橋梁工程科研實驗案例在課程中的應用探索

單德山，王 騎

（西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031）

引言

研究生教育是培養高層次創新人才的主要途徑，是應對全球人才競爭的基礎布局，是實施創新驅動發展戰略和建設創新型國家的重要基石。黨的二十大報告指出，教育是國之大計、黨之大計。培養什么人、怎樣培養人、為誰培養人是教育的根本問題［1］。2020年，習近平總書記對研究生教育工作作出重要指示，強調研究生教育在培養創新人才、提高創新能力、服務經濟社會發展、推進國家治理體系和治理能力現代化方面具有重要作用［2］。

“橋梁結構模型實驗”是橋梁工程專業學生培養計劃中的重要一環，也是一門非常重要的實踐課程。以橋梁結構模型為對象，采用現代化測試分析技術，對橋梁結構性能進行綜合評價，通過實驗使學生對橋梁結構有更深入、更系統的了解。在新工科教學改革的大背景下，教師在授課時應注重結合工程實際案例，不僅可以激發學生的學習熱情和興趣，還可以通過對實際案例的分析培養學生掌握知識、運用知識和對接工程實際的能力［3-5］。鑒于以上原因，本課程教學以提升學生理論聯系實際的能力為目的，以某曲線斜拉橋模型實驗為例來闡述“橋梁結構模型實驗”的課程知識在實際科研項目中的應用。

一、典型案例分析

選取西非的一座混凝土曲線斜拉橋——剛果布拉柴維爾濱河大橋作為案例，激發學生解決實際問題的興趣。在討論中，結合模型和原型結構的特點，重點討論了主梁的尺寸和材料。橋跨布置為49+81+285+81+49=545 m，橋寬22.0 m。曲線梁起點為中跨跨中，曲率半徑為550 m。主梁采用混凝土“Π”形雙邊主梁，主梁中心梁高2.3 m，頂面設置雙向2.5%橫坡。主梁標準節段長9 m，邊跨梁段長6 m，橫隔板縱向間距為6.0（9.0）m。索塔處橫隔板厚2.0 m，過渡墩、輔助墩處橫隔板厚2.5 m。曲線斜拉橋的模型設計可分為以下幾個步驟：（1）確定原型結構。（2）考察實驗場地，確定模型橋的幾何縮尺比例；根據實驗目的選擇實驗材料。（3）查閱資料，利用剛度相似原理設計出理想模型橋。（4）對理想模型橋的靜力特性進行計算，確定是否與原橋滿足靜力相似關系。（5）結合實際條件，將模型橋進行適當的調整和簡化，得到用于實驗的模型橋。（6）實際模型橋設計和實驗，驗證曲線斜拉橋理論計算的正確性。

在進行模型斜拉橋結構設計之前，需要確定幾何相似常數及制作材料，并推導出模型橋與原型橋的相似關系，為后續的結構設計提供基本參數。在本課程中，教師將會把實驗中所掌握的相關知識與實際工程項目結合起來，引導學生探討解決工程實際問題的方法和措施。通過討論實際案例，學生可以更加深入地理解課程內容，并將這些知識應用到實際工程項目中。

在教學中，為了讓學生更好地把理論知識應用到實際工程問題中，引入實際項目案例是至關重要的［6-7］。通過對斜拉橋的概況做簡單描述，可以幫助學生了解工程項目的實際情況，增強他們的學習興趣。與此同時，教師應該充分發揮學生的積極性，引導學生自主擬定模型設計方案，并總結擬訂方案的相關依據。這樣可以讓學生在實踐中鍛煉自己的能力，提高獨立思考和解決問題的能力。當學生完成擬訂方案后，展開激烈討論也是一個非常有效的教學方式。通過這種方式，學生可以相互交流想法，思考問題的各種可能性，并逐漸趨向于一個共識。依據相似理論設計的全橋縮尺模型在實踐中會遇到很多問題，有時這些問題并不獨立，可能會相互制約。因此，需要學生綜合考慮所有因素，充分運用“橋梁結構模型實驗”課程知識，以找到特定工程項目條件下的最優解。在這個過程中，學生將不斷學習新的東西，為將來處理工程實際問題奠定基礎［8］。

