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有限元分析软件MIDAS在桥梁工程课程设计教学中的应用
作者：羊日华 王新忠 黄国平
来源：《教育教学论坛》2016年第51期
摘要：桥梁工程课程设计是土木工程交通土建专业实践性教学计划中的一个重要环节，对掌握知识和培养能力具有非常积极的作用。针对现在的工程实际设计的方向与手段，结合桥梁工程课程设计的教学实践，将MIDAS系列大型有限元结构设计软件引入课程设计教学环节，与传统的手算方式相结合，强调了课程设计的合理性、实践性。其对于培养学生的综合素质和能力具有良好的效果，能够培养出更加适应市场需要的土木工程专业人才。 关键词：土木工程；桥梁工程；课程设计；MIDAS
中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）51-0193-02 “桥梁工程”课程设计既是土木工程交通土建专业教学的一门主要课程，也是一门实践性极强的工程学科，其目的是培养学生综合运用桥梁工程课程所学知识以及有关先修课程的基本知识进行桥梁结构设计的能力。以梁式桥课程设计为例，要求学生掌握梁式桥计算的全过程，其不仅加强了桥梁工程课程教学中的构造设计、计算方法的学习效果，而且也是对于结构设计原理、结构力学等专业基础课的一次实际应用，同时也毕业设计的基础。 一、现有桥梁工程课程设计教学中存在的主要问题
1.现有的课程设计方法与工程实践脱节。在现代桥梁结构设计中，大型的有限元分析软件逐步取代了手工计算和设计。常用的桥梁有限元软件有ANSYS、MSC、MIDAS等一系列软件，这些软件以其强大的数值、分析运算功能、生动形象的图像处理能力，代替了传统方式下用笔和纸进行的设计操作。现有的设计课程中用笔、纸完成桥梁工程课程设计的传统教学方式与时代脱节，大量应用电算技术成为一种时尚。有限元软件应用的辅助教学方式既为设计类课程教学带来了新的气象，同时也对教学工作产生了巨大冲击，其对于桥梁工程课程设计辅助教学的重要性越发突出。
2.对于设计成果是否符合要求缺乏判断。现有的课程设计仅仅采用手算模式，一旦设计成果不满足规范要求，学生往往仅改结果，对于过程并不加以修正，而MIDAS这一类设计软件均引入了我国现行的设计规范，对于设计成果是否符合规范要求是一个刚性的判断标准，一旦设计成果不符合要求，必须全过程修正方可通过计算。 二、MIDAS软件引入桥梁工程课程设计的优势与实践
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1.MIDAS软件引入桥梁工程课程设计的优势。为了解决桥梁工程课程设计中所暴露的问题，在课程设计中引入MIDAS作为设计工具，同时采用手算对承载能力进行复核，让学生通过做课程设计，了解实际工程结构设计的基本程序和掌握结构设计的方法，并且通过设计结构的优化，真正达到基本训练的目的，为毕业设计打下坚实的基础。
2.MIDAS软件在桥梁工程课程设计中的实践。MIDAS系列结构设计软件为通用的空间有限元分析软件，要用到结构力学、结构设计原理、桥梁工程等大量理论知识。特别是针对桥梁结构，MIDAS/Civil结合国内的规范与习惯，在建模、分析、后处理、设计等方面提供了很多的便利功能，目前已为各大公路、铁路部门的设计院所采用。根据桥梁工程课程设计的任务要求，教学内容选定MIDAS系列结构设计软件中最基本的杆系程序MIDAS/Civil。基本操作过程训练的教学目的是让学生了解MIDAS/Civil系列结构设计软件的基本组成与设计流程，熟悉各级菜单命令。其教学内容包括建模（前处理），即材料参数输入、结构离散化、边界条件与荷载布置等；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；结果（后处理），即导出设计成果、出图等操作。分析能力提高训练的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，其教学内容是指MIDAS/Civil在进行配筋计算与验算后，可以得到结构的内力、位移图形与表格，并且根据各种验算结果判断是否通过设计规范。由于软件的全部计算过程是隐蔽、看不到的，只有让学生通过查看结果图形和文本文件，学会分析判断各工况下的荷载传递情况、荷载图、弯矩包络图、剪力包络图等是否正确，结构钢筋布置是否合理，计算结果（水平侧移、裂缝、挠度等）是否符合规范、规程要求等。