仿真技术在桥梁工程课程设计的实践

周德 王宁波 温伟斌 

（中南大学  土木工程学院， 湖南  长沙 410075）

 [摘 要]：桥梁工程是一门实践性很强的课程，针对其教学难以进行大型工程实验的问题，引入Midas Civil 有限元软件，以某大型复杂悬索桥为例，通过对其施工全过程的力学仿真分析，实现桥梁从建造到运营全过程的可视化分析，从不同角度展现桥梁的建造过程及其受力特点，培养学生发现、分析和解决工程实际问题的综合能力，通过MIDAS仿真技术在桥梁工程课程设计中的作用及实践，支撑学生多层次实验和创新实践，满足学生多样化需求，实现“教” “学”“用”三者协同并进。

[关键词]：桥梁工程；MIDAS；课程设计 

[中图分类号]  G642  [文献标识码]  A

[资助项目] 2020年度中南大学深化创新创业教育改革研究项目（课题名称：基于"结合教师科研课题"理念的工程力学创新教育改革研究，2020CG039)；2020年度 中南大学教育教学改革研究项目（基于可视化网络教学平台和以学生为中心的混合式工程力学课程教学研究，2020jy060-8)。

[作者简介] 周 德（1980-），男，江西萍乡人，博士，中南大学土木工程学院讲师，从事桥梁结构理论及应用研究。王宁波 (1982-)，男，湖北天门人，博士，中南大学土木工程学院副教授[通讯作者] ，从事桥梁结构理论及应用研究。

Practice of Simulation Technology in Bridge Engineering Course Design

ZHOU De, WANG Ningbo, WEN Weibin

(School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: Bridge engineering is a very practical course. Aiming at the problem that it is difficult to conduct large-scale engineering experiments in its teaching. Midas Civil finite element software is introduced. Taking a large and complex suspension bridge as an example, the bridge is realized through mechanical simulation analysis of its construction process. Visual analysis of the whole process from construction to operation, showing the construction process of the bridge and its stress characteristics from different angles, cultivating students' comprehensive ability to discover, analyze and solve practical engineering problems, and discuss the role of MIDAS simulation technology in the design of bridge engineering courses And practice. It has played an important role in supporting students’multi-level experiments and innovative practices and meeting the needs of students’diversified tasks. The purpose is to realize the synergy of "teaching", "learning" and "application".

Key words: Bridge engineering; Midas; Bridge engineering design

“桥梁工程”是土木与交通工程专业的一门重要核心课程。传统课堂教学中，虽然师生能够面对面教学，但在板书上常以二维视角来展现三维模型，存在不够直观、形象、生动的缺点，降低了学生的学习兴趣，增加了学习难度。加上实际授课中，侧重概念理解而缺少实际操作，学生掌握程度差的现象普遍存在，理论与实际难以结合^[1]。

笔者结合中南大学土木工程专业本科生课程“结构分析软件应用”教学，将Midas数值仿真技术融于教学活动中，解决了桥梁工程教学难以开展大型工程实验的问题。

1 Midas Civil 简介

Midas Civil是桥梁领域通用结构分析及设计系统，它具有直观的操作界面，并且采用了尖端的计算机显示技术。Midas Civil集成了静力分析、动力分析、几何非线性分析、屈曲分析、移动荷载分析、悬索桥分析等分析设计功能。该软件具有强大的前后处理功能，特别适合求解复杂结构仿真分析问题，使其在桥梁结构的模拟中应用非常广泛，具有很好的适用性^[2-4]。

Midas Civil软件单元类型包括梁单元、桁架单元、板单元、实体单元和只受压或只受拉单元、索单元、平面应力单元、平面应变单元、非线性连接单元等，几乎涵盖了结构分析时所有的单元类型。该软件能将抽象的边界条件、荷载作用等转化为直观的三维图形。通过分析计算，将结构弯矩、剪力、轴力、位移、变形及应力状态以云图、等值线图及动画等形式形象地表现出来，能帮助学生直观地认识复杂桥梁工程的力学行为及其变化规律、牢固掌握相关知识点，提升学生分析问题和解决实际工程实际问题的能力^[5]。

