《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》課程教學(xué)改革思路

陳征征+王芳+劉飛

摘 要：該文介紹了《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》課程的學(xué)習(xí)主線，提出了教學(xué)改革的思路，為該課程的教學(xué)改革提供參考借鑒。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；焊接；螺栓連接；受力構(gòu)件

中圖分類號(hào) G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2017）02-03-0108-02

鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)因其自重較輕，且施工簡(jiǎn)便，是目前結(jié)構(gòu)工程中運(yùn)用最廣泛、普遍的材料，廣泛應(yīng)用于大型廠房、場(chǎng)館、超高層等領(lǐng)域。《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》是求解工程結(jié)構(gòu)問(wèn)題的一個(gè)理論前提，是設(shè)計(jì)鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院土木工程專業(yè)開設(shè)了該課程，并且是作為土木工程專業(yè)的核心課程。由于這門課的起點(diǎn)比較高，要求學(xué)生具有較好的高等數(shù)學(xué)、畫法幾何、材料力學(xué)等綜合基礎(chǔ)知識(shí)，對(duì)于同時(shí)學(xué)習(xí)材料力學(xué)和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理這兩門課的宿州學(xué)院的學(xué)生來(lái)講，學(xué)習(xí)起來(lái)比較困難。除此之外，與土木專業(yè)學(xué)生的交流溝通中發(fā)現(xiàn)，部分學(xué)生對(duì)于焊接這種并沒有真實(shí)見過(guò)，其空間想象的能力差，對(duì)于焊縫的理解學(xué)習(xí)較為困難。

1 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》學(xué)習(xí)主線

鋼結(jié)構(gòu)的教材比較多[1-3]，適用于不同的專業(yè)。宿州學(xué)院資源與土木工程學(xué)院土木專業(yè)所用的教材是肖亞明、孫強(qiáng)、馬芹永編著的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》[4]，該教材有一套完整的編寫技巧，即逐層遞進(jìn)，先節(jié)點(diǎn)后構(gòu)件的思路，依次介紹的節(jié)點(diǎn)連接處的處理方法、構(gòu)件受軸向力的穩(wěn)定問(wèn)題、受彎矩作用桿件驗(yàn)算問(wèn)題。

1.1 節(jié)點(diǎn)對(duì)接焊接 對(duì)于兩個(gè)鋼構(gòu)結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)，接觸面平緩且接觸面積大，采用對(duì)接焊接是最優(yōu)選擇。對(duì)接焊接處形成對(duì)接焊縫，那么此時(shí)焊縫處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，破壞會(huì)先于構(gòu)件破壞，亦屬于脆性破壞。為防止上述脆性破壞的發(fā)生則對(duì)焊縫處強(qiáng)度要求有限值。對(duì)于強(qiáng)度驗(yàn)算根據(jù)節(jié)點(diǎn)處受力情況不同、截面形式不同反應(yīng)的其驗(yàn)算公式不一致：第一種情況，矩形截面受單向軸心力或節(jié)點(diǎn)焊縫截面為正截面只需驗(yàn)算節(jié)點(diǎn)截面處正應(yīng)力；第二種情況，矩形截面受斜向力或者焊縫截面為斜截面要驗(yàn)算垂直截面的正應(yīng)力和平行截面的切應(yīng)力2個(gè)；第三種情況，矩形截面承受剪力和彎矩作用要驗(yàn)算彎矩產(chǎn)生的垂直于截面的正應(yīng)力和剪力產(chǎn)生的平行于截面的切應(yīng)力兩個(gè)；第四種情況，截面形式為T形、I形、箱形特殊形式，承受剪力和彎矩，除驗(yàn)算彎矩產(chǎn)生的垂直于截面的最大正應(yīng)力和剪力產(chǎn)生的平行于截面的切應(yīng)力之外，由于不可能在所有的截面同時(shí)達(dá)到最大，要驗(yàn)算上述兩值相對(duì)較大處的折算應(yīng)力；第五種情況，焊縫處承受軸向力、剪力和彎矩作用，需驗(yàn)算由軸向力產(chǎn)生的正應(yīng)力和彎矩作用產(chǎn)生的正應(yīng)力之和、剪力作用產(chǎn)生的平行于截面的切應(yīng)力、2個(gè)正應(yīng)力和切應(yīng)力的折算應(yīng)力。上述5種情況其公式均可表述為：

其中，[Aw]為軸心力垂直截面的有效面積，要注意焊縫長(zhǎng)度的選取與有無(wú)引弧板有直接關(guān)系；[σM1]、[τ1]分別為危險(xiǎn)截面對(duì)應(yīng)的彎矩產(chǎn)生的正應(yīng)力和剪力產(chǎn)生的切應(yīng)力；[fwt]、[fwv]分別可以查該教材231頁(yè)附錄1-2，其值與鋼材的厚度和鋼材的種類有關(guān)。

