6 施工支架计算结果

2.4 考核办法

考核办法以过程性考核为主。各类结构讲解完毕即布置设计大作业(或作品)，直至下一种结构类型桥梁介绍结束时提交设计成果。共涉及4大类桥梁类型，每类桥型结构作业20分，共计80分。辅以考核翻转课堂讨论、考勤、参加课程相关的第二课堂活动情况等，计20分。

设计成果的考核指标为创新性、实践训练难度及次数、理论问题的思考深度、资料规范化的程度。

取消期末考试，不考核学生的计算理论及分析的掌握情况。

3 践行方式

由于课程的教学内容及组织方式有了很大的革新，对应教材较为缺乏，暂不指定相关教材，根据自编讲义组织教学活动，后期成熟后编写教材。

大力建设虚拟仿真实验室以及工程结构实训中心，为桥梁工程设计教学、学生大设计作业提供实验平台，最终实现对学生实践和创新素养的培养。

推行研究生(桥梁工程方向)助教方式。作为主讲教师，按照上述要求进行教学改革实践，不仅需要有丰富的工程实践经验和三维仿真能力，同时要收集整理大量的工程案例资料。仅靠一位主讲教师很难完成，课程建设期间聘请校外企业技术专家形成主讲教师教学团队。作为学生，需要教师过程性指导、讲解模型仿真技术以及资料规范整理途径及方法等。借助一年级的硕士研究生参与教学环节，既可以成为主讲教师的助手，也便于与高年级本科生的交流和沟通，有效提高了教学效果。

4 结语

桥梁工程在教学内容、教学方法、实践环节、考核方法上进行了较大的变革，取得了一些经验。

(1) 前期原理课程已详细讲授了理论与计算，应用类课程应侧重强化概念设计和逻辑关系的介绍。

(2) 三维仿真模型及工程案例教学，易于学生掌握结构的组成类型和常见问题，具有启发性和感染力。

(3) 考查以学生的创新性、工程实践能力、综合分析问题的能力为着重点，降低了常规理论知识的考查权重。