林区桥梁墩柱加固虚拟仿真实验教学探索与实践

赵 康，魏 洋，丁明珉，董峰辉，郑开启

（南京林业大学土木工程学院，南京 210037）

0 引言

虚拟仿真实验是通过计算机技术创建的一种虚拟环境，用于模拟真实世界的实验场景，以实现对科学原理和现象的研究和探索［1-2］。在教学上，虚拟仿真实验可以用来辅助或替代传统的实验教学，帮助学生更好地理解和掌握课程内容。学生可以在虚拟环境中自由探索、操作和观察，不受时间、空间和安全等方面的限制，从而提高实验效率和安全性［3-4］。同时，虚拟仿真实验还可以记录学生的实验过程和结果，便于教师对学生的学习情况进行评估和指导［5］。

我国部分林区，如四川等处于地震多发区，震后结构损伤对全区域救援造成极大阻力，加上林区环境及水下环境的复杂性使得其加固修复更加困难。目前国内常规针对桥梁墩柱加固的方法主要采用围堰排水法、压入钢管、夹克法等，近些年一些新型水下不排水技术（自反力压入钢管［6］、FRP 空间网格快速加固法［7-8］）应用到实际工程中，需要说明的是即使新型技术减少现场工序、缩短了工期［9］，但室内模拟实验仍然面临周期长、工序复杂、成本高，存在一定安全隐患的问题。林区桥梁混凝土墩柱水下加固实验是深入了解桥梁技术状况评定、墩柱水下加固专业知识的重要途径，是锻炼学生动手能力的综合性实验，采用虚拟仿真实验可以有效解决林区桥梁混凝土墩柱水下加固抗震实验突出难题，有利于培养学生的综合素质和创新能力。

1 虚拟仿真实验项目建设思路

林区桥梁混凝土墩柱水下加固实验具有以下特点：首先综合性强，实验涉及试件的科学设计、加固方案设计、试件吊装及加载、测试传感器布置等；再者周期长，从试件准备至实验完成，至实验结果分析，历经半年以上；然后费用高，材料用量大、设备体型大，加载成本高；同时风险大，试件体量巨大、重量大、加载体系复杂；实验条件苛刻［10］。墩柱水下加固，环境复杂，施工工艺特殊，整体实验涉及试件设计与加工、加固设计与实施、测试装置安装、试验加载等一系列工序，实验综合性强、周期长、风险大，技术要求高。由于以上特点，导致了无法在室内开展墩柱水下加固实验，从而学生无法对墩柱水下加固有直观深刻的理解和认识。

主体实验设置了室内模型实验、室外实际工程两个场景，诸多实验步骤，按照学生知识、能力的训练要求由浅入深，循序渐进。既包括混凝土墩柱水下加固方案设计、低周反复荷载试验、室外实际工程应用设计与分析等，为学生专业基本知识的掌握提供了有效工具，而且能够支持学生进行变参数、新方案的设计优化，并通过虚拟仿真进行可视化表达。对学生创新能力的提升提供了新颖的手段和工具。本虚拟实验在低消耗、低成本、无安全风险的前提下，使得学生深入掌握林区桥梁墩柱结构、施工、维护、造价等相关知识，掌握相关设计理论，激发学生学习的积极主动性，锻炼学生的动手操作能力，促进学生实践创新能力的培养，并提升实验教学质量和教学水平。

通过线上林区桥梁混凝土墩柱水下加固实验教学，让学生针对不同墩柱破坏模式及原始墩柱设计参数，选取适宜的水下加固方式，从理论计算到方案设计，再到实验加载测试和墩柱抗震性能评定，能够全过程掌握大型结构实验基本方法，在模型试验深入分析的基础上，掌握林区桥梁水下墩柱抗震加固施工工艺、水下墩柱抗震加固设计方法、墩柱抗震性能测试实验与分析方法、地震作用下桥梁墩柱损伤机理和破坏模式、水下墩柱抗震加固经济成本分析方法。对实际工程进行加固设计并应用。

2 虚拟仿真系统的构建

2.1 系统实现

本项目设计了6 个模块，具体框架流程如图1所示。

图1 虚拟仿真系统架构图

学生通过账号密码登录进入系统后，了解实验背景目的、实验预习内容，通过自测后，可以进入墩柱设计模块中，完成墩柱高度、墩柱直径、混凝土强度、配筋率四个步骤的交互设计。操作完成后，方可进入墩柱加固模块。墩柱加固模块按操作逻辑顺序分为：“加固方案、加固方式、配筋率、加固厚度、混凝土强度”5个步骤。完成墩柱加固后，进入试件加载模块环节，首先由场内吊机将加固后的墩柱吊装至试件加载区域，然后进行位移计、应变片等传感器布设，设定轴压比，选择加载控制方式，启动油泵，开始试件加载。加载过程中，伴随着混凝土破损等外观表现和声效，系统自动输出荷载-位移曲线，并给出主要实验结果数据。完成试件加载后，可以重置，返回修改实验参数，得到不同参数下的实验结果，并进行对比分析。在分析总结的基础上，针对室外实际水下墩柱，完成设计加固方案，用于实际桥墩的加固，并进行经济性分析。完成以上所有实验步骤后，最终系统会将其自动生成实验报告及评分，供学生及教师查阅，并导出备档。