2.Midas Civil 软件在桥梁工程课程设计中的价值

近年来，Midas Civil 软件在土木工程领域得到越来越广泛的重视和应用，理论与技术日趋成熟。该软件能够灵活展现三维结构的特征，在教学中引入Midas Civil模型，通过直观印象使学生更好理解抽象概念和实际结构，增加学生学习兴趣，提升学习效果。在桥梁工程教学中，由于数据量大，关联性强，运用Midas Civil 软件进行计算，即能提高准确度，还能节省人工手算的时间和精力，并且能够灵活控制各种参数的修改。教师可以对教学重点进行突出讲解，让学生对整个知识体系有更好的理解。避免了上课只有教师讲，学生埋头听的现象。通过交流与探讨，将结构设计原理、结构力学等专业基础课知识点和桥梁工程串联起来，构成学生自己的知识库，增强学生对知识综合利用的能力。

3 Midas Civil 软件中桥梁仿真分析流程

图1为Midas Civil 软件中桥梁仿真分析流程。利用Midas/Civil 创建桥梁结构模型，定义结构刚度，边界条件和施加荷载。通过将桥梁结构离散化，用有限个单元来表示复杂的对象，单元之间通过节点相互连接，根据变形协调条件综合求解，即可进行对变形，反力，内力和应力结果的分析。

图1 Midas Civil 软件中桥梁仿真分析流程

4 案例分析

4.1 工程概况

如图2所示，某独塔自锚式悬索桥全长368.4m，主跨布置为2×150m，桥面宽40m，采用半漂浮体系。缆索为双跨双索面线形，理论跨径140.635m，矢跨比为1/12。索塔高67.0m，采用异型双柱式钢筋混凝土箱型结构，壁厚1.2m。索塔基础采用矩形承台，长×宽×高为25.6m×15.6m×6.0m。全桥设15对吊索，吊索顺桥向标准间距为8m，均采用高强度镀锌平行钢丝。

图2 某独塔自锚式悬索桥总体布置图

4.2 仿真模型

采用有限元分析软件Midas Civil 2020建立该桥空间仿真模型。建模时，索塔和加劲梁均采用梁单元模拟，缆索、吊索均采用只受拉索单元模拟，混凝土板和钢板采用空间板单元模拟，通过调整缆索和吊索力确定合理成桥状态。边界条件按实际情况施加。全桥空间有限元仿真模型如图3所示。

（a）主塔施工施工阶段            （b）加劲梁施工阶段

（c）主缆架设阶段             （d）体系转换阶段

图3 代表性施工阶段模型示意图

4.3 结果查看

结果查看是检验仿真分析正确与否的重要手段。对结构进行分析计算，即按照现行的规范，对各种荷载进行组合并进行分析，导出计算成果。此过程有利于促进学生之间的检验和互动，完善过程，完成对结果精度与计算效率的评判，可以得到结构的内力、位移图形与表格（如图4所示），并且根据各种验算结果判断是否通过设计规范，其教学目的是使学生的实践能力由基本操作技能向实际应用能力提高。

（a）竖向挠度云图（mm）

（b）轴力云图

图4  仿真分析结果

5 对Midas Civil 软件在桥梁工程课程设计中的进一步思考

（1）以整体提升为目标的分组教学方式

教学初期，通过课堂考察，可基本确定学习和操作能力较强的学生，作为后续分组担任担任小组长人选。教师讲解后，注意大部分同学是否能听懂并完成操作，再分组练习，教师来回辅导，同时要求各小组长注意本小组情况，特别要注意进度较慢学生的练习情况并给与指导。在教学过程中，布置一些学生容易混淆的知识点，让学生在组内进行讨论。在讨论过程中，促使学生主动思考、主动学习，集体形成结论。再各组指派代表讲解，老师作点评。通过学生互相学习，达到共同提升的目的，提高课堂的效率。

