本站原创摘 要：针对传统的桥梁专业教学在课程设置方面偏重于各部分专业知识的传授,缺少专业知识间的联系与整合的弊端,同济大学桥梁工程系开设了《桥梁结构计算》课程.本文阐释了《桥梁结构计算》课程的必要性,介绍了《桥梁结构计算》的课程设置与教学特色,并从学生角度谈了对该课程的体会,表明了课程对于培养学生专业综合素质的积极作用.
关 键 词：桥梁；结构计算；教与学
中图分类号：G642.4文献标志码：A文章编号：1674-9324（2013）18-0065-03
同济大学土木工程本科专业自1998年开始实施宽口径人才培养模式.按个人兴趣和择优录取的原则,部分学生在第三学年进入桥梁工程课群组.这些学生在前两年的公共基础课和专业基础课学习阶段中,已经学习了《理论力学》、《材料力学》、《结构力学》、《混凝土结构基本原理》、《钢结构基本原理》、《荷载与结构设计原则》等基础课程.经过这些课程的训练,学生已经储备了各种桥型结构计算的一些基础知识.但学生在各门专业课程中学到的计算方面的知识和方法仍然是分散的,而针对一座桥梁的系统的、全面的结构计算直到毕业设计阶段才得到锻炼,导致在有限的毕业设计时间内不能取得良好的效果.为此,同济大学桥梁工程系配合“卓越工程师”培养计划进行了课程设置改革,将桥梁课群组培养计划中涉及到的桥梁结构计算方面的内容整合成一门独立的《桥梁结构计算》课程,成为基础知识与实践能力间的重要纽带.本文着重介绍《桥梁结构计算》课程的教学目的和课程设置,并就教学特色谈谈作者的体会.
一、课程设置
桥梁结构计算是指：通过桥梁设计资料的汇集提炼出计算条件后,运用结构分析理论和方法,计算得到结构的位移、内力、应力、约束反力等效应,再对计算结果进行判断、审核,在决定取舍后将结果转换成有用的设计数据,作为评估桥梁性能和进行结构优化的直接依据提供给设计者的全过程.《桥梁结构计算》必须解决的问题是在学生学习完直到《桥梁工程》等阶段的专业课程后,通过本课程的教学,使学生掌握桥梁工程设计及科研中常用的一些桥梁结构分析基础理论、方法,并初步具备使用桥梁结构计算程序进行结构分析的能力,为后续专业课程及毕业设计中遇到的结构计算奠定必要的基础.《桥梁结构计算》课程主要设置以下内容：
1.桥梁结构分析的准备工作.荷载横向分布计算是得到广泛应用的桥梁结构空间内力计算的一种实用近似方法,对简化计算步骤,提高计算效率具有十分重要的作用.而在采用有限元程序计算结构内力和变位,乃至计算桥梁横向分布以及对桥梁构件进行承载力和应力验算时,作为结构有限元分析求解中的重要数据,我们都会遇到断面几何特性的计算.课程相似度检测绍了梯形分块法、三角形分块法、矩形条法、分舱板法等常用的截面特性计算方法,以及杠杆法、刚性横梁法、铰接板法、铰接梁法、刚接梁法、比拟正交异性板法（G-M法）等常用的荷载横向分布方法,通过手算及电算掌握其原理和计算方法.
2.桥梁结构分析的基本理论和桥梁结构计算程序的编写原理.有限单元法作为一种数值分析方法在当今工程分析界中获得了最广泛的应用,其基本理论是在开发或使用以有限元为基础的桥梁结构分析程序之前所必须基本掌握的.课程中基于结构力学中位移法的基础知识,介绍杆系结构有限单元法分析原理和静力分析程序的编制原理,包括杆系结构的单元刚度矩阵、坐标转换矩阵、总体刚度矩阵及荷载列阵的集成、边界条件处理、方程求解得到节点位移、单元内力及支承反力计算等内容.图1给出了杆系结构静力分析程序的流程图.
3.桥梁结构中特殊问题的分析理论和方法,以及将一般杆系分析程序扩充为具有施工仿真分析功能程序的原理和技巧.实际桥梁工程中的一些结构特性往往超越了普通杆系结构有限单元法的适用范围,桥梁结构计算必须能够明确桥梁结构中特殊问题的分析方法,并能对一般的有限元程序进行改造,实现桥梁结构的特殊分析.桥梁在施工过程中后期结构的受力状态与前期结构的受力状态密切相关,因此进行施工分析程序是必要的.课程相似度检测绍带刚臂单元、等效节点荷载、节点同位移约束、单元端点自由度释放、支座强迫变位等一些特殊问题的分析理论与方法,介绍桥梁结构施工分析程序编制原理,另外将较为复杂的预应力效应分析、徐变效应分析、活载效应分析和索力调值
计算等内容作专题进行介绍.图2给出了桥梁施工分析程序流程图.
4.初步应用桥梁专用程序系统进行各桥型的结构分析.利用桥梁结构计算原理与程序进行实桥的结构分析是桥梁结构计算的直接目的.课程相似度检测绍梁桥的结构计算,主要涉及一次落架法与悬臂浇筑法两种典型结构施工方法,并重点关注结构挠度计算和预拱度设置、挂篮模拟、连续刚构桥群桩基础的简化模拟等内容；介绍拱桥结构计算,包括拱桥的结构体系、施工方法概述、拱桥的稳定分析、拱桥的动力分析、上承式混凝土拱桥计算、中承式梁拱组合体系桥计算、斜拉扣挂法施工中承式桁架钢拱桥计算等；介绍斜拉桥结构计算,包括斜拉桥的结构体系与施工方法概述、斜拉桥合理成桥状态及合理施工状态确定方法、斜拉桥几何非线性分析方法介绍.由于悬索桥结构计算涉及到较为复杂的几何非线性分析,超出本科生教学要求和接受能力,因此本课程暂未讲授相关内容.课程中还给出了各桥型桥梁分析的一般流程,其中具有代表性的梁式桥的结构分析流程如图3所示.
