土木工程專業(yè)鋼橋課程體系和教材建設(shè)實(shí)踐

傅中秋，吉伯海，王益遜

（河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

教學(xué)研究

土木工程專業(yè)鋼橋課程體系和教材建設(shè)實(shí)踐

傅中秋，吉伯海，王益遜

（河海大學(xué)，江蘇 南京 210098）

基于近年來橋梁行業(yè)對人才培養(yǎng)的需求，在學(xué)科特色發(fā)展方向支撐下，對土木工程專業(yè)的鋼橋課程體系進(jìn)行了建設(shè)。分析了現(xiàn)有相關(guān)教材的優(yōu)點(diǎn)和適用性，提出了鋼橋教材結(jié)構(gòu)框架和思路。在教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，編寫了新版鋼橋教材，能較好地適應(yīng)當(dāng)前教學(xué)的需求。新教材既具有現(xiàn)有教材的優(yōu)點(diǎn)，又具備自身鮮明的特色。

土木工程；鋼橋；課程體系；教材

0 引言

改革開放后的30多年間，中國的橋梁工程無論在建設(shè)規(guī)模還是科技水平上，均已躋身世界先進(jìn)行列[1]。隨著《國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》的實(shí)施，幾十公里長的跨海、海峽大橋，新發(fā)展的城郊高速鐵路橋與輕軌運(yùn)輸高架橋等宏偉工程也已逐漸開始建設(shè)?！笆濉币?guī)劃提出實(shí)施百萬公里農(nóng)村公路建設(shè)工程與高速公路、鐵路、機(jī)場等百項骨干通道工程，使橋梁工程師面臨新的挑戰(zhàn)[2]。鋼結(jié)構(gòu)橋梁以其承載能力大、跨越能力強(qiáng)、自重輕等優(yōu)點(diǎn)，在我國已成為大跨徑橋梁廣泛采用的結(jié)構(gòu)形式之一[3]。目前，我國鋼橋比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于日本、美國等。按照國家未來的規(guī)劃，鋼橋?qū)⒃诟鞣N橋梁中進(jìn)行推廣應(yīng)用。為緊隨時代步伐，培養(yǎng)出一批擁有先進(jìn)鋼橋?qū)ｉT知識的橋梁工程師，各大高校紛紛改革橋梁專業(yè)課程體系，強(qiáng)化《鋼橋》課程教學(xué)，應(yīng)運(yùn)而生的各類《鋼橋》教材如雨后春筍，呈現(xiàn)出百花齊放的勃勃生機(jī)。

為了適應(yīng)鋼橋建設(shè)的發(fā)展，國家近幾年頒布了一批相關(guān)規(guī)范，如《鋼-混凝土組合橋梁設(shè)計規(guī)范（GB 50917-2013）》、《公路鋼混組合橋梁設(shè)計與施工規(guī)范（JTG/T D64-01—2015）》、《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范（JTG D60-2015）》、《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范（GB 50923-2013）》、《公路懸索橋設(shè)計規(guī)范（JTG D65-05—2015）》等。而原有的教材中相關(guān)內(nèi)容尚未來得及更新，已經(jīng)不能適應(yīng)教學(xué)需求。特別是《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范（JTG D64-2015）》的頒布，結(jié)束了我國公路鋼橋設(shè)計沒有自己規(guī)范的歷史。而原有教材中關(guān)于公路鋼橋的相關(guān)內(nèi)容，大多引用國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。為改善鋼橋課程體系，深化教材建設(shè)實(shí)踐，河海大學(xué)橋梁工程研究所以課程教學(xué)為中心，兼顧課程理論實(shí)踐，在鋼橋課程體系和教材建設(shè)上進(jìn)行了一些嘗試和實(shí)踐。

