大跨徑橋梁教學(xué)中的“求真務(wù)實(shí)”

胡曉倫 王慧萍

摘要：大跨度橋梁教學(xué)中，結(jié)構(gòu)體系和總體布置、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、計(jì)算理論、施工方法和工程實(shí)例五部分內(nèi)容彼此聯(lián)系，以力學(xué)原理為核心。“求真務(wù)實(shí)”的教學(xué)方法抓住了其主體內(nèi)容，將結(jié)構(gòu)力學(xué)植入橋梁工程教學(xué)過(guò)程中，理論聯(lián)系實(shí)際，更易于理解橋梁工程。

關(guān)鍵詞：大跨度橋梁；梁橋；教學(xué)案例；求真務(wù)實(shí)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）10-0141-02

一、概述

《橋梁工程》是道路、橋梁與渡河工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課。對(duì)于這門實(shí)踐性較強(qiáng)的工程類專業(yè)課，要求學(xué)生熟悉或掌握橋梁結(jié)構(gòu)體系和總體布置、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、計(jì)算理論、施工方法和工程實(shí)例五個(gè)方面的知識(shí)。如圖1所示，結(jié)構(gòu)體系和總體布置是內(nèi)核，體現(xiàn)了橋梁體系的受力特點(diǎn)和適用范圍，可謂“神”；結(jié)構(gòu)形式與構(gòu)造特點(diǎn)是外形，反映了該橋型在具體場(chǎng)地環(huán)境下的結(jié)構(gòu)與構(gòu)造，可謂“形”。二者之間的聯(lián)系可以用虛實(shí)線表示，虛線表示以結(jié)構(gòu)力學(xué)為基礎(chǔ)的內(nèi)力計(jì)算和以結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)驗(yàn)算，實(shí)線表示橋梁建造的施工方法、技術(shù)和機(jī)具。工程實(shí)例以橋梁實(shí)例的方式涵蓋了前面四部分內(nèi)容。

東南大學(xué)《橋梁工程》課程主要講解簡(jiǎn)支梁橋、拱橋等，在《大跨徑橋梁》課程中講解連續(xù)體系梁橋、斜拉橋和懸索橋。中小跨度橋梁教學(xué)時(shí)，五部分教學(xué)內(nèi)容可以分開進(jìn)行，彼此之間聯(lián)系較弱。但大跨度橋梁教學(xué)須以“力”為核心，融會(huì)貫通地講解五部分內(nèi)容，讓學(xué)生意識(shí)到，優(yōu)秀的大跨度橋梁是神形兼?zhèn)涞募炎?，神形兼?zhèn)涞膶?shí)質(zhì)是“力”，即受力特點(diǎn)、傳力路徑和力學(xué)計(jì)算，違背了力學(xué)原理的結(jié)構(gòu)不宜用于大跨度橋梁。

教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法改革是教學(xué)永恒的話題。如何培養(yǎng)學(xué)生從力學(xué)角度來(lái)思考問題，尤其是跨度變大以后橋梁受力形態(tài)發(fā)生哪些變化，是大跨度橋梁教學(xué)的精髓所在。作者根據(jù)多年教學(xué)實(shí)踐，摸索出了“求真務(wù)實(shí)”的教學(xué)方法。求真即尋根索源，從力學(xué)角度來(lái)理解橋梁結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)構(gòu)造甚至施工方法；務(wù)實(shí)即是對(duì)抽象的、靜態(tài)的教材內(nèi)容進(jìn)行實(shí)踐化、形象化。務(wù)實(shí)是手段，求真是目的?！扒笳鎰?wù)實(shí)”的實(shí)質(zhì)就是理論聯(lián)系實(shí)際，相得益彰。本文結(jié)合幾個(gè)教學(xué)案例，討論下“求真務(wù)實(shí)”的教學(xué)方法。

