CSI Bridge在橋梁工程課程教學中的應用研究

何軍杰　白軍

（西藏大學農牧學院，西藏林芝　860000）

CSI Bridge在橋梁工程課程教學中的應用研究

何軍杰白軍

（西藏大學農牧學院，西藏林芝860000）

為提高土木工程專業(yè)橋梁工程課程的教學效率，豐富課堂教學內容并提高學生的動手實踐能力，在總結橋梁工程課程教學現(xiàn)狀的基礎上，提出將有限元分析軟件CSI Bridge運用到課堂教學過程的教學方法。利用CSI Bridge建立典型的橋梁結構模型，演示橋梁結構的設計方法，使該課程的教學由理論型轉變?yōu)槔碚撆c實踐相結合型，提高了橋梁工程課程的實踐教學效果，為橋梁工程課程教學體系研究與改革提供了理論和實踐依據(jù)。

橋梁工程；CSI Bridge；教學研究

橋梁工程是土木工程專業(yè)的一門重要課程。課程的主要內容有：橋梁的規(guī)劃與設計基本原則、橋梁設計作用、橋面布置與構造、混凝土梁橋設計與構造、橋梁施工及復雜橋梁簡介等［1］。學生在學習橋梁工程前需要大量課程做鋪墊，包括材料力學、結構力學、鋼結構設計原理、混凝土結構設計原理等［2］。學生在學習橋梁工程的過程中需要參照相應的橋梁規(guī)范，掌握橋梁結構在施工和使用時的工作狀態(tài)，計算出結構作用和反應，最終設計出堅固耐用、經濟合理和造型美觀的橋梁結構。

1　橋梁工程引入CSI Bridge教學探索

1.1橋梁工程課程教學現(xiàn)狀

橋梁工程在土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)過程中所具有的顯著地位決定了其教學的重要性［3］。根據(jù)現(xiàn)有的教學經驗，教師在本課程教學過程中僅局限于對簡支梁橋構造的介紹和承載能力極限狀態(tài)計算，教師指導學生完成簡支梁橋設計計算也需要花大量的時間和精力。對于結構形式復雜的連續(xù)梁橋、索橋、拱橋、剛構橋的講授僅局限于概括性的介紹，學生基本無法實現(xiàn)直觀、高效的學習。而當今我國橋梁工程設計、施工技術發(fā)展日新月異，大量創(chuàng)新型技術得到應用，一項項紀錄被接連不斷的打破，學生學習掌握這些新知識新技術顯得尤為重要。

受教學時間的限制，教師無法講授復雜結構形式的橋梁的結構特點、設計方法、抗震設計、基礎設計等內容，學生難以學到本課程的新知識新技術，無法拓寬橋梁工程的知識面，造成當前本課程的教學效果不理想。為了改變這種現(xiàn)狀，探索一種可以在有限的學時內既能夠豐富橋梁工程課程的教學內容，又可以提高教學效率的教學方法迫在眉睫。

隨著科學技術的快速發(fā)展，專業(yè)的橋梁設計軟件在實際工程中運用廣泛，其中有限元分析軟件是解決復雜橋梁工程實際設計、研究、優(yōu)化的有力工具，并且已成為橋梁結構分析最有效的方法和手段。為了在橋梁工程教學過程中讓學生更好地掌握各種橋梁結構的設計和施工的新知識新技術，提高教師的課堂教學質量和學生的學習效率，在橋梁工程教學過程中運用專業(yè)的結構設計軟件進行輔助教學是有必要的。

1.2CSI Bridge輔助教學優(yōu)勢

CSI Bridge是美國Computer and Structures Inc.（CSI）公司開發(fā)研制一款功能強大的專業(yè)橋梁設計分析軟件，該軟件集成了橋梁結構的建模、分析和設計。運用CSI Bridge，橋梁設計所有的任務都能方便快捷地實現(xiàn)，使得該軟件成為當今市場上使用廣泛和最具生產效率的軟件產品。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語，如布局線、橋跨、梁截面、支座、橋臺、橋墩、橋鉸及預應力等，用戶可以方便地定義復雜橋梁的幾何、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、實體模型，當橋梁定義參數(shù)發(fā)生改變時，能夠自動更新相應的分析模型［4］。而CSI Bridge在實際工程運用過程中兼具功能強大和高效率的特點，非常適合在橋梁工程課堂教學中使用。

