關鍵詞：土木工程；結構設計競賽；MIDAS；結構優(yōu)化 

　　土木工程專業(yè)是實踐性很強的學科。改革開放以來，隨著我國大規(guī)�；�本建設的開展，對土木工程專業(yè)人才的需求迅速增長，開辦土木工程專業(yè)的高校已由最初的“建筑老八校”增加到迄今為止的362所學校，土木工程專業(yè)的師生人數(shù)在各個高校的工科專業(yè)中也達到了最多[1]。土木工程學科的規(guī)模建設滿足了我國對工程技術人才的需求，但在土木工程專業(yè)人才的培養(yǎng)過程中也暴露出諸多問題，如缺少創(chuàng)造性，動手實踐能力差，團隊協(xié)作意識欠缺。造成這些缺陷的原因是多方面的，但教育培養(yǎng)模式首先值得反思[2]。土木工程專業(yè)的學生是作為未來工程師來培養(yǎng)的，要使其能成為一名優(yōu)秀的工程師，社會責任和人文情懷的培養(yǎng)固然重要，但最重要的素質應該是創(chuàng)造精神、動手能力和團隊協(xié)作意識。為了培養(yǎng)這些素質，僅靠高校常規(guī)的教學環(huán)節(jié)是不夠的，組織開展大學生結構設計競賽是一個很好的補充培養(yǎng)平臺[3-4]。 

　　一、 湖南省大學生結構設計競賽 

　　湖南省大學生結構設計競賽是在原省建設廳主辦的土木建筑類大學生結構模型創(chuàng)作競賽基礎上發(fā)展而來的，現(xiàn)由湖南省教育廳、湖南省住房和城鄉(xiāng)建設廳聯(lián)合主辦，由湖南省建設人力資源協(xié)會和湖南省高校輪流承辦，是湖南省教育廳重點支持的學科競賽之一。從2012年到2015年，湖南省大學生結構設計競賽已成功舉辦了四屆，其宗旨是：通過專業(yè)知識的綜合運用，多方面培養(yǎng)大學生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新設計能力、動手實踐能力和綜合素質，加強高校間的交流與合作，并推薦每屆的第1名參加全國大學生結構設計競賽。從已舉辦的四屆來看，規(guī)模是越來越大，特別是通過網絡媒體的宣傳展示，其影響力在湖南省各個高校土木工程學子中更加深入人心。各屆競賽概況見表1。高規(guī)格、高層次的結構設計競賽為培養(yǎng)國家創(chuàng)新型人才起到了推動和促進作用。對于參賽者來說，結構競賽是一項高難度的創(chuàng)造性工作，無論獲獎與否，學子們都能從挑戰(zhàn)中領悟到結構設計和團隊協(xié)作的真諦，受益終生。 

　　二、 結構分析軟件 

　　結構設計競賽中有三個方面的工作非常關鍵：概念設計、優(yōu)化分析、模型制作。這三個方面相互聯(lián)系，各有側重。從概念設計出發(fā)，結構優(yōu)化分析宜采用簡化的手算為主，但由于競賽的殘酷性，決定比賽名次的結構重量或位移往往以克或毫米來計算，這就使參賽者不得不借助高層次的有限元結構分析軟件對結構模型進行優(yōu)化分析。目前我國國內常用的結構分析軟件有ANSYS、SAP2000、MIDAS等。從土木工程的發(fā)展趨勢來看，結構規(guī)模越龐大，所面臨的結構設計問題越復雜，計算機輔助分析在工程結構中的應用越成熟、普遍。土木工程的學生除了要掌握常用的設計軟件（如PKPM、盈建科），深入學習幾種有限元分析軟件，將對今后從事工程設計和研究工作大有裨益。 