1 鋼橋課程建設(shè)背景

1.1 專業(yè)背景

我國已建成一大批世界著名的鋼橋，同時仍然有大量的鋼橋正在建設(shè)和規(guī)劃中[4，5]。故土建專業(yè)對橋梁工程知識的學(xué)習(xí)，需順應(yīng)實(shí)際工程需求，強(qiáng)化對鋼橋知識的了解?！朵摌颉氛n程近幾年在各大高校教學(xué)中越來越受到重視，經(jīng)歷了無專門課程到設(shè)置為選修課的過程。近幾年，越來越多的高校已將《鋼橋》課程設(shè)置為專業(yè)必修課，并設(shè)置了《鋼橋課程設(shè)計》的實(shí)踐環(huán)節(jié)。

“鋼橋方向”是河海大學(xué)土木與交通學(xué)院橋梁工程研究所的特色研究方向之一。結(jié)合市場對人才培養(yǎng)的需求和學(xué)科自身的特點(diǎn)，逐步強(qiáng)化《鋼橋》課程的教學(xué)。目前，在新版本科教學(xué)大綱里，《鋼橋》課程已設(shè)置為專業(yè)必修課程，并配備相應(yīng)的課程設(shè)計實(shí)踐環(huán)節(jié)。圖1為河海大學(xué)《鋼橋》課程的建設(shè)過程。然而，由于缺乏合適的學(xué)習(xí)教材，老師的授課思路、學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情受到限制，《鋼橋》課程的教學(xué)需求也不能得到滿足，《鋼橋》課程的教學(xué)發(fā)展遭遇了瓶頸。

圖1 河海大學(xué)《鋼橋》課程發(fā)展過程

1.2 教材現(xiàn)狀

為適應(yīng)《鋼橋》課程的教學(xué)需求，我國各大高校以國內(nèi)現(xiàn)有的鋼橋設(shè)計方法與理念為基礎(chǔ)，同時結(jié)合國外先進(jìn)的鋼橋建造經(jīng)驗與設(shè)計理論，編寫或編譯了多種《鋼橋》教材。表1為幾種現(xiàn)有《鋼橋》教材。這些教材在學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師的教學(xué)中起到了顯著的作用。

表1 主要《鋼橋》課程相關(guān)教材

通過對現(xiàn)有教材的分析和對比可以發(fā)現(xiàn)，目前的教材編寫基本依循兩種主線，一種是根據(jù)鋼橋的整體結(jié)構(gòu)體系類型進(jìn)行介紹，另一種則是按照主梁的類型規(guī)劃章節(jié)。對于第一種，即按照整體結(jié)構(gòu)體系類型進(jìn)行陳述，由于鋼橋主梁類型多樣，如果將各種類型的主梁歸結(jié)于同一章進(jìn)行介紹，則在一章有限的篇幅內(nèi)無法介紹詳盡。對于第二種，即按照主梁的類型進(jìn)行介紹，由于偏重單個鋼橋部件，而整體橋型介紹可能會有所忽略。比如說，斜拉橋的主梁可以是桁架梁、也可以是鋼箱梁、甚至是組合梁，如果僅僅從主梁的角度入手，就可能會忽略斜拉橋這種橋型自身的特點(diǎn)。

現(xiàn)有《鋼橋》教材大多問世已有10年之久，歷經(jīng)多屆師生消化、吸收、反饋，發(fā)現(xiàn)在教學(xué)應(yīng)用過程中如下問題不能適應(yīng)教學(xué)需求。

一是系統(tǒng)性和全面性大多只具備一項。現(xiàn)有教材在編寫時，對于兩種編寫思路，即依據(jù)結(jié)構(gòu)體系類型和主梁類型僅取其一，相關(guān)維護(hù)和施工的介紹不夠全面。其中，《現(xiàn)代鋼橋》[6]獨(dú)樹一幟，教材分上下冊，上冊側(cè)重主梁類型、下冊側(cè)重結(jié)構(gòu)體系。但由于下冊并未出版，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體方面的內(nèi)容缺失。

二是側(cè)重狹義的“鋼橋”概念。目前的教材將鋼橋的定義限制為鋼主梁橋梁，即橋梁的主梁是鋼材，這樣的定義屬于狹義的鋼橋概念。理論而言，只要橋梁的主要部位采用的材料為鋼材，均可稱為鋼橋或組合結(jié)構(gòu)橋，也應(yīng)歸于鋼橋的一種，如采用鋼塔、鋼橋墩的橋梁，均可以歸入廣義的鋼橋范圍。

