演示教學(xué)法在鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中的應(yīng)用

王衛(wèi)華　彭興黔

摘要：在鋼結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)中，常常有不少學(xué)生會遇到某些抽象概念一時難以準(zhǔn)確理解的現(xiàn)象。通過ABAQUS有限元數(shù)值模擬演示，用具體實例將抽象概念直觀形象地表達(dá)出來，可有效解決學(xué)生對某些知識點容易混淆或難以理解的問題。文章通過鋼結(jié)構(gòu)的連接、受彎和軸壓構(gòu)件等不同教學(xué)內(nèi)容，舉例說明演示教學(xué)法在鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中的應(yīng)用，幫助學(xué)生更快地掌握鋼結(jié)構(gòu)的基本原理及其相關(guān)知識。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；演示教學(xué)；數(shù)值模擬；ABAQUS；教學(xué)研究

中圖分類號：G6424；TU391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：10052909（2014）06007004鋼結(jié)構(gòu)課程是土木工程專業(yè)最重要的專業(yè)必修課程之一，該課程具有較強(qiáng)的理論性和實踐性。倘若學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中沒有很好的空間想象能力，則很難把圖紙所表達(dá)的內(nèi)容與實際建筑鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品對應(yīng)起來，從而也不能把自己的設(shè)計理念用圖紙準(zhǔn)確清晰地表達(dá)出來[1]。隨著計算理論和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)課程的基本內(nèi)容和知識結(jié)構(gòu)也在發(fā)生不斷的改進(jìn)和完善；新型材料和冶煉、制備技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步促進(jìn)了鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)的長足發(fā)展。在當(dāng)今社會“時間就是效益”的理念下，如何加快建設(shè)施工速度、充分發(fā)揮鋼結(jié)構(gòu)的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢等問題顯得比以往更為緊迫突出，這也對土木工程專業(yè)的技術(shù)人員和科研人員提出了更高的要求。因此，在鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中，需要對傳統(tǒng)的“填鴨式”課堂教學(xué)模式進(jìn)行改革，教師應(yīng)更加注重培養(yǎng)學(xué)生綜合學(xué)習(xí)和解決問題的能力。

一、演示教學(xué)法

演示教學(xué)法的基本含義是指教師借助某種道具或多媒體，通過具體的事例或?qū)嵨飳σ恍┏橄蟾拍钸M(jìn)行說明，從而把一些抽象的知識、原理簡明化、形象化，幫助學(xué)生加深對知識、原理的認(rèn)識和理解[2]。演示教學(xué)法可以分為提出主題、說明目標(biāo)、開展演示和練習(xí)強(qiáng)化四個步驟，與教育學(xué)中的情景（感受）教學(xué)法有些相似。郭小農(nóng)等開展了鋼結(jié)構(gòu)基本原理試驗教學(xué)的探討，提出開展實驗演示教學(xué)的重要性和操作方法，他把鋼結(jié)構(gòu)實驗課程分為：認(rèn)識實驗、演示試驗和自主實驗三部分。認(rèn)識實驗為第一個層次，主要目的是了解鋼結(jié)構(gòu)實驗的流程和方法；演示實驗為第二層次，主要目的是通過試驗加深學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)基本概念和基本理論的認(rèn)識；自主實驗為第三層次，主要目的是幫助學(xué)生深入掌握鋼結(jié)構(gòu)的基本原理和理論，培養(yǎng)學(xué)生的自主研究的精神和科研素質(zhì)[3]。李素娟對比較教學(xué)法在鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)中應(yīng)用的研究，主要通過內(nèi)容特征的對比來強(qiáng)化課程的知識結(jié)構(gòu)[4]。

實驗演示教學(xué)法具有形象直觀、能真實展現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件各種力學(xué)反應(yīng)和破壞形態(tài)的優(yōu)點，也可提高學(xué)生的動手能力，但尚存在一些不容忽視的不利因素：試驗準(zhǔn)備周期長、操作復(fù)雜，且存在一定的危險因素，費用也較昂貴等。因此，需要尋找一種可有效替代實驗演示而且又直觀形象的演示方法。ABAQUS非線性有限元軟件具有較強(qiáng)的非線性運算能力，結(jié)合相應(yīng)的試驗測量數(shù)據(jù)和現(xiàn)象，對有限元模型進(jìn)行驗證，在數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，可詳盡展示鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力過程的應(yīng)力、應(yīng)變、撓度、局部屈曲、整體失穩(wěn)等模型特征或數(shù)值，且模擬構(gòu)件的受力過程也可輸出為動畫，來重現(xiàn)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件整個受力過程的應(yīng)力分布變化、應(yīng)變變化、位移或撓度、破壞模態(tài)等等。ABAQUS有限元數(shù)值模擬演示具有操作速度快、費用低、結(jié)果可重復(fù)展現(xiàn)等優(yōu)點。在結(jié)合實驗演示的基礎(chǔ)上，本文重點介紹ABAQUS數(shù)值模擬演示在鋼結(jié)構(gòu)基本原理課程中的應(yīng)用情況。與傳統(tǒng)的課堂教學(xué)相比，其具有形象、直觀的特點，可充分調(diào)動學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)課程學(xué)習(xí)的興趣和積極性。