对可能存在的不合理的设计结果，通过对所建模型进行修改，结构概念、结构分析能力得到提高，对于结构力学、结构设计原理、桥梁工程以及规范的理解能力大幅度增强。教师随课程设计的进度，可选在课程设计前提前组织学生传授、现场演示上述软件的功能、应用及基本建模、分析及后处理过程，并且辅助已经建好桥梁模型使学生有更加深刻的体会。对于超静定结构，结构的受力与施工过程息息相关，这就要求学生不仅会正确使用软件，还要求学生采用结合所学的力学知识对所算桥梁结构的受力性能、施工过程进行检验，要求学生对于桥梁结构的定性分析应十分熟悉，必要时还应与简化的桥梁模型的手算结果相符合，以此验证软件计算结果的正确性，为将来的结构设计、施工均打下坚实的基础。
3.通过MIDAS的引入加强桥梁结构设计概念的教学。在我们的实践中，发现学生往往会按照流程建立桥梁的模型，并且进行分析计算，但是对于计算的结果往往无法进行正确的评价，甚至找不出程序报错的原因。其主要原因来源于学生的基本理论不清楚，对于桥梁结构的特点、规范的理解程度不够。毕竟有限元软件仅仅是一个工具，“人必须成为工具的主人，而不能被工具所代替”，因为每一次对于模型的修改和调试都建立在对于桥梁结构的宏观概念上，所以学生在对桥梁模型的不停修改与调试中，对于结构设计原理、桥梁工程、现行规范以及所学的各种力学等课程的理解不断加深，也更加有利于教学与实践相结合，帮助学生建立大结构的概念。
4.应用实例。桥梁工程课程设计主要内容为30m预应力混凝土T梁结构设计。该设计计算包括T梁截面尺寸的拟定、荷载作用下结构内力的计算与效应组合、预应力钢束的配置、截面验算等。MIDAS提供视图、结构、节点/单元、特性、边界、荷载、分析、结果、PSC、
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pushover、设计、查询、工具等十三项一级目录。每个一级目录下均提供若干二级目录，MIDAS通过提供三维视图使得设计更为直观。如桥梁工程教学中对于截面尺寸的拟定给出的是一个范围，如T梁指出高跨比为1/14—1/25，肋宽为0.18—0.20m，从受力与施工角度出发，在支点处往往采用较大的截面尺寸，跨中采用马蹄形较小的截面尺寸，对于这些构造缺乏直观的现实。MIDAS通过材料和截面、节点单元输入进行截面拟定，相对于教材二维图形，其可以产生三维构图，从而表现更加直观。学生更加容易理解也便于细部尺寸的修改。尺寸拟定完成以后，确定边界条件，再按照课程设计要求进行车道和人群荷载布设，程序进行荷载效应计算与组合，PSC设计，完成预应力钢束的初步估计。学生可以通过查看各种效应组合下的内力图形，与手算结果比较，判断模型建立是否正确。这不仅提高了学生对于结构力学等基础课程的理解，更为今后施工、设计中的定性判断提供了基础。根据程序提供的预应力钢束数量以及结构的弯矩图，学生可以直观地进行预应力钢束的布置，并对钢束的位置可以进行任意修改，直至结构通过程序验算。程序的验算是否可以通过施工阶段正截面法向应力验算、受拉区钢筋的拉应力验算、使用阶段正截面抗裂验算等。MIDAS程序设定一旦设计不能满足现有规范的要求，则验算报错，这就需要学生对模型进行修改，或者调整预应力钢束的数量、位置，或者调整截面的尺寸，这能进一步加强学生设计流程、预应力钢束的布设以及作用等教学重点的理解，使得理论教学与实践教学进一步融合。 三、结语
近几年，将MIDAS/Civil有限元分析软件引入混凝土结构课程设计的教学实践表明，通过提前布置课程设计题目，带领学生熟悉并且应用有限元软件，对于加强学生的设计理念，调动学生的设计积极性有着积极的作用，并且对于培养学生对各种错综复杂因素的综合分析能力以及对学生毕业设计、加大实践教育起到了很大的帮助作用。 参考文献：
[1]邵旭东.桥梁工程[M].第二版.北京：人民交通出版社，2007.
[2]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）：100-103. [3]王新忠，郭太平，文国华.桥梁工程专业课程设计改革探索[J].中国电力教育，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