CSI Bridge在橋梁工程課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

何軍杰　白軍

（西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，西藏林芝　860000）

CSI Bridge在橋梁工程課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

何軍杰白軍

（西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，西藏林芝860000）

為提高土木工程專業(yè)橋梁工程課程的教學(xué)效率，豐富課堂教學(xué)內(nèi)容并提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，在總結(jié)橋梁工程課程教學(xué)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出將有限元分析軟件CSI Bridge運(yùn)用到課堂教學(xué)過(guò)程的教學(xué)方法。利用CSI Bridge建立典型的橋梁結(jié)構(gòu)模型，演示橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，使該課程的教學(xué)由理論型轉(zhuǎn)變?yōu)槔碚撆c實(shí)踐相結(jié)合型，提高了橋梁工程課程的實(shí)踐教學(xué)效果，為橋梁工程課程教學(xué)體系研究與改革提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。

橋梁工程；CSI Bridge；教學(xué)研究

橋梁工程是土木工程專業(yè)的一門重要課程。課程的主要內(nèi)容有：橋梁的規(guī)劃與設(shè)計(jì)基本原則、橋梁設(shè)計(jì)作用、橋面布置與構(gòu)造、混凝土梁橋設(shè)計(jì)與構(gòu)造、橋梁施工及復(fù)雜橋梁簡(jiǎn)介等［1］。學(xué)生在學(xué)習(xí)橋梁工程前需要大量課程做鋪墊，包括材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理等［2］。學(xué)生在學(xué)習(xí)橋梁工程的過(guò)程中需要參照相應(yīng)的橋梁規(guī)范，掌握橋梁結(jié)構(gòu)在施工和使用時(shí)的工作狀態(tài)，計(jì)算出結(jié)構(gòu)作用和反應(yīng)，最終設(shè)計(jì)出堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)合理和造型美觀的橋梁結(jié)構(gòu)。

1　橋梁工程引入CSI Bridge教學(xué)探索

1.1橋梁工程課程教學(xué)現(xiàn)狀

橋梁工程在土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)過(guò)程中所具有的顯著地位決定了其教學(xué)的重要性［3］。根據(jù)現(xiàn)有的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，教師在本課程教學(xué)過(guò)程中僅局限于對(duì)簡(jiǎn)支梁橋構(gòu)造的介紹和承載能力極限狀態(tài)計(jì)算，教師指導(dǎo)學(xué)生完成簡(jiǎn)支梁橋設(shè)計(jì)計(jì)算也需要花大量的時(shí)間和精力。對(duì)于結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜的連續(xù)梁橋、索橋、拱橋、剛構(gòu)橋的講授僅局限于概括性的介紹，學(xué)生基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)直觀、高效的學(xué)習(xí)。而當(dāng)今我國(guó)橋梁工程設(shè)計(jì)、施工技術(shù)發(fā)展日新月異，大量創(chuàng)新型技術(shù)得到應(yīng)用，一項(xiàng)項(xiàng)紀(jì)錄被接連不斷的打破，學(xué)生學(xué)習(xí)掌握這些新知識(shí)新技術(shù)顯得尤為重要。

受教學(xué)時(shí)間的限制，教師無(wú)法講授復(fù)雜結(jié)構(gòu)形式的橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)方法、抗震設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等內(nèi)容，學(xué)生難以學(xué)到本課程的新知識(shí)新技術(shù)，無(wú)法拓寬橋梁工程的知識(shí)面，造成當(dāng)前本課程的教學(xué)效果不理想。為了改變這種現(xiàn)狀，探索一種可以在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)既能夠豐富橋梁工程課程的教學(xué)內(nèi)容，又可以提高教學(xué)效率的教學(xué)方法迫在眉睫。

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，專業(yè)的橋梁設(shè)計(jì)軟件在實(shí)際工程中運(yùn)用廣泛，其中有限元分析軟件是解決復(fù)雜橋梁工程實(shí)際設(shè)計(jì)、研究、優(yōu)化的有力工具，并且已成為橋梁結(jié)構(gòu)分析最有效的方法和手段。為了在橋梁工程教學(xué)過(guò)程中讓學(xué)生更好地掌握各種橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工的新知識(shí)新技術(shù)，提高教師的課堂教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，在橋梁工程教學(xué)過(guò)程中運(yùn)用專業(yè)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行輔助教學(xué)是有必要的。

1.2CSI Bridge輔助教學(xué)優(yōu)勢(shì)