二、數(shù)值模擬演示在鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中的應(yīng)用

（一）鋼結(jié)構(gòu)的連接

鋼結(jié)構(gòu)的連接主要包括焊接、栓接和鉚接三種形式。鉚接傳力可靠，塑性、韌性均較好，但由于其制作費工且勞動強(qiáng)度高[5]，只在一些特殊工程中應(yīng)用。這里主要介紹ABAQUS數(shù)值模擬在焊接和栓接教學(xué)中的演示效果。

焊縫按照其截面形狀可分為對接焊縫和角焊縫，兩者截面上的區(qū)別在教材中有較為詳細(xì)的論述，可以滿足大多數(shù)學(xué)生課堂學(xué)習(xí)和理解的需要。而不少學(xué)生在理解不同對接接頭焊件寬度或厚度相差4 mm以上的對接焊縫需要放坡時，會存在不同程度的理解困難，甚至有學(xué)生在課堂教學(xué)結(jié)束后，還要專門詢問坡口焊的位置、形狀等直觀概念。因此，可以基于ABAQUS有限元軟件建立不同寬度或厚度的三維實體模型，設(shè)置焊縫單元，通過不同厚度差的對接焊縫受力分析，向?qū)W生演示該類型焊縫的構(gòu)造起因（減少應(yīng)力集中）、焊接位置和形狀等幾何信息，使得學(xué)生對該部分內(nèi)容形成相對直觀的概念，加深印象。相似的問題還常出現(xiàn)在有單面或者雙面搭接板的角焊縫連接傳力分析和鋼結(jié)構(gòu)連接例題的受力分析中，由于部分學(xué)生對三維幾何形體缺乏清晰直觀的感受，導(dǎo)致在講解多數(shù)例題時不能準(zhǔn)確及時地理解結(jié)構(gòu)的傳力途徑，進(jìn)而導(dǎo)致其內(nèi)力計算的錯誤分析。

對于焊接殘余應(yīng)力，課程大綱要求主要掌握焊接殘余應(yīng)力的種類、產(chǎn)生的原因及其影響，其中焊接順序和施焊方向會對殘余應(yīng)力的大小和分布產(chǎn)生影響。而不少學(xué)生在學(xué)習(xí)和理解時，常常把相關(guān)因素混淆起來?？梢酝ㄟ^數(shù)值模擬的方法，建立兩塊連接板和焊縫單元，焊縫單元的彈性模量隨溫度升高而降低，對焊縫單元預(yù)先施加溫度，然后依據(jù)不同的焊接順序和焊接方向利用單元生死技術(shù)對焊接單元依次降溫，最終可以在連接構(gòu)件中顯示與教材所述殘余應(yīng)力分布圖形規(guī)律相似的殘余應(yīng)力分布圖。通過改變不同初設(shè)參數(shù)，可以讓學(xué)生對焊接殘余應(yīng)力的主要原因及分布形式有清晰而深刻的印象。同時還可變換焊件的邊界（固定或自由），以引導(dǎo)學(xué)生深入思考和理解殘余應(yīng)力對靜定或超靜定結(jié)構(gòu)的影響。

連接板的受剪螺栓群驗算包括連接板的凈截面強(qiáng)度驗算和被連接件的凈截面強(qiáng)度驗算，在同強(qiáng)度情況下，通常取二者之間厚度較小的凈截面來驗算強(qiáng)度，但是對于連接板和被連接件的最不利截面通常不在同一位置，因此，必須清楚理解該連接的內(nèi)力傳遞和破壞形式，方能對連接強(qiáng)度進(jìn)行正確的驗算。尤其是錯排螺栓排布時，凈截面破壞除了第一破裂面（直線）外還可能出現(xiàn)在第二破裂面（折線）處。在課堂教學(xué)中，可通過ABAQUS有限元軟件建立帶連接板的受剪螺栓連接模型，然后進(jìn)行受力分析，通過截面內(nèi)力的輸出，為學(xué)生詳細(xì)展示每一排螺栓截面處的內(nèi)力大??；此外，還可建立錯排螺栓排布時的連接板模型，通過改變螺栓孔直徑，使得最小凈截面分別位于直線排布的螺栓孔和折線排布的螺栓孔處，通過拉伸分析，為學(xué)生展示破壞截面發(fā)生于直線或折線時的情況，如圖1所示。

