《鋼結構》課程教學改革研究

段瑋瑋，高華喜，田美靈

（浙江海洋學院船舶與建筑工程學院，浙江舟山 316000）

《鋼結構》課程是土木工程專業(yè)的專業(yè)必修課程之一，與其它結構類課程一樣，是一門理論性與實踐性都較強的應用學科課程。本課程主要研究鋼結構的主要性能，包括材料、構件、連接和節(jié)點的性能和承載能力計算原理和方法[1]。由于課程內(nèi)容多，理論應用性強，涉及的規(guī)范條文多，而學生平時能接觸的鋼結構工程實例較少，學生普遍缺乏感性認識，學習起來感覺吃力。同時，根據(jù)本學院新的專業(yè)設置目錄要求，本課程總學時大幅下降，為32+4學時，其中32學時的理論教學，4學時的試驗教學。為能在有限的學時內(nèi)高質(zhì)量地完成本課程的教學任務，在整個教學過程中，可以采取以下對策和措施，進行相應教學改革。

1 教學方法改革，多媒體教學

32學時的理論教學，單純采用傳統(tǒng)的“黑板+粉筆”教學方式，難以完成相關教學任務。同時，鋼結構課程教學內(nèi)容中試驗過程多，結構圖形多，內(nèi)容抽象，口頭表達困難；書本上的插圖大多也是三視圖，對于空間想象能力差的學生，學習起來難度太大。針對以上種種，采用多媒體教學方法，制作PPT課件，授課時將各種復雜的公式、圖片等用投影展示出來一一講解；同時，對于難以理解的鋼節(jié)點構造圖、鋼構件破壞過程等，采用三維實體圖形或動畫展示出現(xiàn)，直觀，形象，信息量大，使學生在聽覺、視覺上受到直接的刺激，既增加了學生的感性認識，又加深了理性認識，也充分調(diào)動了學生的學習積極性，在減少板書的同時，提高了教學效率。

2 教學內(nèi)容改革，知識點取舍

《鋼結構》課程教學時間為大三下學期，在學習本課程之前，學生已進行了三大力學、土木工程材料與混凝土結構設計原理等其它專業(yè)課程的學習。在鋼結構課程的教學過程中，處理好本課程與這些先修課程及相關課程的關系，做好知識點的取舍工作，將有助于學生了解本課程的特點、熟練掌握本課程的重點內(nèi)容，也有助于減少本課程的講授工作，從而達到事半功倍的效果。

2.1 與其它課程相重復的內(nèi)容從簡講授

《鋼結構》課程中有些內(nèi)容在其它課程中已學過，對這些內(nèi)容可適當從簡講授，如：

（1）鋼結構的極限狀態(tài)和概率極限狀態(tài)法，這部分內(nèi)容屬于所有結構類課程所共有的，在《荷載與結構設計方法》課程中已學過，可以從簡講授。但講授過程中，要提醒學生注意鋼結構承載能力計算時的分項系數(shù)表達式為應力表達式，與混凝土結構等其它結構的荷載效應—結構抗力表達式不太相同。

（2）鋼結構的材料這章，是本課程的重要基礎內(nèi)容之一，其中大部分內(nèi)容在《土木工程材料》等課程中進行了相關學習，故這部分內(nèi)容可以從簡講授。本章應重點講授如何防止鋼結構發(fā)生脆性破壞，讓學生了解塑性材料在某些因素的影響下也會發(fā)生脆性破壞，使學生明確“塑性材料”和“塑性破壞”是兩種不同的概念。

2.2 與其它課程相關的內(nèi)容對照講授

《鋼結構》課程作為結構類課程之一，與《混凝土結構設計原理》等課程在某些知識點上有相關性，對照講解，既可以使學生學會對不同結構材料和結構形式作方案比選，又可以使學生對相關知識點加深印象、加強理解。如：

（1）鋼結構的特點部分，可以對比混凝土結構，介紹鋼材的強度高、鋼結構的質(zhì)量輕、材質(zhì)均勻、制造簡單，但是耐腐蝕性差和耐火性差等。在對比講解的同時，要強調(diào)由于鋼材的強度高，所以做成的構件截面小而壁薄，這樣將導致構件過分細長，出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。而鋼結構的設計計算中，穩(wěn)定問題非常重要，要嚴格控制。對比鋼筋混凝土結構，為避免構件出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象，一般采用限制長細比的方式來解決，如在軸心受壓構件中，限制截面最小邊長不宜小于250 mm，構件長細比一般為15左右，不宜大于30[2]。鋼結構，強度高，如果長細比限制過低，則很不經(jīng)濟，所以控制失穩(wěn)現(xiàn)象就是通過穩(wěn)定性驗算來解決的。

