桥梁工程科研实验案例在课程中的应用探索

单德山，王 骑

（西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031）

引言

研究生教育是培养高层次创新人才的主要途径，是应对全球人才竞争的基础布局，是实施创新驱动发展战略和建设创新型国家的重要基石。党的二十大报告指出，教育是国之大计、党之大计。培养什么人、怎样培养人、为谁培养人是教育的根本问题［1］。2020年，习近平总书记对研究生教育工作作出重要指示，强调研究生教育在培养创新人才、提高创新能力、服务经济社会发展、推进国家治理体系和治理能力现代化方面具有重要作用［2］。

“桥梁结构模型实验”是桥梁工程专业学生培养计划中的重要一环，也是一门非常重要的实践课程。以桥梁结构模型为对象，采用现代化测试分析技术，对桥梁结构性能进行综合评价，通过实验使学生对桥梁结构有更深入、更系统的了解。在新工科教学改革的大背景下，教师在授课时应注重结合工程实际案例，不仅可以激发学生的学习热情和兴趣，还可以通过对实际案例的分析培养学生掌握知识、运用知识和对接工程实际的能力［3-5］。鉴于以上原因，本课程教学以提升学生理论联系实际的能力为目的，以某曲线斜拉桥模型实验为例来阐述“桥梁结构模型实验”的课程知识在实际科研项目中的应用。

一、典型案例分析

选取西非的一座混凝土曲线斜拉桥——刚果布拉柴维尔滨河大桥作为案例，激发学生解决实际问题的兴趣。在讨论中，结合模型和原型结构的特点，重点讨论了主梁的尺寸和材料。桥跨布置为49+81+285+81+49=545 m，桥宽22.0 m。曲线梁起点为中跨跨中，曲率半径为550 m。主梁采用混凝土“Π”形双边主梁，主梁中心梁高2.3 m，顶面设置双向2.5%横坡。主梁标准节段长9 m，边跨梁段长6 m，横隔板纵向间距为6.0（9.0）m。索塔处横隔板厚2.0 m，过渡墩、辅助墩处横隔板厚2.5 m。曲线斜拉桥的模型设计可分为以下几个步骤：（1）确定原型结构。（2）考察实验场地，确定模型桥的几何缩尺比例；根据实验目的选择实验材料。（3）查阅资料，利用刚度相似原理设计出理想模型桥。（4）对理想模型桥的静力特性进行计算，确定是否与原桥满足静力相似关系。（5）结合实际条件，将模型桥进行适当的调整和简化，得到用于实验的模型桥。（6）实际模型桥设计和实验，验证曲线斜拉桥理论计算的正确性。

在进行模型斜拉桥结构设计之前，需要确定几何相似常数及制作材料，并推导出模型桥与原型桥的相似关系，为后续的结构设计提供基本参数。在本课程中，教师将会把实验中所掌握的相关知识与实际工程项目结合起来，引导学生探讨解决工程实际问题的方法和措施。通过讨论实际案例，学生可以更加深入地理解课程内容，并将这些知识应用到实际工程项目中。

在教学中，为了让学生更好地把理论知识应用到实际工程问题中，引入实际项目案例是至关重要的［6-7］。通过对斜拉桥的概况做简单描述，可以帮助学生了解工程项目的实际情况，增强他们的学习兴趣。与此同时，教师应该充分发挥学生的积极性，引导学生自主拟定模型设计方案，并总结拟订方案的相关依据。这样可以让学生在实践中锻炼自己的能力，提高独立思考和解决问题的能力。当学生完成拟订方案后，展开激烈讨论也是一个非常有效的教学方式。通过这种方式，学生可以相互交流想法，思考问题的各种可能性，并逐渐趋向于一个共识。依据相似理论设计的全桥缩尺模型在实践中会遇到很多问题，有时这些问题并不独立，可能会相互制约。因此，需要学生综合考虑所有因素，充分运用“桥梁结构模型实验”课程知识，以找到特定工程项目条件下的最优解。在这个过程中，学生将不断学习新的东西，为将来处理工程实际问题奠定基础［8］。