（二）工字鋼梁的整體失穩(wěn)、局部失穩(wěn)和強(qiáng)度破壞

鋼結(jié)構(gòu)的受彎構(gòu)件需進(jìn)行強(qiáng)度驗算、局部穩(wěn)定驗算和整體穩(wěn)定驗算等，其中強(qiáng)度驗算以最大應(yīng)力小于材料屈服應(yīng)力為準(zhǔn)則（考慮截面塑性發(fā)展），局部穩(wěn)定通過構(gòu)造措施（寬厚比）來保證，整體穩(wěn)定驗算通過整體穩(wěn)定系數(shù)來進(jìn)行驗算。在學(xué)習(xí)過程中，由于學(xué)生缺乏對整體失穩(wěn)形態(tài)的直觀概念，往往采用死記硬背的方式將整體穩(wěn)定系數(shù)公式生搬硬套，在作業(yè)或者考試中常常出現(xiàn)各種不應(yīng)該發(fā)生的錯誤。以工字鋼梁為例，在ABAQUS有限元模型中通過改變翼緣和腹板的寬厚比、側(cè)向約束等，使工字鋼梁分布產(chǎn)生強(qiáng)度破壞、局部失穩(wěn)或整體失穩(wěn)的破壞形態(tài)，并通過整個加載過程的慢速動畫演示，引導(dǎo)學(xué)生對各種破壞形態(tài)的產(chǎn)生條件進(jìn)行深入討論，并最終準(zhǔn)確理解掌握，如圖2所示。同時，還可對工字鋼梁的端部約束條件進(jìn)行變化，說明教材中的整體穩(wěn)定驗算所需要的邊界條件，是端部可以在梁平面內(nèi)轉(zhuǎn)動并有可靠的防側(cè)向傾覆措施，以加深學(xué)生對后續(xù)梁柱節(jié)點構(gòu)造處理的理解和掌握。

（三）軸心受壓構(gòu)件

細(xì)長的軸心受壓構(gòu)件的破壞形態(tài)一般是整體失穩(wěn)，理想軸心壓桿的屈曲形式有3種：彎曲屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲和彎扭屈曲。對于一般雙軸對稱的截面，其屈曲形式一般為彎曲屈曲；某些薄壁十字形截面在一定條件下可能產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)屈曲；單軸對稱截面繞對稱軸屈曲時會發(fā)生彎扭屈曲。由于該部分內(nèi)容截面分類較細(xì)，難以在課堂教學(xué)的短時間內(nèi)讓學(xué)生準(zhǔn)確掌握重點內(nèi)容，學(xué)生即使臨時記住了文字內(nèi)容，也可能由于缺乏直觀概念而很快遺忘相關(guān)知識?？煞謩e建立雙軸對稱截面、薄壁十字形截面和單軸對稱截面的有限元數(shù)值模型，設(shè)定不同邊界條件，使其分別發(fā)生彎曲屈曲、扭轉(zhuǎn)屈曲和彎扭屈曲，如圖3所示。通過相應(yīng)的變化動畫展示，可使學(xué)生直觀認(rèn)識到不同截面形式的理想軸心壓桿在不同邊界條件時會發(fā)生相應(yīng)的屈曲失穩(wěn)形式，幫助學(xué)生快速理解單軸對稱截面、雙軸對稱截面以及特殊截面等的軸心壓桿計算方法上的異同。

結(jié)合教材中的理論公式推導(dǎo)過程，可對上述理想軸心壓桿的邊界條件（固接、鉸接等）進(jìn)行變化，以展示不同邊界條件對壓桿計算長度的影響；還可進(jìn)一步在鋼材的材料模型中增加塑性階段，進(jìn)行彈塑性分析。在ABAQUS數(shù)值模型中加入實測初始缺陷，可考慮殘余應(yīng)力、初彎曲或初偏心對軸壓構(gòu)件的影響，與教材中在正弦半波假定下的理論推導(dǎo)公式進(jìn)行對比說明，可有效化解學(xué)生在學(xué)習(xí)力學(xué)公式推導(dǎo)過程中的枯燥感，加深其對各種初始缺陷因素對軸心壓桿影響規(guī)律的理解和掌握。

三、結(jié)語

在適量試驗演示的基礎(chǔ)上，通過ABAQUS有限元軟件可以建立相應(yīng)的數(shù)值模型，通過試驗測量數(shù)據(jù)和試驗現(xiàn)象的對比分析，可對數(shù)值模型的相關(guān)參數(shù)設(shè)置加以驗證，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)相應(yīng)教學(xué)內(nèi)容開展不同截面形式、邊界條件或改變加載方式的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的數(shù)值教學(xué)演示，通過荷載—位移曲線、應(yīng)力（應(yīng)變）分布云圖、破壞形態(tài)等各種指標(biāo)的對比分析，可充分展示各因素對鋼結(jié)構(gòu)力學(xué)性能指標(biāo)的影響程度，甚至在特定情況下，對具體指標(biāo)進(jìn)行量化分析。通過演示教學(xué)，把鋼結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)中的難點和容易混淆的知識進(jìn)行細(xì)化分解，讓學(xué)生對難以理解的概念或形態(tài)有直觀的認(rèn)識和理解，幫助其更好地掌握鋼結(jié)構(gòu)的基本理論知識。

實驗教學(xué)演示法具有真實、直觀的特點，通過典型的試驗現(xiàn)象和破壞過程可給學(xué)生演繹復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)概念和理論知識。但實驗教學(xué)演示具有準(zhǔn)備周期長、費用昂貴等無法避免的缺點，尤其是尺寸或數(shù)量巨大的試驗試件、復(fù)雜的邊界或加載條件等，都使得實驗演示教學(xué)法無法在眾多高校的鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中加以普及應(yīng)用。

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