有限元分析軟件MIDAS在橋梁工程課程設計教學中的應用

羊日華+王新忠+黃國平

摘要：橋梁工程課程設計是土木工程交通土建專業實踐性教學計劃中的一個重要環節，對掌握知識和培養能力具有非常積極的作用。針對現在的工程實際設計的方向與手段，結合橋梁工程課程設計的教學實踐，將MIDAS系列大型有限元結構設計軟件引入課程設計教學環節，與傳統的手算方式相結合，強調了課程設計的合理性、實踐性。其對于培養學生的綜合素質和能力具有良好的效果，能夠培養出更加適應市場需要的土木工程專業人才。

關鍵詞：土木工程；橋梁工程；課程設計；MIDAS

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）51-0193-02

“橋梁工程”課程設計既是土木工程交通土建專業教學的一門主要課程，也是一門實踐性極強的工程學科，其目的是培養學生綜合運用橋梁工程課程所學知識以及有關先修課程的基本知識進行橋梁結構設計的能力。以梁式橋課程設計為例，要求學生掌握梁式橋計算的全過程，其不僅加強了橋梁工程課程教學中的構造設計、計算方法的學習效果，而且也是對于結構設計原理、結構力學等專業基礎課的一次實際應用，同時也畢業設計的基礎。

一、現有橋梁工程課程設計教學中存在的主要問題

1.現有的課程設計方法與工程實踐脫節。在現代橋梁結構設計中，大型的有限元分析軟件逐步取代了手工計算和設計。常用的橋梁有限元軟件有ANSYS、MSC、MIDAS等一系列軟件，這些軟件以其強大的數值、分析運算功能、生動形象的圖像處理能力，代替了傳統方式下用筆和紙進行的設計操作。現有的設計課程中用筆、紙完成橋梁工程課程設計的傳統教學方式與時代脫節，大量應用電算技術成為一種時尚。有限元軟件應用的輔助教學方式既為設計類課程教學帶來了新的氣象，同時也對教學工作產生了巨大沖擊，其對于橋梁工程課程設計輔助教學的重要性越發突出。

2.對于設計成果是否符合要求缺乏判斷。現有的課程設計僅僅采用手算模式，一旦設計成果不滿足規范要求，學生往往僅改結果，對于過程并不加以修正，而MIDAS這一類設計軟件均引入了我國現行的設計規范，對于設計成果是否符合規范要求是一個剛性的判斷標準，一旦設計成果不符合要求，必須全過程修正方可通過計算。

二、MIDAS軟件引入橋梁工程課程設計的優勢與實踐

1.MIDAS軟件引入橋梁工程課程設計的優勢。為了解決橋梁工程課程設計中所暴露的問題，在課程設計中引入MIDAS作為設計工具，同時采用手算對承載能力進行復核，讓學生通過做課程設計，了解實際工程結構設計的基本程序和掌握結構設計的方法，并且通過設計結構的優化，真正達到基本訓練的目的，為畢業設計打下堅實的基礎。

2.MIDAS軟件在橋梁工程課程設計中的實踐。MIDAS系列結構設計軟件為通用的空間有限元分析軟件，要用到結構力學、結構設計原理、橋梁工程等大量理論知識。特別是針對橋梁結構，MIDAS/Civil結合國內的規范與習慣，在建模、分析、后處理、設計等方面提供了很多的便利功能，目前已為各大公路、鐵路部門的設計院所采用。根據橋梁工程課程設計的任務要求，教學內容選定MIDAS系列結構設計軟件中最基本的桿系程序MIDAS/Civil。基本操作過程訓練的教學目的是讓學生了解MIDAS/Civil系列結構設計軟件的基本組成與設計流程，熟悉各級菜單命令。其教學內容包括建模（前處理），即材料參數輸入、結構離散化、邊界條件與荷載布置等；對結構進行分析計算，即按照現行的規范，對各種荷載進行組合并進行分析；結果（后處理），即導出設計成果、出圖等操作。分析能力提高訓練的教學目的是使學生的實踐能力由基本操作技能向實際應用能力提高，其教學內容是指MIDAS/Civil在進行配筋計算與驗算后，可以得到結構的內力、位移圖形與表格，并且根據各種驗算結果判斷是否通過設計規范。由于軟件的全部計算過程是隱蔽、看不到的，只有讓學生通過查看結果圖形和文本文件，學會分析判斷各工況下的荷載傳遞情況、荷載圖、彎矩包絡圖、剪力包絡圖等是否正確，結構鋼筋布置是否合理，計算結果（水平側移、裂縫、撓度等）是否符合規范、規程要求等。對可能存在的不合理的設計結果，通過對所建模型進行修改，結構概念、結構分析能力得到提高，對于結構力學、結構設計原理、橋梁工程以及規范的理解能力大幅度增強。教師隨課程設計的進度，可選在課程設計前提前組織學生傳授、現場演示上述軟件的功能、應用及基本建模、分析及后處理過程，并且輔助已經建好橋梁模型使學生有更加深刻的體會。對于超靜定結構，結構的受力與施工過程息息相關，這就要求學生不僅會正確使用軟件，還要求學生采用結合所學的力學知識對所算橋梁結構的受力性能、施工過程進行檢驗，要求學生對于橋梁結構的定性分析應十分熟悉，必要時還應與簡化的橋梁模型的手算結果相符合，以此驗證軟件計算結果的正確性，為將來的結構設計、施工均打下堅實的基礎。