二、“求真”教學(xué)案例

1.梁橋結(jié)構(gòu)體系?！扒笳妗苯虒W(xué)表現(xiàn)為橋梁工程五個(gè)方面知識(shí)在講解時(shí)相互滲透，均從力學(xué)角度來(lái)思考問題，盡可能探究出結(jié)構(gòu)中的力學(xué)原理來(lái)。根據(jù)承重結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，梁式橋可劃分為簡(jiǎn)支梁橋、懸臂梁橋、連續(xù)梁橋、T型剛構(gòu)橋和連續(xù)剛構(gòu)橋。現(xiàn)有教材中把梁式橋的五種體系分散在幾節(jié)中介紹，這不利于培養(yǎng)學(xué)生從力學(xué)角度來(lái)理解梁式橋靜力體系演變的過(guò)程和內(nèi)在原因。簡(jiǎn)支梁橋是構(gòu)造最簡(jiǎn)單的橋梁，也是梁式橋體系演變的基礎(chǔ)。簡(jiǎn)支梁橋在自重作用下的恒載彎矩沿跨徑分布為二次拋物線形狀，跨中截面承受最大正彎矩，支點(diǎn)處彎矩為零。由于簡(jiǎn)支梁橋的截面尺寸和跨度完全受跨中截面正彎矩控制，因此，要減小截面尺寸或增大跨度，必須設(shè)法減小跨中截面的最大正彎矩。一種方法是將簡(jiǎn)支梁梁體伸長(zhǎng)，越過(guò)支點(diǎn)，形成1.x跨（x<1.0）的懸臂梁或2～N跨的連續(xù)梁，利用支點(diǎn)截面的負(fù)彎矩對(duì)跨中截面的正彎矩卸載，內(nèi)力重分布，梁高也相應(yīng)減少。第二種方法是將橋墩和主梁固接，讓橋墩參與主梁受力，增大結(jié)構(gòu)體系的剛度，于是懸臂梁橋演變?yōu)門型剛構(gòu)橋，T型剛構(gòu)和連續(xù)梁結(jié)合在一起演變?yōu)檫B續(xù)剛構(gòu)橋，連續(xù)剛構(gòu)和連續(xù)梁結(jié)合在一起演變?yōu)閯倶?gòu)—連續(xù)組合體系橋梁。第三種方法是不等跨布置和變截面梁高。當(dāng)跨度超過(guò)70m以后，若連續(xù)梁橋采用等跨布置，邊跨跨中截面正彎矩控制了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，且梁端轉(zhuǎn)角位移較大，不利于行車平順。在大跨度梁橋中應(yīng)采用不等跨布置和變截面梁高的形式，以滿足內(nèi)力變化的需求。通過(guò)上述推演，學(xué)生理解了梁式橋體系的演變過(guò)程，比較了受力特點(diǎn)和適應(yīng)范圍。若進(jìn)一步“求真”，可以發(fā)現(xiàn)，橋梁設(shè)計(jì)的使命是用較經(jīng)濟(jì)的材料（一般表現(xiàn)為梁高）來(lái)達(dá)到盡量大的跨度，即減少跨中截面的正彎矩，辦法是利用支點(diǎn)負(fù)彎矩和墩頂彎矩對(duì)跨中正彎矩卸載。

2.施工過(guò)程對(duì)成橋狀態(tài)恒載內(nèi)力的影響。橋梁結(jié)構(gòu)從開始施工到成橋必須經(jīng)歷一個(gè)復(fù)雜的多階段構(gòu)件施工安裝和體系轉(zhuǎn)換過(guò)程，因此，成橋狀態(tài)的恒載內(nèi)力和線形必須考慮結(jié)構(gòu)的實(shí)際施工過(guò)程，逐步疊加而成。橋梁工程教材中，將梁橋的恒載內(nèi)力與施工過(guò)程的關(guān)系分為兩類：滿堂支架施工、逐跨施工（必須選擇彎矩零點(diǎn)作為施工接縫）、頂推施工的梁橋，施工過(guò)程對(duì)成橋狀態(tài)恒載內(nèi)力圖沒有影響，可以按照一次落架法計(jì)算；懸臂施工、逐跨施工（非零彎矩處接縫）、先簡(jiǎn)支后連續(xù)施工的梁橋，施工過(guò)程對(duì)成橋狀態(tài)恒載內(nèi)力圖有影響，須按照施工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)體系逐階段計(jì)算截面內(nèi)力并累加為成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力。教材中只給出了結(jié)論，沒有做進(jìn)一步解釋，讓學(xué)生費(fèi)解。此處，可以設(shè)置一個(gè)“求真”的教學(xué)環(huán)節(jié)，讓學(xué)生課外閱讀文獻(xiàn)[2]，理解其中的力學(xué)原理——無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法。無(wú)應(yīng)力狀態(tài)法是確定分階段形成橋梁結(jié)構(gòu)中過(guò)程狀態(tài)與最終狀態(tài)的關(guān)系。在保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件單元無(wú)應(yīng)力長(zhǎng)度和無(wú)應(yīng)力曲率的前提下，結(jié)構(gòu)的最終內(nèi)力和位移與結(jié)構(gòu)的形成過(guò)程無(wú)關(guān)。通過(guò)“求真”的教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生將結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)與橋梁施工計(jì)算聯(lián)系起來(lái)，頓時(shí)豁然開朗。