（2）受彎構件是結構的基本構件之一，其中簡支梁是我們的常用簡化模型。在簡支梁端部彎矩M和剪力V的共同作用區(qū)梁軸線附近，會產(chǎn)生與梁軸線大約成45°角且相互垂直的主拉應力和主壓應力。對于鋼筋混凝土梁來說，由于混凝土材料的各向異性特征，其抗壓強度較高，而抗拉強度較低，起控制作用的是主拉應力，在這樣的主拉應力作用下，將出現(xiàn)較大的斜裂縫；為防止構件發(fā)現(xiàn)斜截面破壞，一般需配置腹筋，包括箍筋或彎起鋼筋。但對于鋼梁，由于鋼材屬于各向同性體，其抗拉、抗壓強度相等，梁腹板在主拉應力的作用下，通常具有足夠的強度，而起控制作用的將是主壓應力，在梁腹板較薄的情況下可能導致局部壓屈；為防止梁腹板發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象，在腹板高厚比較大時，一般要在腹板上配置橫向加勁肋[3]。

2.3 重、難點內(nèi)容充分講解

在鋼結構課程的講授過程中，應重視以下重、難點，適當多安排學時，使學生能較好地掌握相關內(nèi)容。

（1）單個構件的承載能力——穩(wěn)定性

如前所述，由于鋼材的強度高、質(zhì)量輕，構件截面小而壁薄，與其它結構構件相比，穩(wěn)定計算問題就較為突出。在多年的教學體會中，總結出在此類問題上學生較難掌握和容易出錯：

①“穩(wěn)定”的概念較為模糊，尤其是“穩(wěn)定”與“強度”概念的區(qū)分。

雖說有關穩(wěn)定的相關知識，在《材料力學》課程中已進行了學習，但是大家對此知識點應用于實際的工程設計，概念還是十分模糊。而由于鋼筋混凝土構件主要考慮強度控制因素，通過《混凝土結構設計原理》課程的學習，學生對強度設計概念相對較熟。所以講解鋼構件的穩(wěn)定承載力時，從強度概念入手，對比分析。如：軸心受壓構件強度驗算公式為，而穩(wěn)定性驗算公式為從形式上來看，兩個公式極為相似，但是我們必須強調(diào)它們的本質(zhì)不同，即構件的強度驗算公式針對的是構件受力截面最大截面上的應力，屬于應力問題；而穩(wěn)定驗算公式盡管形式上驗算的也是某一截面上的應力，但它針對的是整個構件而言，不是針對構件的某個截面，這所有的區(qū)別即源于反應構件整體情況的穩(wěn)定系數(shù)φ[4]。

②構件失穩(wěn)的物理現(xiàn)象難以憑平面圖形想象。

書本上構件的失穩(wěn)現(xiàn)象都是通過文字和平面圖形加以說明的，由于缺乏實體的直觀觀察，學生難以理解。所以，在講解構件失穩(wěn)的物理現(xiàn)象時，必須借助動畫、試驗錄像等，使學生獲得直觀印象，加強對梁的整體穩(wěn)定性、壓彎構件的平面內(nèi)穩(wěn)定性和平面外穩(wěn)定性等概念的理解。

③構件整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定關系的理解。

為了提高構件的整體穩(wěn)定性，在設計組合截面鋼構件時，常采用截面開展而壁厚較薄的截面形式，而這樣設計，又會由于構件翼緣的寬厚比、腹板的高厚比過大而發(fā)生局部失穩(wěn)現(xiàn)象。所以，組合截面鋼構件的整體穩(wěn)定與局部穩(wěn)定是一對相互制約的矛盾條件，在講解組合截面的設計時，要加強兩種穩(wěn)定性的相關分析，以利于學生良好處理這一矛盾條件，設計出經(jīng)濟合理的構件截面。