對(duì)于上述3個(gè)式在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理中按照材料力學(xué)基本假定，假定在受軸向力和剪力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力均是均勻分布的；在彎矩作用下產(chǎn)生的正應(yīng)力是三角形分布，在中性軸處為0，離中性軸越遠(yuǎn)正應(yīng)力越大，為越危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)。

在驗(yàn)算時(shí)首先要弄清楚結(jié)構(gòu)受力情況，然后分析力與焊縫長(zhǎng)度方向的關(guān)系，有一個(gè)原則：力與焊縫長(zhǎng)度方向平行產(chǎn)生切應(yīng)力，與焊縫長(zhǎng)度方向垂直產(chǎn)生正應(yīng)力，正應(yīng)力代入上式（1）進(jìn)行正應(yīng)力驗(yàn)算，切應(yīng)力代入上式（2）進(jìn)行切應(yīng)力驗(yàn)算。

1.2 節(jié)點(diǎn)角接焊接 角焊縫是節(jié)點(diǎn)焊接連接的難點(diǎn)，它體現(xiàn)了鋼結(jié)構(gòu)這門課的特點(diǎn)，公式多，多計(jì)算，內(nèi)容繁瑣，實(shí)踐性強(qiáng)，沒有實(shí)際動(dòng)手操作很難對(duì)角焊縫理解。為此，對(duì)公式進(jìn)行整理：角焊縫計(jì)算中首先要弄清楚角焊縫計(jì)算截面的問(wèn)題，角焊縫受力危險(xiǎn)截面選為有效截面，所有的受力驗(yàn)算均在有效截面上進(jìn)行。在角焊縫計(jì)算中類似于對(duì)接焊縫，第一步要分析受力問(wèn)題，力與焊縫同向產(chǎn)生切應(yīng)力，力與焊縫垂直產(chǎn)生正應(yīng)力，與對(duì)接焊縫不同的一點(diǎn)在于面內(nèi)垂直還是面外垂直，進(jìn)行驗(yàn)算的[σf]為計(jì)算截面上應(yīng)力，為面內(nèi)垂直和面外垂直的合力，[τf]為面內(nèi)平行的切應(yīng)力，則計(jì)算公式為：

其中，[βf]與受力情況有關(guān)，取值為1.22或1.0；[fwf]同樣查該教材231頁(yè)附錄1-2獲得。

上式（4）是角焊縫計(jì)算的通式。與對(duì)接焊縫類似，對(duì)于強(qiáng)度驗(yàn)算根據(jù)節(jié)點(diǎn)處受力情況不同、截面形式不同反應(yīng)的其驗(yàn)算公式不一致，按連接方式及受力情況：

第一種情況，（1）僅有側(cè)面角焊縫且?guī)в芯匦纹唇由w板受軸心力作用的角焊縫計(jì)算，力與焊縫同向，只有切應(yīng)力，代入公式（4）可得到關(guān)于切應(yīng)力驗(yàn)算公式；（2）僅有正面角焊縫且?guī)в芯匦纹唇由w板受軸心力作用，力與焊縫垂直，只有正應(yīng)力，代入公式（4）可得到關(guān)于正應(yīng)力驗(yàn)算公式；（3）三面圍焊且?guī)в芯匦纹唇由w板受軸心力作用，由于正應(yīng)力受力情況負(fù)責(zé)，所以先計(jì)算出由正應(yīng)力承擔(dān)的力，軸心力減去正應(yīng)力承擔(dān)的力剩下的由切應(yīng)力承擔(dān)焊縫強(qiáng)度；（4）三面圍焊且?guī)в辛庑纹唇由w板受軸心力作用，采用菱形拼接蓋板考慮斜焊縫的一個(gè)系數(shù)[βfθ]，與角度有關(guān)可以查表獲得，其余于矩形拼接蓋板一樣計(jì)算。

第二種情況，（1）側(cè)面角焊縫角鋼連接，有角鋼內(nèi)力分配系數(shù)查表得，并驗(yàn)算肢尖與肢背強(qiáng)度；（2）三面圍焊角鋼連接，與帶矩形拼接蓋板類似，先算正面角焊縫能承受的力，再求得側(cè)面角焊縫受力情況；（3）特殊情況L形，其中有一側(cè)角焊縫為零，由力矩平衡就可推得焊縫受力公式。