当学生发现在设计桥梁结构模型时，存在诸如材料使用、结构施工等实际工程问题时，可以通过进一步的探究去解决这些问题。例如，当学生针对斜拉桥模型进行设计时，要充分考虑到模型材料的疲劳效应，以及模型在强风状态下的最大扭矩和变形等问题。同时，学生可能会遇到施工和组装模型时的各种实际问题，例如模型的可组装性、模型的安装结构等。在面对这些问题时，学生应该认真分析，并结合所学的理论知识，提出合理的解决方案。

以本项目为例，本项目曲线斜拉桥的整体模型实验主要关注其在关键施工阶段的受力性能，因此可将曲线斜拉桥整体模型实验过程视为处于静力状态。布拉柴维尔滨河大道桥全长545 m，最大塔高为122.2 m，综合考虑实验场地、制作工艺及加载设备等条件，确定模型桥与原型桥的几何相似比为1∶20。

在确定实验材料方面，主梁的材料选用钢材，原因如下：（1）模型结构常选用性质稳定的材料，如钢材、玻璃钢或者铝合金；（2）根据该研究项目，原型桥主梁为混凝土“Π”型截面，这种截面结构轻盈，顶板较薄，按照1∶20的比例缩尺，顶板厚约1 cm，若模型桥主梁采用与原型结构相同材料（即混凝止），制作加工将十分困难；（3）此项目研究的目的是利用模型桥来模拟其施工阶段，选用的材料应易于拆卸安装，需要主梁材料具有较高的强度，且梁上需加载质量相当大的配重。综合上述原因，选用钢材作为主梁的制作材料。桥塔材料仍选用钢材，原因如下：（1）桥塔的拉索锚固区要承受很大的撞力，若采用混凝土进行设计，极易发生开裂；（2）与上述主梁材料选取的原因相同，钢的材质均匀、强度高且稳定性好。

除上述实验材料的确定，主梁的尺寸拟定同样值得探讨，主要根据以下几点进行考虑：（1）模型桥主梁的材料为钢材，主梁不可能仍设计为两边为实心梁肋的“Π”型结构，因此考虑将两边的实心梁肋改为边箱梁。（2）模型的材料虽已选定，在进行截面尺寸的拟定时还应考虑市场上可购买到的材料规格，因此主梁的拟定需考虑市场上可选的钢材厚度。（3）过于复杂的结构会影响实际结构制化的精度。原型桥主梁截面为非对称形式，若模型桥仍采用非对称结构，则将削弱制作的精度，带来更多不确定因素，基于此考虑，主梁截面设计为对称形式。同时，若考虑保留原型桥主梁的横坡，制造起来将非常麻烦，而且保留主梁横坡对于实验并无多少益处，反而会增加模型的不确定性。因此，模型的主梁不考虑横坡。

综上所述，教学过程中引入的典型曲线斜拉桥设计案例，可以让学生对桥梁设计和性能问题有更深刻的认识［9］，并且可以从案例出发开展一些相关的分析与探究活动，如结合实验、数据和数值模拟结果等，让学生设计桥梁，分析其力学性能和材料特性，并尝试优化设计。

此外，除了选材及尺寸拟定还可以从整体模型实验和结构模型实验两个方面出发进行探讨。在考虑整体模型的制作过程中，可以让学生尝试应用所学课程中的结构设计知识和建模方法，以达到相应的受力和稳定性要求。在实验过程中，可以让学生观察和记录桥梁在不同受力状态下的响应情况和实验结果，从而对桥梁的结构特征和力学性能有更深入的认识。此外，可以将“桥梁结构模型实验”作为一个课程模块，并将其与整体模型实验结合起来。学生可以通过对不同结构模型进行实验，了解桥梁的力学性能和材料特性，并尝试不同的实验方法和假设，以研究桥梁在不同受力状态下的响应情况和破坏模式。同时，也可以将学生从桥梁的受力和稳定性等方面，探讨桥梁设计的原则和方法。

