橋梁工程科研實驗案例在課程中的應(yīng)用探索

單德山，王 騎

（西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

引言

研究生教育是培養(yǎng)高層次創(chuàng)新人才的主要途徑，是應(yīng)對全球人才競爭的基礎(chǔ)布局，是實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略和建設(shè)創(chuàng)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(yǎng)什么人、怎樣培養(yǎng)人、為誰培養(yǎng)人是教育的根本問題［1］。2020年，習(xí)近平總書記對研究生教育工作作出重要指示，強調(diào)研究生教育在培養(yǎng)創(chuàng)新人才、提高創(chuàng)新能力、服務(wù)經(jīng)濟社會發(fā)展、推進(jìn)國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化方面具有重要作用［2］。

“橋梁結(jié)構(gòu)模型實驗”是橋梁工程專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)計劃中的重要一環(huán)，也是一門非常重要的實踐課程。以橋梁結(jié)構(gòu)模型為對象，采用現(xiàn)代化測試分析技術(shù)，對橋梁結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行綜合評價，通過實驗使學(xué)生對橋梁結(jié)構(gòu)有更深入、更系統(tǒng)的了解。在新工科教學(xué)改革的大背景下，教師在授課時應(yīng)注重結(jié)合工程實際案例，不僅可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，還可以通過對實際案例的分析培養(yǎng)學(xué)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(xué)以提升學(xué)生理論聯(lián)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(jié)構(gòu)模型實驗”的課程知識在實際科研項目中的應(yīng)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(fā)學(xué)生解決實際問題的興趣。在討論中，結(jié)合模型和原型結(jié)構(gòu)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?qū)?2.0 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(shè)置雙向2.5%橫坡。主梁標(biāo)準(zhǔn)節(jié)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(shè)計可分為以下幾個步驟：（1）確定原型結(jié)構(gòu)。（2）考察實驗場地，確定模型橋的幾何縮尺比例；根據(jù)實驗?zāi)康倪x擇實驗材料。（3）查閱資料，利用剛度相似原理設(shè)計出理想模型橋。（4）對理想模型橋的靜力特性進(jìn)行計算，確定是否與原橋滿足靜力相似關(guān)系。（5）結(jié)合實際條件，將模型橋進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和簡化，得到用于實驗的模型橋。（6）實際模型橋設(shè)計和實驗，驗證曲線斜拉橋理論計算的正確性。

在進(jìn)行模型斜拉橋結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，需要確定幾何相似常數(shù)及制作材料，并推導(dǎo)出模型橋與原型橋的相似關(guān)系，為后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供基本參數(shù)。在本課程中，教師將會把實驗中所掌握的相關(guān)知識與實際工程項目結(jié)合起來，引導(dǎo)學(xué)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(xué)生可以更加深入地理解課程內(nèi)容，并將這些知識應(yīng)用到實際工程項目中。

在教學(xué)中，為了讓學(xué)生更好地把理論知識應(yīng)用到實際工程問題中，引入實際項目案例是至關(guān)重要的［6-7］。通過對斜拉橋的概況做簡單描述，可以幫助學(xué)生了解工程項目的實際情況，增強他們的學(xué)習(xí)興趣。與此同時，教師應(yīng)該充分發(fā)揮學(xué)生的積極性，引導(dǎo)學(xué)生自主擬定模型設(shè)計方案，并總結(jié)擬訂方案的相關(guān)依據(jù)。這樣可以讓學(xué)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(dāng)學(xué)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(xué)方式。通過這種方式，學(xué)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(jù)相似理論設(shè)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(xué)生綜合考慮所有因素，充分運用“橋梁結(jié)構(gòu)模型實驗”課程知識，以找到特定工程項目條件下的最優(yōu)解。在這個過程中，學(xué)生將不斷學(xué)習(xí)新的東西，為將來處理工程實際問題奠定基礎(chǔ)［8］。

當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)在設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)模型時，存在諸如材料使用、結(jié)構(gòu)施工等實際工程問題時，可以通過進(jìn)一步的探究去解決這些問題。例如，當(dāng)學(xué)生針對斜拉橋模型進(jìn)行設(shè)計時，要充分考慮到模型材料的疲勞效應(yīng)，以及模型在強風(fēng)狀態(tài)下的最大扭矩和變形等問題。同時，學(xué)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(jié)構(gòu)等。在面對這些問題時，學(xué)生應(yīng)該認(rèn)真分析，并結(jié)合所學(xué)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(guān)注其在關(guān)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(tài)。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(shè)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(jié)構(gòu)常選用性質(zhì)穩(wěn)定的材料，如鋼材、玻璃鋼或者鋁合金；（2）根據(jù)該研究項目，原型橋主梁為混凝土“Π”型截面，這種截面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(zhì)量相當(dāng)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(qū)要承受很大的撞力，若采用混凝土進(jìn)行設(shè)計，極易發(fā)生開裂；（2）與上述主梁材料選取的原因相同，鋼的材質(zhì)均勻、強度高且穩(wěn)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(jù)以下幾點進(jìn)行考慮：（1）模型橋主梁的材料為鋼材，主梁不可能仍設(shè)計為兩邊為實心梁肋的“Π”型結(jié)構(gòu)，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(jìn)行截面尺寸的擬定時還應(yīng)考慮市場上可購買到的材料規(guī)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)會影響實際結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(shè)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(xué)過程中引入的典型曲線斜拉橋設(shè)計案例，可以讓學(xué)生對橋梁設(shè)計和性能問題有更深刻的認(rèn)識［9］，并且可以從案例出發(fā)開展一些相關(guān)的分析與探究活動，如結(jié)合實驗、數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果等，讓學(xué)生設(shè)計橋梁，分析其力學(xué)性能和材料特性，并嘗試優(yōu)化設(shè)計。