上述兩種情況是只受單一軸心荷載，對(duì)于帶拼接蓋板和角鋼這兩種情況還有受彎矩，受剪力和彎矩共同作用，受剪力、軸力和彎矩共同作用，受扭轉(zhuǎn)作用，受扭轉(zhuǎn)、軸力、剪力和彎矩共同作用下焊縫求解。在受扭矩作用下和彎矩作用下求應(yīng)力的公式類似，均與距離成正比，彎矩是對(duì)坐標(biāo)軸取慣性矩，扭矩是對(duì)極軸取慣性矩。

對(duì)于焊縫求解，其中最關(guān)鍵一步就是根據(jù)力判斷呈現(xiàn)正應(yīng)力還是切應(yīng)力，相疊加并用公式（4）驗(yàn)算強(qiáng)度，由于2014級(jí)宿州學(xué)院土木專業(yè)方案培養(yǎng)中把材料力學(xué)與鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理這門課同時(shí)安排在一起開課，對(duì)于還不知道什么是正應(yīng)力、什么是彎矩的學(xué)生進(jìn)行判斷什么力產(chǎn)生什么樣的應(yīng)力判斷是很困難的。

2 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》課程改革的思路

針對(duì)宿州學(xué)院2014級(jí)土木專業(yè)學(xué)生對(duì)于《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》課程反映出來(lái)的問(wèn)題，本文提出了如下改進(jìn)措施：

2.1 課件結(jié)合課堂動(dòng)手演示 采用課件教學(xué)，一目了然，邏輯性比較強(qiáng)，方便學(xué)生進(jìn)行總結(jié)，但是單一的課件教學(xué)有些難以空間想象出來(lái)的理解起來(lái)比較困難。針對(duì)難以理解的部分如角焊縫連接處，則在課堂上教師用2個(gè)鋼管進(jìn)行節(jié)點(diǎn)焊接，采用角焊縫，用焊條焊接，讓同學(xué)們自己動(dòng)手操作，加深他們的空間思維，并用切刀把45°有效截面切割出來(lái)，在截面上演示面內(nèi)垂直、面內(nèi)平行、面外垂直應(yīng)力。

2.2 課堂采用競(jìng)答，增加積極性 目前，高校學(xué)生普遍存在一種情況，就是前面有空座不坐，學(xué)生都去后面坐，這樣就造成資源的浪費(fèi)，給教師授課帶來(lái)困難。為此，在2014級(jí)宿州學(xué)院土木專業(yè)1、2班采取競(jìng)答的方法，從最后一位開始競(jìng)答，提問(wèn)鋼結(jié)構(gòu)公式、定義以及隨機(jī)的指出節(jié)點(diǎn)焊縫連接公式、構(gòu)件穩(wěn)定公式，回答正確的同學(xué)保留其座位，回答不出來(lái)的同學(xué)座位廢除，座位挪到前面。如此一來(lái)，學(xué)生在課上以及課下就會(huì)主動(dòng)去學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)，增加了自主學(xué)習(xí)的積極性，提高了其對(duì)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的樂趣。

2.3 課后信息反饋 宿州學(xué)院每個(gè)班級(jí)均設(shè)有信息員，信息員會(huì)定期開會(huì)反應(yīng)教學(xué)中的問(wèn)題，針對(duì)信息員對(duì)鋼結(jié)構(gòu)授課中提出的問(wèn)題，教師認(rèn)真思考并改正。相對(duì)于教師對(duì)學(xué)生的了解，還是學(xué)生對(duì)學(xué)生最了解，反應(yīng)的問(wèn)題真實(shí)，針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)這門課反應(yīng)較難，數(shù)學(xué)功底差，材料力學(xué)知識(shí)沒學(xué)扎實(shí)，在授課過(guò)程中不要單調(diào)的一直進(jìn)行推導(dǎo)，可以引入生活中實(shí)例進(jìn)行講解知識(shí)點(diǎn)，對(duì)于公式可以采用小紙片形式。

3 結(jié)語(yǔ)

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理授課中，由節(jié)點(diǎn)到構(gòu)件，循序漸進(jìn)，逐步提高對(duì)這門課程的理解，重點(diǎn)內(nèi)容突出，主次明顯，善于總結(jié)，掌握好基本規(guī)律，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)有幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]傅菊根，張春玉.鋼結(jié)構(gòu)基本原理：第1版[M].鄭州：黃河水利出版社，2011.

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[3]孫強(qiáng)，馬巍.鋼結(jié)構(gòu)基本原理：第1版[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2014.

[4]肖亞明，孫強(qiáng)，馬芹永.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理：第1版[M].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2005. （責(zé)編：張宏民）