當學生發現在設計橋梁結構模型時，存在諸如材料使用、結構施工等實際工程問題時，可以通過進一步的探究去解決這些問題。例如，當學生針對斜拉橋模型進行設計時，要充分考慮到模型材料的疲勞效應，以及模型在強風狀態下的最大扭矩和變形等問題。同時，學生可能會遇到施工和組裝模型時的各種實際問題，例如模型的可組裝性、模型的安裝結構等。在面對這些問題時，學生應該認真分析，并結合所學的理論知識，提出合理的解決方案。

以本項目為例，本項目曲線斜拉橋的整體模型實驗主要關注其在關鍵施工階段的受力性能，因此可將曲線斜拉橋整體模型實驗過程視為處于靜力狀態。布拉柴維爾濱河大道橋全長545 m，最大塔高為122.2 m，綜合考慮實驗場地、制作工藝及加載設備等條件，確定模型橋與原型橋的幾何相似比為1∶20。

在確定實驗材料方面，主梁的材料選用鋼材，原因如下：（1）模型結構常選用性質穩定的材料，如鋼材、玻璃鋼或者鋁合金；（2）根據該研究項目，原型橋主梁為混凝土“Π”型截面，這種截面結構輕盈，頂板較薄，按照1∶20的比例縮尺，頂板厚約1 cm，若模型橋主梁采用與原型結構相同材料（即混凝止），制作加工將十分困難；（3）此項目研究的目的是利用模型橋來模擬其施工階段，選用的材料應易于拆卸安裝，需要主梁材料具有較高的強度，且梁上需加載質量相當大的配重。綜合上述原因，選用鋼材作為主梁的制作材料。橋塔材料仍選用鋼材，原因如下：（1）橋塔的拉索錨固區要承受很大的撞力，若采用混凝土進行設計，極易發生開裂；（2）與上述主梁材料選取的原因相同，鋼的材質均勻、強度高且穩定性好。

除上述實驗材料的確定，主梁的尺寸擬定同樣值得探討，主要根據以下幾點進行考慮：（1）模型橋主梁的材料為鋼材，主梁不可能仍設計為兩邊為實心梁肋的“Π”型結構，因此考慮將兩邊的實心梁肋改為邊箱梁。（2）模型的材料雖已選定，在進行截面尺寸的擬定時還應考慮市場上可購買到的材料規格，因此主梁的擬定需考慮市場上可選的鋼材厚度。（3）過于復雜的結構會影響實際結構制化的精度。原型橋主梁截面為非對稱形式，若模型橋仍采用非對稱結構，則將削弱制作的精度，帶來更多不確定因素，基于此考慮，主梁截面設計為對稱形式。同時，若考慮保留原型橋主梁的橫坡，制造起來將非常麻煩，而且保留主梁橫坡對于實驗并無多少益處，反而會增加模型的不確定性。因此，模型的主梁不考慮橫坡。

綜上所述，教學過程中引入的典型曲線斜拉橋設計案例，可以讓學生對橋梁設計和性能問題有更深刻的認識［9］，并且可以從案例出發開展一些相關的分析與探究活動，如結合實驗、數據和數值模擬結果等，讓學生設計橋梁，分析其力學性能和材料特性，并嘗試優化設計。

此外，除了選材及尺寸擬定還可以從整體模型實驗和結構模型實驗兩個方面出發進行探討。在考慮整體模型的制作過程中，可以讓學生嘗試應用所學課程中的結構設計知識和建模方法，以達到相應的受力和穩定性要求。在實驗過程中，可以讓學生觀察和記錄橋梁在不同受力狀態下的響應情況和實驗結果，從而對橋梁的結構特征和力學性能有更深入的認識。此外，可以將“橋梁結構模型實驗”作為一個課程模塊，并將其與整體模型實驗結合起來。學生可以通過對不同結構模型進行實驗，了解橋梁的力學性能和材料特性，并嘗試不同的實驗方法和假設，以研究橋梁在不同受力狀態下的響應情況和破壞模式。同時，也可以將學生從橋梁的受力和穩定性等方面，探討橋梁設計的原則和方法。