1.3CSI Bridge教學方法

CSI Bridge包含一個方便的建模向導，參數(shù)化的建模器可以創(chuàng)建復雜的橋梁模型，能夠高效地進行修改，方便對整個設計過程保持完全控制，圖1概括了創(chuàng)建橋梁模型的主要步驟。運用CSI Bridge可以進橋梁行靜力分析、模態(tài)分析、反應譜分析、Pushover分析、阻尼隔震分析、施工順序加載分析、移動荷載分析、諧振穩(wěn)態(tài)分析、功率譜密度分析和次效應分析等。CSI Bridge設計校核中嵌入的中國規(guī)范內容有抗彎驗算、抗剪驗算、抗裂驗算、主應力驗算、正應力驗算、開裂后主應力驗算、裂縫寬度驗算及預應力鋼束應力檢查。在課堂上教師可以根據(jù)建模步驟清晰地演示橋梁結構的設計方法，模型經過計算在后期調整、設計過程中可以充分展示我國橋梁規(guī)范的實際運用過程。

圖1　CSI Bridge基本操作過程流程圖

2　CSI Bridge教學演示

2.1項目簡介

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CSI Bridge在橋梁結構設計分析中的應用做簡單介紹。主橋上部結構為上、下行分離的（40+70+40）m三跨PC變截面連續(xù)箱梁。單個箱體頂板寬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號塊為0.7m，7～9號塊為0.5m，在6號塊件范圍內由0.7m按直線變化到0.5m；翼緣板懸臂長為3.25m，端部厚0.18m，根部厚0.7m。除在主墩墩頂設置一道厚2.5m的橫隔板，邊跨端部設厚1.5m的橫梁外，其余部位均不設橫隔板。主橋下部結構采用鋼筋混凝土實體墩，低樁承臺，群樁基礎。主墩墩身寬3.5m，長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分析結構包括整體模型和局部構建的分析數(shù)據(jù)，各種荷載工況下結構內力/應力圖、結構能量/虛功圖、結構變形形狀、振型形狀等。計算完成后會顯示結構在恒載作用下的變形見圖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的結構變形，圖4為一階振型圖。CSI Bridge還可以方便地輸出動畫，可以直觀地觀察變形過程。

圖3　恒載作用下結構變形圖

圖4　一階振型圖

在CSI Bridge顯示殼力/應力菜單中，可以根據(jù)不同的工況或組合分別選擇顯示內力、殼應力、殼層應力等分量類型，其中殼應力分量的輸出類型包括可見面、頂面、底面、最大、最小和絕對最大共6種。圖5為二期恒載工況下S11應力云圖，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有橋梁內力/應力菜單，可以直觀地顯示出橋梁對象響應。顯示范圍可以選擇整個橋截面、某根主梁、整個橋截面加各主梁。顯示分量包括橋梁結構設計所需要的軸力、彎矩、剪力、扭矩及對應的應力分量。圖7為恒載工況下整個橋截面加各主梁M3內力圖，可以看出各主梁截面的內力相加等于整個橋截面的內力。此外，CSI Bridge還可以將繪圖參數(shù)非常方便地輸出到Excel表格，以方便進一步分析。

圖7　恒載工況下整個橋截面加各主梁M3內力圖

在橋梁結構設計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力的影響線或影響面見，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

該模型為課堂教學演示案例，將橋平面線型簡化為直線，未設置橫坡，未考慮腹板厚度變化等因素。本文因篇幅有限本文沒有進行結構的抗震設計分析等過程的演示。

3　結語

通過該三跨PC變截面單箱單室連續(xù)箱梁橋在CSI Bridge進行建模計算分析的案例可以看出，CSI Bridge擁有方便的建模功能和強大的分析功能，同時可以提供全面、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、設計結果。

人才培養(yǎng)應順應人才市場的需求，土木工程專業(yè)是一個實踐與理論密切結合的專業(yè)，特別是對學生的實踐水平有很高的要求［5］。在橋梁工程課程的教學過程中，教師可以靈活地運用CSI Bridge軟件在課堂上進行教學演示橋梁結構設計步驟，可以分析橋梁結構在各種工況下的響應，可以快速地修改和優(yōu)化模型。相信教師在教學過程中合理地運用CSI Bridge進行輔助教學，使講授內容與實際工程緊密結合而不再局限于課本，可以豐富課堂教學內容。學生通過直接分析軟件輸出的圖形、動畫等結果可以提高學習效率，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生上手學習，在學習理論知識的同時提高學生的動手實踐能力。

［1］范立礎.橋梁工程［M］.北京：人民交通出版社，1987.

［2］鐘小平，肖鵬.橋梁工程系列結構類課程教學內容一體化研究［J］.高等建筑教育，2008（1）：47-50.

［3］胡免溢，杜嘉.《橋梁工程》課程教學問題及改革對策［J］.重慶交通學院學報（社科版），2002（2）：87-88，91.

［4］北京金土木軟件技術有限公司，中國建筑標準設計研究院.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，鐘國輝，等.基于真實項目的實踐教學體系探索［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

高效重點實驗室，西藏土木水利電力工程技術研究中心。

西藏大學農牧學院，教學改革與研究項目，橋梁工程課程教學改革研究。

何軍杰（1989-），男，助教，研究方向：結構工程。