二、案例教学法的在“桥梁结构模型实验”教学中的应用意义

科学研究中的建立模型和形式化过程的重要性不言而喻。这是因为通过建立模型能够精确把握研究对象的本质特点，理解其内在规律，并用理论对研究结果进行分析和实践应用。在此基础上，“桥梁结构模型实验”这一课程通过实验教学将理论知识转化为实践操作，从而培养学生理性思考与动手实践的能力，使得学生能够在实践中不断地完善和提高自己［10］。这也为更深层面的科学研究打下了初步基础。在桥梁工程行业中，实践是检验理论正确性的重要一步。如果理论不能很好地应用于实践，再完善的理论也无法实现其本质价值。而“桥梁结构模型实验”课程就能够在大程度上协助学生加深对理论内涵的理解，并在实践中应用所学知识，从而更好地掌握工程应用的核心技能。同时，也使得学生更加熟悉工业研究的基本流程，逐渐掌握实际工作中所需的各种工程技能，培养高素质、高技能的工程技术人才。值得一提的是，科学研究和实际工作所涉及的包括各种学科、领域和实际问题等都是广泛的，要处理这些问题，需要跨学科和综合知识，而“桥梁结构模型实验”课程所强调的综合素质及能力训练能够锻炼学生做研究时的解决问题能力以及带来创新思维的重要作用，这也为学生未来的学习和工作打下良好的基础。

当今时代，快速发展的科技和工程领域对于工程专业的人才提出了更高的要求。实施科教兴国战略，结合“双一流”建设的大背景，培养科技进步、综合实践能力强、具备创新精神的桥梁专业人才尤为重要。作为桥梁工程专业的核心课程之一，“桥梁结构模型实验”课程对于学生的工程实践能力和专业素养的提升有着重要的意义。通过调查“桥梁结构模型实验”课程教学现状，发现桥梁专业相关课程普遍具有实践性和专业性强的特点，对于缺乏工程实践经验的学生在理解和接受教学内容上存在一定难度。针对学生在工程实践经验上的缺乏及课程中知识点分散、凌乱等问题，我们可以通过教学方法的创新来提升课程的实用性和针对性。例如，可以增加实验的复杂程度，提高实验的难度，并将实验成果与实际工程项目联系起来，以此来帮助学生更好地理解所学知识。同时，加强与其他课程的关联和整合，形成知识点的系统化、连贯性和层次性，使得学生在学习中更加深入和明晰。为了培养学生的创新精神，提高其综合素质，高校可以通过与实际工程项目结合，让学生参与到实际的工程项目中进行实践操作，培养学生解决实际问题的能力和学科综合素质，以逐渐成为能够独立开展工程项目的研究人员和技术专家［11］。总之，“桥梁结构模型实验”课程是培养工程人才的重要一环，高校需要利用创新的教学方法和实用的教学内容来拓展课程的深度和广度，以此来进一步推动桥梁工程领域的发展和进步。

结语

目前，高校积极对接国家交通强国建设和“一带一路”倡议，中国桥梁正向世界展示着“中国建造”的非凡实力，将“中国智慧”输出到世界。课程教学中引用海外工程案例不仅能够激发学生的爱国情感和家国情怀，弘扬文化自信和爱国主义精神，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的爱国主义情怀和使命担当，更能够将学术研究与实践应用紧密结合，培养具有国际视野和创新精神的高端工程人才，为推动我国桥梁建设、计划和设计、技术应用等方面的卓越发展做出贡献［12］。同时，创新课堂教学模式，通过工程案例教学，可以让学生更加直观、生动地感受到桥梁结构设计和建设过程的复杂性和卓越性。为全面贯彻深化研究生培养模式改革，面向国家经济社会发展主战场、人民群众需求和世界科技发展等最前沿，培养适应多领域需要的人才，通过产学研用结合，着力增强研究生实践能力、创新能力，为建设社会主义现代化强国提供更坚实的人才支撑。