3.通過MIDAS的引入加強橋梁結構設計概念的教學。在我們的實踐中，發現學生往往會按照流程建立橋梁的模型，并且進行分析計算，但是對于計算的結果往往無法進行正確的評價，甚至找不出程序報錯的原因。其主要原因來源于學生的基本理論不清楚，對于橋梁結構的特點、規范的理解程度不夠。畢竟有限元軟件僅僅是一個工具，“人必須成為工具的主人，而不能被工具所代替”，因為每一次對于模型的修改和調試都建立在對于橋梁結構的宏觀概念上，所以學生在對橋梁模型的不停修改與調試中，對于結構設計原理、橋梁工程、現行規范以及所學的各種力學等課程的理解不斷加深，也更加有利于教學與實踐相結合，幫助學生建立大結構的概念。

4.應用實例。橋梁工程課程設計主要內容為30m預應力混凝土T梁結構設計。該設計計算包括T梁截面尺寸的擬定、荷載作用下結構內力的計算與效應組合、預應力鋼束的配置、截面驗算等。MIDAS提供視圖、結構、節點/單元、特性、邊界、荷載、分析、結果、PSC、pushover、設計、查詢、工具等十三項一級目錄。每個一級目錄下均提供若干二級目錄，MIDAS通過提供三維視圖使得設計更為直觀。如橋梁工程教學中對于截面尺寸的擬定給出的是一個范圍，如T梁指出高跨比為1/14—1/25，肋寬為0.18—0.20m，從受力與施工角度出發，在支點處往往采用較大的截面尺寸，跨中采用馬蹄形較小的截面尺寸，對于這些構造缺乏直觀的現實。MIDAS通過材料和截面、節點單元輸入進行截面擬定，相對于教材二維圖形，其可以產生三維構圖，從而表現更加直觀。學生更加容易理解也便于細部尺寸的修改。尺寸擬定完成以后，確定邊界條件，再按照課程設計要求進行車道和人群荷載布設，程序進行荷載效應計算與組合，PSC設計，完成預應力鋼束的初步估計。學生可以通過查看各種效應組合下的內力圖形，與手算結果比較，判斷模型建立是否正確。這不僅提高了學生對于結構力學等基礎課程的理解，更為今后施工、設計中的定性判斷提供了基礎。根據程序提供的預應力鋼束數量以及結構的彎矩圖，學生可以直觀地進行預應力鋼束的布置，并對鋼束的位置可以進行任意修改，直至結構通過程序驗算。程序的驗算是否可以通過施工階段正截面法向應力驗算、受拉區鋼筋的拉應力驗算、使用階段正截面抗裂驗算等。MIDAS程序設定一旦設計不能滿足現有規范的要求，則驗算報錯，這就需要學生對模型進行修改，或者調整預應力鋼束的數量、位置，或者調整截面的尺寸，這能進一步加強學生設計流程、預應力鋼束的布設以及作用等教學重點的理解，使得理論教學與實踐教學進一步融合。

三、結語

近幾年，將MIDAS/Civil有限元分析軟件引入混凝土結構課程設計的教學實踐表明，通過提前布置課程設計題目，帶領學生熟悉并且應用有限元軟件，對于加強學生的設計理念，調動學生的設計積極性有著積極的作用，并且對于培養學生對各種錯綜復雜因素的綜合分析能力以及對學生畢業設計、加大實踐教育起到了很大的幫助作用。

參考文獻：

[1]邵旭東.橋梁工程[M].第二版.北京：人民交通出版社，2007.

[2]易壯鵬.“橋梁工程”課程設計教學方法研究[J].中國電力教育，2011，（14）：100-103.

[3]王新忠，郭太平，文國華.橋梁工程專業課程設計改革探索[J].中國電力教育，2009，（8）：112-114.

Application of Software MIDAS in Teaching of Bridge Engineering Course Design

YANG Ri-hua，WANG Xin-zhong，HUANG Guo-ping

（School of Civil Engineering，Hunan City University，Yiyang，Hunan 413000，China）

Abstract：Bridge engineering course design is an important part in the practical teaching design planning of the major of civil engineering transportation and civil engineering，and would make a very positive effect for knowledge mastering and capacity training. Together with the teaching practice of bridge engineering course design，the soft of MIDAS was introduced to the course design teaching，with combining of traditional hand computation. This method reflected the rationality and practicality of curriculum design，and have had a good effect to the development of students' comprehensive quality and ability. This should be great benefit to the task of cultivating those more marketing oriented professional students in the civil engineering field.

Key words：civil engineering；bridge engineering；course design；MIDAS