二、桥梁结构计算教学特色
同济大学桥梁工程系在国内土木工程专业较早开展了《桥梁结构计算》课程,作为桥梁工程教学改革的一部分,这门课尝试了一些新的教学方法,具有以下几个方面的特点：
1.强调手算能力向电算能力的过渡与衔接.不断推出的国内外结构分析通用程序和桥梁分析专用程序,为桥梁工作者提供了有效的分析工具,也成为土木工程专业桥梁工程课群组本科毕业生必须初步掌握的内容.桥梁课群组学生通过《结构力学》、《结构设计原理》等课程学习到了计算原理,并通过课程作业及配套的课程设计锻炼了手算能力.同济大学桥梁工程系不仅在实践教学环节开设了专门讲授常用桥梁结构计算程序使用方法的《工程软件应用》课程,更重要的是,作为手算和电算方法的过渡,开设《桥梁结构计算》课程作为基础课程和毕业设计综合应用锻炼之间的重要纽带,加强学生实践能力培养.2.强调课程内容的循序渐进、由简入繁.课程内容考虑到学生群体多为初涉桥梁工程的中高年级本科生的现状,从桥梁结构计算的基本原理入手,再有层次地引入相关程序功能的介绍,最后实现对实桥的结构计算.这样的教学思路不仅强化了学生的基本概念,同时也符合思维认知的一般过程,降低了学生掌握课程内容的难度.
3.强调桥梁结构计算实现方法的非唯一性.桥梁结构计算实现方法的非唯一性体现在两个层面：通过对不同桥梁结构计算软件的比较,可以发现各软件的程序编制原理存在着不同,这一点在预应力、徐变等模块上体现得尤为明显；使用人员对同一计算需求采用的不同计算方案,也会导致结果不同.学生在学习完课程后,能够了解桥梁结构计算的基本原理,对于特定的结构能够进行准确的模拟与合理的简化,选择适合该结构的计算软件与相应的实现方法.
4.强调计算分析人员对程序结果的把握.程序终究只是结构计算分析人员的工具,无法替代工程师在结构计算分析中的主导性.学生要理解输入数据的计算方法（比如预应力线形输入的导线法）,以及如果输入了不同数据可能造成什么后果；要具有定性判断程序计算是否合理的能力.课程特别关注了学生对程序输入模块中各输入对象的理解,例如在预应力线形的输入中,课程利用导线法示意图扼要地讲解了其原理,学生在理解了基本原理后,也就自然掌握了预应力线形的输入方法.
5.强调学生实践能力的培养.通过布置荷载横向分布电算与简支梁结构电算作业,锻炼学生的动手能力.课程本身较强的实践性成为较为偏重理论的《桥梁工程》课程的有益补充,同时配合学生之前先修的预应力混凝土简支梁课程设计（手算）以及之后需要修习的大跨度桥梁课程设计（电算）等实践课程,为学生架起了从手算到电算之间的桥梁,便于学生把握手算与电算的异同,切实提升学生的设计能力.
6.注重和先修主干课程的有机联系.在第5点中已经可以看出,作为一门整合学生已有知识,培养学生结构计算能力的重要课程,《桥梁结构计算》十分重视和其他课程的有机联系.这样的联系不仅体现在实践环节的课程上,也体现在《混凝土结构基本原理》、《钢结构基本原理》等专业主干课程上.例如在讲解受弯构件承载力计算部分的内容时,课程给出了脉络清晰的计算程序框图（图4）.
7.介绍了多种桥梁结构计算分析软件.对当今国内主流的桥梁结构计算程序桥梁博士、MidasCivil等都有简要的介绍.多种软件的介绍不仅使得学生在之后的课程设计及毕业设计中能够较快上手,胜任结构计算的工作,更能够极大地锻炼学生的思辨能力,从而增进对桥梁结构计算基本理论的理解与对相同结构在不同软件下电算结果的把握.
三、学生反应
本文的第二作者是曾选修过《桥梁结构计算》的学生,也切实地感受到《桥梁结构计算》对于提高学生能力的重要作用,给学生印象最深刻的是《桥梁结构计算》课程在桥梁工程课群组中的纽带作用.譬如在《桥梁工程》中对荷载横向分布也有介绍,但限于课程目标与课时限制,对常用的荷载横向分布方法只有原理性的介绍.而《桥梁结构计算》则通过刚性横梁法的手算联系加深了对横向分布理论的认知,同时让学生通过软件采用其他多种方法计算结构的荷载横向分布效应,节省了计算机时代前繁复而意义不大的手工计算,高效地促进了学生对各种荷载横向分布方法理论的认知.又如课程中的实桥结构计算部分,老师提供一个完整的与给定结构相关联的“桥梁博士”计算模型,学生在此基础上进行修改与扩充,并通过对结构分析基本理论的理解采用MidasCivil软件进行复核,解决了学生对于一个实桥结构难以直接上手的问题,有机地串联了课程的大部分内容,让学生在利用两种软件分别建模的过程中体会桥梁结构计算实现方法的非唯一性以及各软件在不同模块上表现的差异,对两个模型结果进行比较来相互验证,从而确保计算结果的准确性.
同济大学桥梁工程系在课程改革中开设《桥梁结构计算》这门课程,希望能够引导学生把握桥梁结构计算分析发展的时代步伐,在牢固掌握基本理论的同时注重加强程序应用实践的意识.我们有理由相信,作为未来桥梁设计中坚的他们,一定能够使我国早日实现从桥梁大国到桥梁强国的跨越.