2.2 工程实际问题

（1）工程实际问题的提出。操作人员通过浸入式的方式切身感受林区水域环境下桥墩的损伤场景，提出需要解决的林区桥梁墩柱震损后需要进行水下加固的工程实际问题（见图2）。帮助学生感性认识桥梁墩柱损伤模式，培养学生提出工程实际问题的能力。

图2 受损桥梁墩柱基本信息

（2）工程实际问题的分析。操作人员需首先选择墩柱的破坏模式，在学习墩柱承压机理加固方法约束提升机制后，采用针对性的加固方法对相应墩柱进行加固设计（预制凝土板、FRP 膜壳）。完成相应设计后（见图3），选择合适位置放置测试传感器，正确安装之后方能进行下一步操作，培养学生的动手操作能力。随后对选择合适的轴压比以及加载机制［见图4（a）］，随着实验加载的进行，同步出现试件外观表现及响应数据和荷载-位移曲线［见图4（b）］，同时在混凝土开裂、混凝土的压碎、钢筋的断裂等关键点出现相对应的实际声效，提高学生对实验过程中构件发生开裂、屈服和破坏等现象的认知，加载过程中，作动器、位移计指针等跟随试件的运动相应运动，荷载、位移、应变实时显示。

图3 加固方案设计及相关设计说明

图4 试件加载机制以及实验过程

（3）工程实际问题的解决。场景移换至外部损伤墩柱位置，选择室内实验确定的加固方法对损伤墩柱进行加固修复［见图5（a）］，加固后针对实际场景中加固后的桥墩从安全性和经济性两方面进行加固效果评定［见图5（b）］。

图5 实际场景损伤墩柱加固

（4）实验报告及反馈。操作人员在完成加固步骤后，根据林区桥梁墩柱水下加固相关的设计参数、实验现象和数据分析结果，提交实验报告（见图6），实验报告中包含实验目的原理、实验方法、加固设计、实验过程数据曲线以及实验参数分析等。

图6 实验报告

2.3 项目开放及共享

林区桥梁墩柱水下加固抗震虚拟仿真项目面向全国各大高校土木及相关专业学生、土木一线加固设计人员全权开放，同时该项目也获批江苏省2021 年省级一流本科虚拟仿真课程。本项目实时在线免费开放（http：//jsxngx.seu.edu.cn/lqhntkz/）。

3 教学方法及效果分析

教学方法摆脱了旧有的灌输式教学，以互动式的教学方法以达到师生共建课程的目的［11］，具体的表现为采用浸入式、自主式、交互式、探究式、反馈式教学方法相结合，使学生通过虚拟仿真实验掌握“墩柱损伤评定”“水下加固设计”“水下加固施工工艺”3 个相互递进的知识层次，掌握墩柱性能测试实验技能，掌握桥梁墩柱损伤机理和破坏模式及水下墩柱加固经济成本分析方法。

其中，浸入式教学方法，学生可如身临其境般地体验地震荷载对桥梁混凝土墩柱的损伤，体会低周反复荷载作用下实验现场的仪器设备工作状态，感知墩柱的破坏现象、破坏声响以及反应曲线的生成过程。自主式教学方法，引导学生从被动接受知识转化为主动获取知识，在学生充分理解实验项目的知识点、设计要点、评价标准的基础上，学生通过实验过程的自我探索，自我学习项目相关知识。交互式教学方法，可以充分发挥学生的自主性，弥补传统教学中“重理论讲授、轻过程分析”的不足，教学中，不仅注重实验过程中的交互式操作体验，同时，强调学生之间不同参数实验结果的相互对比与交流，以及与教师之间的研究探讨。探究式教学方法，可以引导学生从工程思维到研究性思维方式的转变，在选择特定参数完成后，允许学生重置实验，返回修改一个或多个实验参数，再次开展实验，进行不同参数下的实验结果对比，得到混凝土墩柱抗震加固设计的最优方案。反馈式教学方法，在多参数实验结果对比的基础上，对混凝土墩柱水下加固的效果进行总结，基于室内模型实验结果的分析，将成果应用于现实实际工程中，并分析工程经济成本，培养学生解决工程实际问题的能力。