CSI Bridge是美國(guó)Computer and Structures Inc.（CSI）公司開發(fā)研制一款功能強(qiáng)大的專業(yè)橋梁設(shè)計(jì)分析軟件，該軟件集成了橋梁結(jié)構(gòu)的建模、分析和設(shè)計(jì)。運(yùn)用CSI Bridge，橋梁設(shè)計(jì)所有的任務(wù)都能方便快捷地實(shí)現(xiàn)，使得該軟件成為當(dāng)今市場(chǎng)上使用廣泛和最具生產(chǎn)效率的軟件產(chǎn)品。CSI Bridge與其他大型有限元分析軟件單元化建模方式不同的是參數(shù)化定義橋梁模型，直接使用橋梁工程師熟悉的術(shù)語(yǔ)，如布局線、橋跨、梁截面、支座、橋臺(tái)、橋墩、橋鉸及預(yù)應(yīng)力等，用戶可以方便地定義復(fù)雜橋梁的幾何、邊界條件及荷載工況。軟件可以離散為3種分析模型：主梁模型、殼模型、實(shí)體模型，當(dāng)橋梁定義參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，能夠自動(dòng)更新相應(yīng)的分析模型［4］。而CSI Bridge在實(shí)際工程運(yùn)用過(guò)程中兼具功能強(qiáng)大和高效率的特點(diǎn)，非常適合在橋梁工程課堂教學(xué)中使用。

1.3CSI Bridge教學(xué)方法

CSI Bridge包含一個(gè)方便的建模向?qū)В瑓?shù)化的建模器可以創(chuàng)建復(fù)雜的橋梁模型，能夠高效地進(jìn)行修改，方便對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程保持完全控制，圖1概括了創(chuàng)建橋梁模型的主要步驟。運(yùn)用CSI Bridge可以進(jìn)橋梁行靜力分析、模態(tài)分析、反應(yīng)譜分析、Pushover分析、阻尼隔震分析、施工順序加載分析、移動(dòng)荷載分析、諧振穩(wěn)態(tài)分析、功率譜密度分析和次效應(yīng)分析等。CSI Bridge設(shè)計(jì)校核中嵌入的中國(guó)規(guī)范內(nèi)容有抗彎驗(yàn)算、抗剪驗(yàn)算、抗裂驗(yàn)算、主應(yīng)力驗(yàn)算、正應(yīng)力驗(yàn)算、開裂后主應(yīng)力驗(yàn)算、裂縫寬度驗(yàn)算及預(yù)應(yīng)力鋼束應(yīng)力檢查。在課堂上教師可以根據(jù)建模步驟清晰地演示橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，模型經(jīng)過(guò)計(jì)算在后期調(diào)整、設(shè)計(jì)過(guò)程中可以充分展示我國(guó)橋梁規(guī)范的實(shí)際運(yùn)用過(guò)程。

圖1　CSI Bridge基本操作過(guò)程流程圖

2　CSI Bridge教學(xué)演示

2.1項(xiàng)目簡(jiǎn)介

現(xiàn)以某跨徑為40m+70m+40m的三跨PC變截面單箱單室連續(xù)箱梁為例，對(duì)CSI Bridge在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中的應(yīng)用做簡(jiǎn)單介紹。主橋上部結(jié)構(gòu)為上、下行分離的（40+70+40）m三跨PC變截面連續(xù)箱梁。單個(gè)箱體頂板寬13.25m，厚0.28m，底板寬6.75m，厚度由0.3m從跨中至距主墩中心3.75m范圍按二次拋物線變化成0.8m，橫橋向底板保持水平；箱梁根部梁高3.8m，跨中梁高1.8m，箱梁梁高從距跨中1.0m至距主墩中心3.75m處按二次拋物線變化；腹板厚度1～5號(hào)塊為0.7m，7～9號(hào)塊為0.5m，在6號(hào)塊件范圍內(nèi)由0.7m按直線變化到0.5m；翼緣板懸臂長(zhǎng)為3.25m，端部厚0.18m，根部厚0.7m。除在主墩墩頂設(shè)置一道厚2.5m的橫隔板，邊跨端部設(shè)厚1.5m的橫梁外，其余部位均不設(shè)橫隔板。主橋下部結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土實(shí)體墩，低樁承臺(tái)，群樁基礎(chǔ)。主墩墩身寬3.5m，長(zhǎng)8.0m。圖2為利用CSI Bridge建立的三跨PC變截面單箱單室連續(xù)箱梁橋的模型。

圖2　三跨PC變截面單箱單室連續(xù)箱梁橋模型

2.2CSI Bridge分析功能

CSI Bridge分析結(jié)構(gòu)包括整體模型和局部構(gòu)建的分析數(shù)據(jù)，各種荷載工況下結(jié)構(gòu)內(nèi)力/應(yīng)力圖、結(jié)構(gòu)能量/虛功圖、結(jié)構(gòu)變形形狀、振型形狀等。計(jì)算完成后會(huì)顯示結(jié)構(gòu)在恒載作用下的變形見(jiàn)圖3。在Deformed Shape菜單里可以根據(jù)不同的工況或組合查看殼單元模型相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變形，圖4為一階振型圖。CSI Bridge還可以方便地輸出動(dòng)畫，可以直觀地觀察變形過(guò)程。

圖3　恒載作用下結(jié)構(gòu)變形圖

圖4　一階振型圖

在CSI Bridge顯示殼力/應(yīng)力菜單中，可以根據(jù)不同的工況或組合分別選擇顯示內(nèi)力、殼應(yīng)力、殼層應(yīng)力等分量類型，其中殼應(yīng)力分量的輸出類型包括可見(jiàn)面、頂面、底面、最大、最小和絕對(duì)最大共6種。圖5為二期恒載工況下S11應(yīng)力云圖，圖6為二階振型S12云圖。