三是鋼橋的設(shè)計規(guī)范更多地參考鐵路和國外規(guī)范。目前，我國《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》、《組合結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》、《鋼管混凝土拱橋技術(shù)規(guī)范》等陸續(xù)編制完成，舊有《鋼橋》教材的部分內(nèi)容不能適應(yīng)新規(guī)范對于鋼橋設(shè)計與施工的要求，甚至與新規(guī)范的相關(guān)條文規(guī)定相悖。

河海大學(xué)《鋼橋》課程已經(jīng)開設(shè)多年（包括選修課階段）。在選修課階段，由于課時較少，學(xué)習(xí)要求較低，應(yīng)用目前已有的相關(guān)教材基本能滿足教學(xué)需求。但自2012版教學(xué)大綱將其調(diào)整為必修課后，目前的教材的適應(yīng)性存在一些問題。而新鋼橋規(guī)范的頒布，也必須對原有鋼橋教材內(nèi)容進(jìn)行變更。故亟需一本系統(tǒng)、全面的《鋼橋》教材，滿足《鋼橋》課程的教學(xué)發(fā)展需要。

2 鋼橋課程體系

2.1 鋼橋課程與其他課程關(guān)系

以《理論力學(xué)》、《材料力學(xué)》、《結(jié)構(gòu)力學(xué)》三大力學(xué)課程為基礎(chǔ)，《結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》、《鋼結(jié)構(gòu)》為主干的土木工程專業(yè)課為《鋼橋》課程的開設(shè)創(chuàng)造了條件。此外，《橋梁工程》課程提供了一般橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計、計算方法，是學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計、計算方法的前提。新版本科教學(xué)大綱依照此六門課程的承接順序，并輔以數(shù)門選修課程，進(jìn)行了合理高效的課程安排，各課程的關(guān)系如圖2所示。

圖2 《鋼橋》課程與其他課程的關(guān)系

如圖2所示，第二、三學(xué)年進(jìn)行三大力學(xué)基礎(chǔ)課程的學(xué)習(xí)，充實(shí)力學(xué)基礎(chǔ)知識，第三學(xué)年進(jìn)行《結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》、《鋼結(jié)構(gòu)》和《橋梁工程》主干課程的學(xué)習(xí)，加深對橋梁結(jié)構(gòu)物的理解，第四學(xué)年開設(shè)的鋼橋課程，承接第二、三學(xué)年的學(xué)習(xí)內(nèi)容，既是對已修課程的拓展，也是對專業(yè)知識的鞏固與提高?；A(chǔ)課程的學(xué)習(xí)為《鋼橋》課程打下了扎實(shí)的根基，而通過《鋼橋》課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生對《鋼結(jié)構(gòu)》、《橋梁工程》等課程獲得了更進(jìn)一步的理解，可以說，第四學(xué)年授課的《鋼橋》課程與第二、三學(xué)年的專業(yè)基礎(chǔ)課、主干課是密不可分、相輔相成的。而與必修課同時進(jìn)行的數(shù)門選修課程能夠?qū)Ρ匦拚n的知識進(jìn)行補(bǔ)充和擴(kuò)展，加深學(xué)生對《鋼橋》課程的理解，提高學(xué)生對課程學(xué)習(xí)的興趣。

2.2 鋼橋課程內(nèi)容特點(diǎn)

《鋼橋》課程是研究鋼結(jié)構(gòu)橋梁承載力、穩(wěn)定性、鋼橋各類損傷的一門學(xué)科。通過《鋼橋》課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握鋼橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和分類方法、鋼橋的連接及橋面系布置方法、幾種典型鋼橋類型的受力特征及其設(shè)計要求、典型鋼橋病害產(chǎn)生機(jī)理及其常見處理方法；能夠進(jìn)行橋梁整體及局部受力計算；能夠運(yùn)用力學(xué)的基本理論和方法解決實(shí)際鋼橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工等工程問題，為以后從事專業(yè)工作和進(jìn)行科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。