　　上文提到的ANSYS、SAP2000、MIDAS這三種軟件都由前、后處理模塊以及分析計算模塊組成，核心部分均為分析計算模塊。ANSYS軟件由美國ANSYS公司研制，可求解結構、流體、電場、磁場、聲場、碰撞問題，功能強大，單元庫豐富，應用面非常廣泛，但并非專門針對結構專業(yè)，初學者不易掌握，用其來做結構競賽的優(yōu)化分析顯得大材小用[5]。SAP2000程序是由Edwards Wilson創(chuàng)始的SAP系列程序發(fā)展而來的，主要適用于模型比較復雜的土木工程結構，如橋梁、建筑、大壩、海洋平臺、發(fā)電站、輸電塔等，是被廣泛使用的結構分析軟件之一[6]。SAP2000圖形界面的各種功能菜單并不直接顯示，有些功能菜單隱藏較深，需要一定的使用經驗才能靈活應用，所以本科生上手也會慢一些。MIDAS Family Program由韓國開發(fā)，中文版由北京邁達斯技術有限公司開發(fā)，其軟件包中的MIDAS/CIVIL、MIDAS/Gen是主打軟件，界面比較人性化，相對容易上手[7]。其中MIDAS/CIVIL是土木工程結構專用分析與優(yōu)化設計系統(tǒng)，除其他荷載選項外還有移動荷載選型，特別適合于橋梁結構的分析。MIDAS/Gen是通用結構分析與優(yōu)化設計系統(tǒng)，適合于一般性的空間結構分析，簡單易學。MIDAS/CIVIL和MIDAS/Gen的單元類型基本相同，操作思路也基本相同。對比分析目前國內常用結構分析軟件的特點，MIDAS是指導大學生進行結構模型優(yōu)化分析的一個很好工具。 

　　三、 MIDAS建模分析基本流程及關鍵要點 

　　采用軟件進行比賽模型的結構分析，最大的優(yōu)勢就是分析效率高，建一個模型，可以通過改變截面尺寸參數(shù)或增減基本構件而得到同類型結構體系的一系列分析結果，特別適合比選優(yōu)化設計。但必須強調的是，千萬不能將全部希望寄托在軟件的結構分析上。大量競賽結果表明：只要有好的概念設計，結構選型巧妙，同時又重視模型的構造制作問題，即使只通過手算分析也可以取得好的成績。與此相反，若不注重概念設計，結構選型不合理，不重視模型的構造制作問題，即使采用軟件分析也難以取得理想成績。除此之外，還要注意的是，由于軟件提供的單元、構件截面和支座約束類型有限，要建立與實際結構及加載完全吻合的模型不切實際，此時結構簡化、構件截面及加載等效處理顯得尤為重要。下面以2015年第四屆湖南省大學生結構設計競賽作品為例，介紹MIDAS/Gen在結構優(yōu)化分析中的應用。 

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　　第四屆競賽要求按比賽規(guī)程制作一個三層竹質房屋結構模型。豎向加載，除底層外，二、三層樓面和屋面豎向荷載每層均為2個10 kg砝碼；水平加載，采用吊掛加載，加載點設定在屋面，通過鋼絲繩和滑輪連接，下掛鋼結構托盤，以施加150 kg水平側拉力。要注意的是這個水平側拉力不通過結構的扭心，所以結構模型最終要受到豎向砝碼、水平側拉力以及扭矩的作用，如何評估這三個荷載對結構所產生的作用效應是模型設計的關鍵。結構評分按計算書及設計圖10分，結構選型與制作質量10分，加載試驗80分計算，以總分高低排名次。賽題已在網上公布。 　　關于框架結構的復合受力設計，最重要的是做好概念設計和結構選型，其次才是數(shù)值計算，也就是說概念設計和結構選型是數(shù)值計算的前提。本次競賽最大的亮點在于考察學生對復合受力情況下結構豎向承載力、結構抗側移和抗扭轉能力的認識深度。為了獲得較好的競賽成績，在能施加豎向砝碼的前提下，追求最輕的結構、最大的結構抗側移和抗扭轉能力是正確的方向。為此本校競賽模型選用帶懸挑平臺的格構式結構，通過增設懸挑平臺來滿足比賽規(guī)程對水平投影的要求，以及用來堆積砝碼，采用下大上小、逐漸收攏的格構式結構來承受水平側拉力和扭矩。三維模型如圖1、圖2所示。 

　�。ǘ�） MIDAS建模分析基本流程及其關鍵要點 

　�。�1）網格建模。直接用MIDAS/Gen網格建模，也可采用AutoCAD畫好結構空間網線圖后，將其文件選存為DXF文件并導入MIDAS/Gen。

　　（2）定義材料和截面特性。竹材按勻質各向同性考慮，彈性模量取1×104 N/mm2，抗拉強度取60 N/mm2，容重取9.3×10-6 N/mm3。構件截面庫若無實際模型所需截面，根據等效原則對實際構件截面進行等效。 