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

二、案例教學(xué)法的在“橋梁結(jié)構(gòu)模型實驗”教學(xué)中的應(yīng)用意義

科學(xué)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(zhì)特點，理解其內(nèi)在規(guī)律，并用理論對研究結(jié)果進(jìn)行分析和實踐應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上，“橋梁結(jié)構(gòu)模型實驗”這一課程通過實驗教學(xué)將理論知識轉(zhuǎn)化為實踐操作，從而培養(yǎng)學(xué)生理性思考與動手實踐的能力，使得學(xué)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(xué)研究打下了初步基礎(chǔ)。在橋梁工程行業(yè)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(yīng)用于實踐，再完善的理論也無法實現(xiàn)其本質(zhì)價值。而“橋梁結(jié)構(gòu)模型實驗”課程就能夠在大程度上協(xié)助學(xué)生加深對理論內(nèi)涵的理解，并在實踐中應(yīng)用所學(xué)知識，從而更好地掌握工程應(yīng)用的核心技能。同時，也使得學(xué)生更加熟悉工業(yè)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(yǎng)高素質(zhì)、高技能的工程技術(shù)人才。值得一提的是，科學(xué)研究和實際工作所涉及的包括各種學(xué)科、領(lǐng)域和實際問題等都是廣泛的，要處理這些問題，需要跨學(xué)科和綜合知識，而“橋梁結(jié)構(gòu)模型實驗”課程所強調(diào)的綜合素質(zhì)及能力訓(xùn)練能夠鍛煉學(xué)生做研究時的解決問題能力以及帶來創(chuàng)新思維的重要作用，這也為學(xué)生未來的學(xué)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)。

當(dāng)今時代，快速發(fā)展的科技和工程領(lǐng)域?qū)τ诠こ虒I(yè)的人才提出了更高的要求。實施科教興國戰(zhàn)略，結(jié)合“雙一流”建設(shè)的大背景，培養(yǎng)科技進(jìn)步、綜合實踐能力強、具備創(chuàng)新精神的橋梁專業(yè)人才尤為重要。作為橋梁工程專業(yè)的核心課程之一，“橋梁結(jié)構(gòu)模型實驗”課程對于學(xué)生的工程實踐能力和專業(yè)素養(yǎng)的提升有著重要的意義。通過調(diào)查“橋梁結(jié)構(gòu)模型實驗”課程教學(xué)現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)橋梁專業(yè)相關(guān)課程普遍具有實踐性和專業(yè)性強的特點，對于缺乏工程實踐經(jīng)驗的學(xué)生在理解和接受教學(xué)內(nèi)容上存在一定難度。針對學(xué)生在工程實踐經(jīng)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(xué)方法的創(chuàng)新來提升課程的實用性和針對性。例如，可以增加實驗的復(fù)雜程度，提高實驗的難度，并將實驗成果與實際工程項目聯(lián)系起來，以此來幫助學(xué)生更好地理解所學(xué)知識。同時，加強與其他課程的關(guān)聯(lián)和整合，形成知識點的系統(tǒng)化、連貫性和層次性，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)中更加深入和明晰。為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神，提高其綜合素質(zhì)，高?？梢酝ㄟ^與實際工程項目結(jié)合，讓學(xué)生參與到實際的工程項目中進(jìn)行實踐操作，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力和學(xué)科綜合素質(zhì)，以逐漸成為能夠獨立開展工程項目的研究人員和技術(shù)專家［11］?？傊?，“橋梁結(jié)構(gòu)模型實驗”課程是培養(yǎng)工程人才的重要一環(huán)，高校需要利用創(chuàng)新的教學(xué)方法和實用的教學(xué)內(nèi)容來拓展課程的深度和廣度，以此來進(jìn)一步推動橋梁工程領(lǐng)域的發(fā)展和進(jìn)步。

結(jié)語

目前，高校積極對接國家交通強國建設(shè)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(xué)中引用海外工程案例不僅能夠激發(fā)學(xué)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(yǎng)學(xué)生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報國的愛國主義情懷和使命擔(dān)當(dāng)，更能夠?qū)W(xué)術(shù)研究與實踐應(yīng)用緊密結(jié)合，培養(yǎng)具有國際視野和創(chuàng)新精神的高端工程人才，為推動我國橋梁建設(shè)、計劃和設(shè)計、技術(shù)應(yīng)用等方面的卓越發(fā)展做出貢獻(xiàn)［12］。同時，創(chuàng)新課堂教學(xué)模式，通過工程案例教學(xué)，可以讓學(xué)生更加直觀、生動地感受到橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計和建設(shè)過程的復(fù)雜性和卓越性。為全面貫徹深化研究生培養(yǎng)模式改革，面向國家經(jīng)濟社會發(fā)展主戰(zhàn)場、人民群眾需求和世界科技發(fā)展等最前沿，培養(yǎng)適應(yīng)多領(lǐng)域需要的人才，通過產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，著力增強研究生實踐能力、創(chuàng)新能力，為建設(shè)社會主義現(xiàn)代化強國提供更堅實的人才支撐。