3.1 实施过程

（1）浸入式教学方法感知实验环境。通过对真实林区桥梁、地震与实验场所的模拟，学生如同“身临其境”地进入了地震后桥梁受损的真实情境中，可以加深学生对于林区桥梁墩柱水下加固的需求性认识，加强学生对实验的了解，同时可以增加学生对所学专业的认同性［12］。

（2）自主式教学方法学习墩柱水下加固及抗震性能的相关知识。通过实验简介模块，学生可以了解林区混凝土桥墩在地震作用下的破坏形态，掌握桥墩水下加固技术与墩柱抗震性能评价的基础知识，为进行墩柱水下加固设计与低周反复荷载实验打好坚实的基础。同时，在本模块中提供相关的书籍、论文等参考资料，为学生自主学习提供依据。此外，本项目采用可视化的表现形式，便于学生直观地理解所采用的加固设计方案和设计参数对桥墩抗震性能的影响［13］。

（3）交互式教学方法完成水下加固墩柱抗震实验。通过改变不同的桥墩加固方法和加固参数（如混凝土加固厚度、混凝土强度等级、加固钢筋数量、外包层层数等）模拟水下加固后混凝土桥墩在低周反复荷载实验中的响应（如承载力、延性性能等），分析墩柱在不同情况下的破坏模式、抗震性能。使学生了解林区水下墩柱抗震性能的影响因素，并结合不同加固设计方案和参数，模拟再现对应不同实验参数下桥墩的抗震性能变化，定量分析评价加固方案的实施效果［14］。

（4）探究式教学方法培养学生研究性思维方式。在桥梁墩柱的水下加固设计中，影响墩柱抗震性能的因素很多，本项目通过设置重置重复实验的模块，允许学生进行多次实验，对实验中的参数进行修改，并将学生各次实验的结果进行对比分析，让学生了解每一个参数的改动对加固墩柱抗震性能的影响，有助于学生对加固墩柱抗震性能的系统深入分析，帮助学生提升专业综合思考能力。

（5）反馈式教学方法对实验效果进行总结。通过实验报告模块和试验问答模块进行反馈式教学。记录学生多次实验的实验结果，学生既能及时纠错，又能在自主学习后通过实验报告对自己的实验设计方案进行反思。此外，在实验开始前添加预习考核等环节，便于学生及时了解与掌握学习的进程，保证学生能够真正掌握相关知识，提高学习效果［15］。

3.2 实施效果

（1）通过“林区桥梁混凝土墩柱水下加固抗震虚拟仿真实验”解决了以往该类实验几无可能开展的难题，该实验完整涵盖了从墩柱地震损伤、加固方案设计到构件安装和实验加载与数据采集，再到实验数据的对比分析、抗震性能评定，最后进行实际应用及经济性评价的全过程。

（2）该实验系统高真实度地体现了实验与工程应用场景，通过实验，让学生熟悉加固设计理论，掌握大量实验仪器、设备的操作方法，并在复杂工程环境约束下考虑设计方案的经济性，培养学生解决复杂工程问题的能力。

（3）该实验综合性强，知识覆盖面广，学生通过实验与结果分析，实现对“木材运输学”“桥梁工程”“桥梁检测评定与加固技术”“桥梁抗震”等课程知识的综合深入理解，着实提高学生的知识综合应用与创新能力。

（4）该实验向学生提供了自主设计加固方案及重置的模块，并可以根据实验结果进行快速再设计-再实验（省去制作过程），能够很好培养学生的自主探索精神和专业素养，为学生从事相关科研工作发挥启迪作用。

3.3 考核要求

本实验项目要求学生独立完成整个虚拟仿真实验环节，并撰写实验报告，根据实验预习、实验步骤记录、实验报告、课后测试进行综合评分。实际实验过程中要求学生独立完成整个虚拟仿真实验环节，自己选择墩柱损伤模式，设计加固方案，设计加载及量测方案，完成实验准备及加载测试环节。加载测试环节完成后，由学生对实验数据进行分析，获得加固效果的评价结论，根据室内实验结果，进行水下实际墩柱的加固方案设计。最后，撰写实验报告、查看操作流程和分数。

具体要求包括：

（1）实验预习考核。在实验预习阶段，学生随机抽取5 道客观题，完成测试题，只有全部完成才能进行下一步实验，分值10 分，错误一道题扣2 分。

（2）“墩柱设计”实验环节的总分值为20 分。“墩柱加固”实验环节的总分值为15 分。“试件加载”实验环节的总分值为20 分。“水下加固”实验环节的总分值为25 分。

（3）课后测试考核。在实验结束后考核学生对实验的理解和掌握程度，采用主观题和客观题结合的方式，分值为10 分。

4 墩柱加固虚拟仿真实验特色

4.1 科教融合，提供科研探索平台

基于在桥梁检测与加固技术领域前期科研基础，同时相关技术在江苏、浙江、江西省等水下墩柱加固中取得了良好的效益。将科研成果融入实验项目中，项目已申请软件著作权3 项，实验过程中，提供实验设计参数的多样变化，实验结果相应科学变化，参数化设计及设计方案优化比选，不仅为学生对比分析探究提供可能，仍可为科研工作人员提供初步的科研探索平台。