　�。�3）建立構件單元。實際結構桿件之間主要采用膠結連接方式。為簡化計算，采用梁單元模擬所有構件，假定所有構件之間剛接。 

　�。�4）定義邊界條件。實際模型柱腳采用壓條將兩根基礎大梁的懸挑段嵌固約束，為此建模時將兩根基礎大梁的懸挑端面所有節(jié)點嵌固。 

　�。�5）荷載定義與輸入。二、三層砝碼堆放在懸挑平臺上，建模時將砝碼重量簡化為線荷載施加在懸挑平臺的兩根懸臂梁上。屋面砝碼重量簡化為集中荷載，均勻施加在四根角柱上。 

　�。�6）結構分析。結構分析可由MIDAS/Gen自動完成，操作相對較簡單。 

　�。�7）靜力分析成果。作為結構競賽常用到的靜力分析成果有反力、位移、內力、應力分析結果圖表以及輸出文本結果。限于篇幅，這里僅舉本校競賽模型中的支撐桿件應力分析圖來說明結構優(yōu)化分析的意義所在。各個框架面支撐桿件的軸向應力分析結果如圖3所示，綠色為壓桿，黃色為拉桿。通過圖3能清楚知道各個框架面支撐桿件的拉、壓受力情況，供模型制作參考。支撐桿件拉、壓桿受力規(guī)律，主要由扭矩控制，對于這一點學生在模型制作中很容易發(fā)現(xiàn)。問題在于要弄清楚承受側拉力與扭矩的左右兩個框架大面支撐桿件受力規(guī)律，對于學生來說難度較大，下面結合圖3（b）、（d）進行闡述。左視面支撐桿件拉、壓桿受力都很大，因為水平側拉力與扭矩在支撐中產生的拉、壓屬性是重合的。右視面支撐桿件拉、壓桿受力非常小，因為水平側拉力與扭矩在支撐中產生的拉、壓屬性完全相反，彼此相互抵消，對比扭矩引起的支撐桿件應力，水平側拉力引起的作用效應明顯更大。此時，軟件分析結果對模型左右兩個框架大面拉、壓桿屬性的確定和桿件截面優(yōu)化設計起到了非常關鍵的作用。 

　　在以上模型的有限元分析中，并未涉及任何絕對位移、應力或其他響應的具體數(shù)值，因為有限元模擬主要用來進行模型定性分析，要想進行定量的精確模擬是比較困難的，也不現(xiàn)實�？梢姡�有限元分析在結構大賽中的重要作用，但是最關鍵的環(huán)節(jié)還是后期的模型制作。 

　　四、 結語 

　　通過對比分析目前國內常用結構分析軟件的特點，MIDAS是指導大學生進行結構模型優(yōu)化分析的工具。以第四屆湖南省大學生結構設計競賽為背景，以我校參賽作品為例，總結了MIDAS建模分析基本流程及其關鍵要點，供模型比選、結構優(yōu)化設計參考。  

　　[1]祝明橋，謝獻忠，皇曉東，等.深化土木工程本科專業(yè)教學改革加強創(chuàng)新型人才培養(yǎng)[J].當代教育理論與實踐，2015（10）：56-59. 

　　[2]祝明橋，霍海強，趙文武，等.基于學校工程環(huán)境實現(xiàn)土木工程專業(yè)實踐教學信息化[J].當代教育理論與實踐，2009（4）：71-73. 

　　[3]舒小娟，黃柱，周旭光.紙拱橋結構模型優(yōu)化建模分析―大學生結構設計競賽談[J].力學與實踐，2012（4）：89-92.

　　[4]程濤.結構模型競賽與土木工程應用型人才的培養(yǎng)[J].實驗技術與管理，2010（5）：133-136. 

　　[5]王新敏.ANSYS工程結構數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007. 

　　[6]北京金土木軟件公司.SAP2000中文版使用指南[M].2版.北京：人民交通出版社，2012. 

　　[7]蔣玉川，等.MIDAS在結構計算中的應用[M].化學工業(yè)出版社，2012.