（2）鋼結構的連接和節(jié)點構造

鋼結構良好的連接和節(jié)點處理是保證鋼結構良好受力的基礎。與其它結構類課程一樣，我們在講解這部分內(nèi)容時，不能只重視計算，而忽略構造要求。在講解之前，可以先通過工程實例，引導學生了解連接構造處理不當?shù)臉嫾?、?jié)點往往是造成工程事故的隱患。講解過程中，再反復強調(diào)連接、節(jié)點構造的重要性。如：強調(diào)焊縫設計時，盡量避免出現(xiàn)需仰焊施工的焊縫形式；強調(diào)鋼材種類與焊接方式、焊條型號的匹配；強調(diào)在鋼板寬度和厚度有變化的連接中，要采用斜坡的形式平緩過渡，以減少應力集中；強調(diào)連接設計時避免鋼板垂直于板厚方向受力，以防層間撕裂等[1]。

3 教學形式改革，走出教室之外

鋼結構的發(fā)展日新月異，單靠課堂教學，難以跟進時代的發(fā)展。所以，要鼓勵學生利用教室之外的學習，積累豐富資源。

（1）充分利用4學時的試驗教學過程，加強學生對書本知識的理解。

結構類課程，理論性、實踐性都強，在課堂理論教學之余，安排4課時的試驗教學，既可以加強學生的動手能力，又可以使學生對書本上的相關原理有更為直觀的了解。試驗過程中，環(huán)境條件的改變，會造成相應的試驗誤差，學生通過對試驗結果的分析總結，可以學會知識的靈活運用。

（2）走出校園，走進工地現(xiàn)場。

再多的理論分析，最終也必須經(jīng)歷施工現(xiàn)場的實踐，才能變?yōu)楝F(xiàn)實的實體結構。所以，教室之外，通過工地現(xiàn)場參觀、實習、技能訓練等，既可以使學生加深對書本理論知識的理解，又可以使學生加強實際操作能力的鍛煉。如：《鋼結構》課程設計為一榀鋼屋架的設計，沒有走進現(xiàn)場，部分學生就無法理解所要設計的這榀鋼屋架，跟整體屋蓋體系是怎樣一個關系；而到現(xiàn)場，直觀的學習，什么是桁架，什么是屋蓋體系，什么是柱子，什么是梁，什么是加勁肋，等等，一目了然。

（3）重視網(wǎng)絡資源，加強綜合應用。

21世紀網(wǎng)絡資源發(fā)達，國家級、省級、校級精品課程繁多，資源豐富，在課堂教學之外，介紹西安建筑科技大學、同濟大學、華南理工大學等學校的鋼結構精品課程網(wǎng)站，介紹中華鋼結構論壇等專業(yè)論壇給學生，讓學生在教室之外，加強自主學習，去尋找書本上沒有的、自己感興趣的知識，以拓展自己的知識面。

（4）手算之外，加強電算知識的了解。

鋼結構的課堂教學，一般圍繞著鋼結構基本原理，進行鋼構件的手算設計法講解。課堂之外，向學生介紹一些結構設計軟件，如3D3S、PKPM、Sap2000、Midas、Ansys等，讓學生加強軟件方面的了解，以便更早地適應就業(yè)需求。

4 結語

鋼材易于回收，屬于節(jié)能環(huán)保型材料，符合現(xiàn)在的“低碳建筑”要求。而隨著我國鋼產(chǎn)量的快速增長，我國鋼結構的應用趨勢，已經(jīng)從最初的“節(jié)約鋼材”階段，發(fā)展到后來的“合理使用鋼材”階段，然后進入現(xiàn)在的“大力發(fā)展鋼結構”階段。鋼結構的快速發(fā)展，急需一批具有鋼結構設計和施工能力的技術人員。作為一名土木工程專業(yè)《鋼結構》課程的主講教師，如何提高鋼結構課程教學效果和教學質(zhì)量，使學生掌握必要的知識，得到全面的鍛煉，畢業(yè)后能較快勝任鋼結構設計或施工工作，是我必須思索的。在教學改革的道路上，筆者才剛剛起步，在今后的教學過程中，還需進一步探索，以將更多的新知識、新方法傳授給學生，使學生獲益。

[1]陳紹蕃,顧 強.鋼結構：上冊——鋼結構基礎[M].第2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[2]沈蒲生.混凝土結構設計原理[M].第3版.北京:高等教育出版社,2007.

[3]方 恬.鋼結構教學法淺論[J].蘇州城市建設環(huán)境保護學院學報,2002,4（2）：72-75.

[4]夏志斌,姚 謙.鋼結構:原理與設計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.