（2）包容的教材选择与开放的教学反馈相结合。有关Midas Civil有限元软件的课本多种多样，但课程内容和原理大同小异，可以给予学生根据自身情况灵活选择教材。将开放式和互动式的教学方式相结合，教学内容以学生为中心，课下开设不同内容的答疑专区。对学生难以理解的知识点进行集中答疑和讲解。充分调动学生积极性，对提出和解答有价值问题的学生，施行学习奖励制度，推行学习积分制。设置提问和回答达人专区，设置奖励内容，当积分达到一定程度可以获得专业书本奖励或者其他加分奖励等。这样既能使教师工作在没有更加繁杂的情况下，兼顾每一位学生学习情况，一些问题可在学生内部得到解决而减轻教师工作量。这样的过程非常有利于提高学生的参与度和组织感，增强综合能力，学习由被动变为主动学习。

（3）基于多交叉学科的多媒体教学手段。采用Midas Civil 有限元软件对桥梁工程的仿真分析，由于涉及数学、力学、专业基础和计算机等诸多知识。因此，在传统教学的基础上，更加重视以多媒体辅助的教学方式，有效发挥多交叉学科课程的教学优势。对学生来说，在提高学习兴趣的同时，能对枯燥的公式推导及规范条文的理解有更为直观，更为生动认识，不仅知其然而且能够知其所以然，实现知识点突破，达到良好的教学效果。

（4）理论联系实际，任务驱动教学。桥梁工程是一门实践性较强的课程，应当与工程实践问题结合起来。针对有限元算法求解的复杂性，教学过程结合大量的设计案例来进行。以工程实际问题为抓手，以任务驱动教学，在使用软件进行设计过程中，涉及到的专业知识和软件知识是很多的，如何将这些知识贯穿在教学中是组织课内教学的关键。通过完成几个典型的设计任务，学生既了解了流程，又温习了所学的专业知识，有了设计的成果，学生也有了成就感，学生的职业素养得到了锻炼。积极性也得到提高。同时，课外还鼓励学生参加以实际工程为依托的“有限元仿真分析”大赛，并应用于工程实践中。课程设计注重实际建模作业，考查学生对知识的理解和吸收方面双管齐下。模型建立后，学生可以上传模型至交流区进行相互比较，相互批改，取长补短，最后由教师点评并提出建议。

6 结语

综上所述，MIDAS 软件在桥梁工程课程设计中的应用，将有限元软件应用到建模计算中去，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显示出来。与传统的手算方式相结合，提高授课过程中学生对知识的吸收程度。通过将桥梁工程的力学行为和受力机理直观地描述出来、帮助学生更好的理解复杂结构荷载作用，能锻炼学生的创新能力。同时，也减少了实验仪器设备、实验耗材相关费用，使得学生的学习效果更好。

参考文献

[1] 易壮鹏.“桥梁工程”课程设计教学方法研究[J].中国电力教育,2011（14）:100-102.

[2] 徐勋倩,冯旭阳,项宏亮,等.MIDAS 仿真技术在桥梁工程虚拟实验教学中的应用[J].实验技术与管理, 2016, (10): 115-118.

[3] 羊日华,王新忠，黄国平.有限元分析软件MIDAS 在桥梁工程课程设计教学中的应用[J].教育教学论坛,2016（51）:193-194.

[4] 李静,陈翠和,庹云.网络环境下的计算机软件应用类课程教学改革探究[J].教育文化,2019（29）:154-155.

[5] 武和全,胡宏伟,薛盈盈.“有限元分析”网络教学课程改革的探索与实践[J].科教导刊(上旬),2014(8):100- 111.