二、案例教學法的在“橋梁結構模型實驗”教學中的應用意義

科學研究中的建立模型和形式化過程的重要性不言而喻。這是因為通過建立模型能夠精確把握研究對象的本質特點，理解其內在規律，并用理論對研究結果進行分析和實踐應用。在此基礎上，“橋梁結構模型實驗”這一課程通過實驗教學將理論知識轉化為實踐操作，從而培養學生理性思考與動手實踐的能力，使得學生能夠在實踐中不斷地完善和提高自己［10］。這也為更深層面的科學研究打下了初步基礎。在橋梁工程行業中，實踐是檢驗理論正確性的重要一步。如果理論不能很好地應用于實踐，再完善的理論也無法實現其本質價值。而“橋梁結構模型實驗”課程就能夠在大程度上協助學生加深對理論內涵的理解，并在實踐中應用所學知識，從而更好地掌握工程應用的核心技能。同時，也使得學生更加熟悉工業研究的基本流程，逐漸掌握實際工作中所需的各種工程技能，培養高素質、高技能的工程技術人才。值得一提的是，科學研究和實際工作所涉及的包括各種學科、領域和實際問題等都是廣泛的，要處理這些問題，需要跨學科和綜合知識，而“橋梁結構模型實驗”課程所強調的綜合素質及能力訓練能夠鍛煉學生做研究時的解決問題能力以及帶來創新思維的重要作用，這也為學生未來的學習和工作打下良好的基礎。

當今時代，快速發展的科技和工程領域對于工程專業的人才提出了更高的要求。實施科教興國戰略，結合“雙一流”建設的大背景，培養科技進步、綜合實踐能力強、具備創新精神的橋梁專業人才尤為重要。作為橋梁工程專業的核心課程之一，“橋梁結構模型實驗”課程對于學生的工程實踐能力和專業素養的提升有著重要的意義。通過調查“橋梁結構模型實驗”課程教學現狀，發現橋梁專業相關課程普遍具有實踐性和專業性強的特點，對于缺乏工程實踐經驗的學生在理解和接受教學內容上存在一定難度。針對學生在工程實踐經驗上的缺乏及課程中知識點分散、凌亂等問題，我們可以通過教學方法的創新來提升課程的實用性和針對性。例如，可以增加實驗的復雜程度，提高實驗的難度，并將實驗成果與實際工程項目聯系起來，以此來幫助學生更好地理解所學知識。同時，加強與其他課程的關聯和整合，形成知識點的系統化、連貫性和層次性，使得學生在學習中更加深入和明晰。為了培養學生的創新精神，提高其綜合素質，高校可以通過與實際工程項目結合，讓學生參與到實際的工程項目中進行實踐操作，培養學生解決實際問題的能力和學科綜合素質，以逐漸成為能夠獨立開展工程項目的研究人員和技術專家［11］。總之，“橋梁結構模型實驗”課程是培養工程人才的重要一環，高校需要利用創新的教學方法和實用的教學內容來拓展課程的深度和廣度，以此來進一步推動橋梁工程領域的發展和進步。

結語

目前，高校積極對接國家交通強國建設和“一帶一路”倡議，中國橋梁正向世界展示著“中國建造”的非凡實力，將“中國智慧”輸出到世界。課程教學中引用海外工程案例不僅能夠激發學生的愛國情感和家國情懷，弘揚文化自信和愛國主義精神，培養學生精益求精的大國工匠精神，激發學生科技報國的愛國主義情懷和使命擔當，更能夠將學術研究與實踐應用緊密結合，培養具有國際視野和創新精神的高端工程人才，為推動我國橋梁建設、計劃和設計、技術應用等方面的卓越發展做出貢獻［12］。同時，創新課堂教學模式，通過工程案例教學，可以讓學生更加直觀、生動地感受到橋梁結構設計和建設過程的復雜性和卓越性。為全面貫徹深化研究生培養模式改革，面向國家經濟社會發展主戰場、人民群眾需求和世界科技發展等最前沿，培養適應多領域需要的人才，通過產學研用結合，著力增強研究生實踐能力、創新能力，為建設社會主義現代化強國提供更堅實的人才支撐。