三、“務(wù)實(shí)”教學(xué)案例

1.梁橋的邊中跨比例?！皠?wù)實(shí)”教學(xué)表現(xiàn)為通過(guò)具體的影像、工程案例、課程作業(yè)、課堂研討、實(shí)踐實(shí)習(xí)等環(huán)節(jié)，讓學(xué)生直觀地面對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和理論，動(dòng)手解決問題。常見的方法用圖片動(dòng)畫的形式展示橋梁結(jié)構(gòu)、施工過(guò)程等，讓學(xué)生有了初步的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。下面通過(guò)一道研討式課后作業(yè)，了解“務(wù)實(shí)”的做法。在梁橋總體布置教學(xué)中，都會(huì)提到不同橋型的邊跨中跨長(zhǎng)度比例[3-4]，若不加以比較，很難發(fā)現(xiàn)彼此之間的聯(lián)系和區(qū)別。譬如，三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的L邊跨/L中跨=0.50～0.80，最佳值為0.68，但連續(xù)剛構(gòu)橋的L邊跨/L中跨多在0.55～0.58，為什么不一樣？在此，布置一道“務(wù)實(shí)”作業(yè)，令學(xué)生從教材、文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)中查找工程實(shí)例，收集同類橋梁的L邊跨/L中跨數(shù)據(jù)，羅列在一張表上?；诮y(tǒng)計(jì)分析，學(xué)生可以闡述對(duì)梁橋的L邊跨/L中跨的認(rèn)識(shí)。若進(jìn)一步，學(xué)生借助結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器SM solver[5]軟件，繪制了三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的恒載彎矩圖（圖2），根據(jù)恒載彎矩圖總面積越小越經(jīng)濟(jì)的原則，驗(yàn)證三跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的L邊跨/L中跨的合理范圍。本案例中，從務(wù)實(shí)中求真，學(xué)生明白了梁橋受力特點(diǎn)：梁橋既要通過(guò)支點(diǎn)負(fù)彎矩對(duì)跨中正彎矩卸載，增大跨度，又要恒載彎矩圖總面積?。ń?jīng)濟(jì)）。

2.溫度次內(nèi)力的影響。橋梁結(jié)構(gòu)常遇的溫度作用主要有：常年溫差、日照溫差、砼水化熱。常年溫差即整體升溫或降溫，引起構(gòu)件的伸長(zhǎng)或縮短，在連續(xù)梁橋中產(chǎn)生伸縮現(xiàn)象，需設(shè)伸縮縫，不產(chǎn)生次內(nèi)力，但在連續(xù)剛構(gòu)橋中產(chǎn)生變形和次內(nèi)力。日照溫差即日出后橋面升溫或日落后的梁底降溫，以溫度梯度的形式作用于主梁上，在連續(xù)梁橋、連續(xù)剛構(gòu)橋中均產(chǎn)生變形和次內(nèi)力。為了讓學(xué)生理解溫度變化對(duì)梁橋結(jié)構(gòu)的影響，布置一道研討式綜合作業(yè)。如表1所示，相同跨度的三跨連續(xù)梁橋和連續(xù)剛構(gòu)橋，在季節(jié)溫度變化（升溫）、日照溫度變化（升溫）的情況下，繪制結(jié)構(gòu)的變形圖、次內(nèi)力圖，簡(jiǎn)要說(shuō)明次內(nèi)力對(duì)結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力的影響、各支座反力的變化情況。學(xué)生運(yùn)用SM solver軟件基本解決了問題，然后改變橋墩高度，分析橋墩高度對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋的溫度次內(nèi)力的影響，回答了“為什么連續(xù)剛構(gòu)橋比較適用于大跨高墩的情況”的抽象問題。通過(guò)這種對(duì)比、推進(jìn)式分析，加深了對(duì)教材中抽象理論的理解。借助小軟件進(jìn)行了橋梁結(jié)構(gòu)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，理解橋梁工程中的抽象理論，是一種有益身心的運(yùn)動(dòng)，學(xué)生解決問題的過(guò)程中掌握了理論知識(shí)。此為務(wù)實(shí)，也可務(wù)虛求真，可以根據(jù)溫度變化情況直觀地繪制結(jié)構(gòu)變形圖，注意反彎點(diǎn)、邊界約束等細(xì)節(jié)，然后由截面的上下緣的拉壓應(yīng)力情況繪制彎矩次內(nèi)力示意圖，初步地判斷溫度次內(nèi)力對(duì)結(jié)構(gòu)恒載內(nèi)力的影響。若結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)扎實(shí)，不需計(jì)算，學(xué)生基本可以直觀想象出結(jié)構(gòu)受力的樣子，出現(xiàn)質(zhì)的飛躍。

四、結(jié)論

橋梁工程是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)過(guò)程，其結(jié)構(gòu)體系、結(jié)構(gòu)與構(gòu)造、計(jì)算理論、施工方法和工程實(shí)例五部分知識(shí)彼此聯(lián)系。大跨度橋梁教學(xué)更需要以“力”為核心，融會(huì)貫通地講解五部分內(nèi)容。“求真務(wù)實(shí)”的教學(xué)方法抓住了大跨度橋梁教學(xué)的主體內(nèi)容，將結(jié)構(gòu)力學(xué)植入橋梁工程教學(xué)過(guò)程中。從力學(xué)角度來(lái)理解橋梁結(jié)構(gòu)，是謂求真；布置研討式作業(yè)等方式供學(xué)生實(shí)踐，是謂務(wù)實(shí)，其目標(biāo)仍為求真，二者相得益彰，實(shí)質(zhì)就是理論聯(lián)系實(shí)際，學(xué)習(xí)橋梁結(jié)構(gòu)力學(xué)。