4.2 虚实结合，线上线下融合

项目组针对桥梁墩柱水下加固抗震性能开展了系统的模型试验［7］，获得了大量真实实验数据及损伤图片；同时，借助于先进的分析软件，在真实的实验结果基础上，开展了批量变化参数的仿真模拟分析。真实实验与仿真分析结果为本项目实验奠定了理论的科学基础，虚拟仿真实验结果真实可靠，贯彻“能实不虚”、突出“虚实结合”，有力引导学生创新思维培育。在线下课程“桥梁检测评定与加固技术”的课题上，开展充分讨论，让学生充分理解实验项目的知识点、设计要点、评价标准，提前讲解实验操作引导视频，强调注意事项；结合课内讲解，有的放矢，开展线上实验，实验完成后，师生、生生之间充分交流实验心得，深入思考，线上线下融合，促使学生从单纯知识学习，向理论探究、实践创新方向发展，全方位促进学生实践创新能力的培养。

4.3 技术先进，面向行业需求

我国当前公路桥梁已达80 余万座，面对地震灾害、重载及林区等复杂的交通与自然环境，大量的水下墩柱存在混凝土开裂、剥落、钢筋锈蚀等病害，加固是保障桥梁安全与延长其寿命的重要手段，水下加固由于其水环境及水深的影响，传统加固工艺极其复杂，风险大、成本高、实施困难，如四川庙子坪大桥，在“5·12”汶川地震中，两个水深80 m 的水下桥墩出现裂纹，对其加固修复是工程界巨大的挑战，本项目实施的桥墩水下加固技术以免排水为创新思想，将水下工作转换为水上，为水下墩柱提供经济高效的加固修复手段，水下墩柱加固潜在市场巨大，技术需求迫切，本项目相关技术内容为江苏、浙江省等行业管理部门提供多次技术培训工作，为行业从业人员深入理解水下加固工艺、抗震设计理论提供支撑，从学生能力培养到市场化服务，科研、教学、生产三位一体，建立起理论知识与实际工程之间的现实联系。

4.4 评价体系创新

本虚拟仿真实验项目采用多层次考核对学生实验效果进行评价，具体分为预习考核、实验过程考核和题库练习考核。采用预习考核判断学生是否有足够的知识储备进行林区桥梁水下加固钢筋混凝土墩柱抗震虚拟仿真实验，从而保证虚拟仿真实验的效果。采用实验过程考核判断学生是否按照标准流程进行实验，是否对实验现象和实验结果有清晰的认识，是否得到准确的实验结论。采用题库练习深化学生对知识点的认识理解，从而让学生真正掌握实验所需的内容。针对每个层次的考核，提出了不同的评价要求，从而满足学生全面掌握知识和技能的需求。另外，在课堂上展开讨论，交流实验心得，总结经验。

4.5 传统教学的延伸与拓展

本虚拟仿真实验可以作为理论教学的重要辅助手段。课堂教学，教师主要借助PPT、板书等手段讲解相应的专业知识，学生有时很难按照老师的讲述想象出相应的结构或实验过程，借助于本实验项目的虚拟呈现，学生可以很直观地看到什么是林区桥梁、桥梁墩柱、损伤墩柱、墩柱加固过程、低周反复荷载实验仪器、设备等。

缩短实验时长，开设实验教学的第2 课堂。本项目与传统教学课程的契合度很高，能够很好地与传统教学进行对接和延伸拓展，通过4 个学时的时长，可以直接与原有实验观摩课程相结合，完成相关教学大纲的要求；在课堂以外，拓展了更为灵活、生动、以学生为中心的课堂外教学模式，高效地完成了原有课程的教学内容。

培养学生科学探究和科技创新的能力。由于该类试验的综合性，同时，软件制作了相关“实验说明”，为相关专业本科和研究生教学提供探究的便利，爱动脑筋的学生可以利用本项目，将自己的想法与设计思路在本系统中不断地重复实验，仔细观察与分析改变参数后的变化，寻找创新点，并进一步加以研究。同时为鼓励学生自主探索，实施个性化教学、课堂翻转、在线课程等新思路和拓展提供了可行方法。

5 结语

课程实践表明，通过虚实结合，有助于学生将课堂中理论知识吸收巩固、实践反思再吸收，有效提升创新实践能力。依托林区桥梁墩柱加固虚拟仿真实验平台，相比较传统的线下教学以及单纯的线上教学，混合式的教学模式可以激发学生自主独立思考以及设计的兴趣，提高教学效果。