圖5　二期恒載工況下S11云圖

圖6　二階振型S12云圖（局部）

CSI Bridge有橋梁內(nèi)力/應(yīng)力菜單，可以直觀地顯示出橋梁對(duì)象響應(yīng)。顯示范圍可以選擇整個(gè)橋截面、某根主梁、整個(gè)橋截面加各主梁。顯示分量包括橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的軸力、彎矩、剪力、扭矩及對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分量。圖7為恒載工況下整個(gè)橋截面加各主梁M3內(nèi)力圖，可以看出各主梁截面的內(nèi)力相加等于整個(gè)橋截面的內(nèi)力。此外，CSI Bridge還可以將繪圖參數(shù)非常方便地輸出到Excel表格，以方便進(jìn)一步分析。

圖7　恒載工況下整個(gè)橋截面加各主梁M3內(nèi)力圖

在橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析中影響線和影響面非常重要，在CSI Bridge中可以方便地查看各工況作用下的內(nèi)力的影響線或影響面見(jiàn)，圖8、9、10。

圖8　左橋墩中柱軸力影響線

圖9　跨中殼單元S12影響面（局部）

圖10　跨中殼單元M3-3影響面

該模型為課堂教學(xué)演示案例，將橋平面線型簡(jiǎn)化為直線，未設(shè)置橫坡，未考慮腹板厚度變化等因素。本文因篇幅有限本文沒(méi)有進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)分析等過(guò)程的演示。

3　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)該三跨PC變截面單箱單室連續(xù)箱梁橋在CSI Bridge進(jìn)行建模計(jì)算分析的案例可以看出，CSI Bridge擁有方便的建模功能和強(qiáng)大的分析功能，同時(shí)可以提供全面、靈活的數(shù)據(jù)顯示和輸出方式，用戶可以方便直觀地查看及打印分析、設(shè)計(jì)結(jié)果。

人才培養(yǎng)應(yīng)順應(yīng)人才市場(chǎng)的需求，土木工程專業(yè)是一個(gè)實(shí)踐與理論密切結(jié)合的專業(yè)，特別是對(duì)學(xué)生的實(shí)踐水平有很高的要求［5］。在橋梁工程課程的教學(xué)過(guò)程中，教師可以靈活地運(yùn)用CSI Bridge軟件在課堂上進(jìn)行教學(xué)演示橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟，可以分析橋梁結(jié)構(gòu)在各種工況下的響應(yīng)，可以快速地修改和優(yōu)化模型。相信教師在教學(xué)過(guò)程中合理地運(yùn)用CSI Bridge進(jìn)行輔助教學(xué)，使講授內(nèi)容與實(shí)際工程緊密結(jié)合而不再局限于課本，可以豐富課堂教學(xué)內(nèi)容。學(xué)生通過(guò)直接分析軟件輸出的圖形、動(dòng)畫等結(jié)果可以提高學(xué)習(xí)效率，參數(shù)化的建模方式使得相比其他有限元軟件更容易讓學(xué)生上手學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)理論知識(shí)的同時(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力。

［1］范立礎(chǔ).橋梁工程［M］.北京：人民交通出版社，1987.

［2］鐘小平，肖鵬.橋梁工程系列結(jié)構(gòu)類課程教學(xué)內(nèi)容一體化研究［J］.高等建筑教育，2008（1）：47-50.

［3］胡免溢，杜嘉.《橋梁工程》課程教學(xué)問(wèn)題及改革對(duì)策［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報(bào)（社科版），2002（2）：87-88，91.

［4］北京金土木軟件技術(shù)有限公司，中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.SAP2000中文版使用指南［M］.2版.北京：人民交通出版社，2012.

［5］劉勃，劉玉，鐘國(guó)輝，等.基于真實(shí)項(xiàng)目的實(shí)踐教學(xué)體系探索［J］.高等工程教育研究，2012（1）：116-120，126.

Research on the Application of Bridge CSI in the Teaching of Bridge Engineering Course

He JunjieBai Jun
（College of Agriculture and Animal Husbandry，University of Tibet，Linzhi Tibet 860000）

In order to improve the teaching efficiency of engineering course of civil engineering major bridge，enrich the content of classroom teaching and improve students'practical ability，on the basis of summarizing the present teaching situation of the bridge engineering course，the teaching method of applying the finite element analysis soft?ware Bridge CSI to the classroom teaching process was put forward.A typical model of bridge structure was estab?lished by using Bridge CSI，the design method of bridge structure was demonstrated，so that the teaching of the course was changed from theory to theory and practice，the practice teaching effect of bridge engineering course was improved，which provided theoretical and practical basis for the research and reform of the teaching system of bridge engineering course.

bridge engineering；Bridge CSI；teaching research

U44

A

1003-5168（2016）08-0038-04

2016-07-13

高效重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西藏土木水利電力工程技術(shù)研究中心。

西藏大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，教學(xué)改革與研究項(xiàng)目，橋梁工程課程教學(xué)改革研究。

何軍杰（1989-），男，助教，研究方向：結(jié)構(gòu)工程。