《鋼橋》課程采用課程講授與問題探討、作業(yè)練習(xí)與工程實(shí)際介紹相結(jié)合等教學(xué)方式。重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生掌握專業(yè)知識、分析和解決實(shí)際工程問題的能力。課程講授鋼橋的特點(diǎn)及各類橋型的構(gòu)造、設(shè)計計算、制造維護(hù)等基本原理。講授過程中，將鋼橋的基本知識與人文現(xiàn)象相結(jié)合[7]，達(dá)到知識和思想的同步傳授。針對重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，設(shè)置不同難度的開放性討論主題，進(jìn)行全員參與討論，參與學(xué)生根據(jù)學(xué)習(xí)基礎(chǔ)適當(dāng)側(cè)重，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行融會貫通。結(jié)合討論，針對學(xué)生的想法，引導(dǎo)學(xué)生思考對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，并進(jìn)行提煉總結(jié)。在此基礎(chǔ)上，針對課題延伸知識，布置課外調(diào)研作業(yè)，進(jìn)行文獻(xiàn)和資料收集，并要求學(xué)生進(jìn)行PPT匯報，課堂進(jìn)行匯報點(diǎn)評分析[8]。

為鞏固學(xué)生所學(xué)知識，拓寬學(xué)生視野，提高學(xué)生動手實(shí)踐能力，在《鋼橋》課程授業(yè)結(jié)束之后，另外開設(shè)一門《鋼橋》課程設(shè)計[9]，針對某一特定橋型，從承載力、穩(wěn)定性、鋼橋各類損傷的角度完成一座鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計。專門開設(shè)《鋼橋》課程設(shè)計，一方面是對《鋼橋》課程的回歸與升華，另一方面也是編者一直堅持的“理論付諸實(shí)踐”這一理念的具體體現(xiàn)。

3 教材特點(diǎn)

本教材結(jié)合已有教材的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，具體的特色與創(chuàng)新內(nèi)容如下。

（1）系統(tǒng)性和全面性兼顧。教材首先對橋梁鋼材、鋼橋連接等基礎(chǔ)知識進(jìn)行講解，然后以主梁類型為主線，依次介紹了鋼板梁橋、鋼箱梁橋、鋼桁梁橋以及組合梁橋，并在此基礎(chǔ)上引入各種鋼橋結(jié)構(gòu)部件如鋼拱、鋼塔、拉索等，并闡述了對應(yīng)部件的施工、維護(hù)等內(nèi)容，具體思路如圖3所示。

圖3 《鋼橋》教材具體思路

（2）狹義和廣義“鋼橋”概念兼顧。按照傳統(tǒng)鋼橋教學(xué)規(guī)律，鋼橋即是主梁結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)的橋梁，編者將其稱為“狹義鋼橋”概念。編者提出的“廣義鋼橋”概念，即針對鋼橋種類的劃分不局限于主梁結(jié)構(gòu)，而是將采用各種鋼部件的橋梁結(jié)構(gòu)亦稱為鋼結(jié)構(gòu)橋梁，這些鋼部件包括鋼塔、鋼橋墩、纜索以及組合結(jié)構(gòu)構(gòu)件等等。

（3）強(qiáng)調(diào)了鋼橋的材料特征。橋梁用鋼與建筑用鋼的性能存在一定的差異。橋梁所受的荷載為動荷載，并且荷載等級比建筑荷載等級普遍要高，因此在橋梁中除了關(guān)注橋梁強(qiáng)度等級外，還需重視鋼材的沖擊韌性和疲勞性能。本教材結(jié)合編者的主要研究方向，對鋼材的疲勞性能進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括疲勞斷裂機(jī)理、疲勞類型、疲勞計算等等。圖4所示為反映鋼材疲勞性能的S-N曲線，根據(jù)該曲線可以對鋼橋疲勞細(xì)節(jié)的疲勞強(qiáng)度進(jìn)行評估。

（4）結(jié)合了編者及其他研究的最新科研成果。編者的主要研究方向是橋梁工程中的鋼橋維護(hù)以及組合結(jié)構(gòu)橋梁，相關(guān)最新的科研成果如鋼管混凝土的設(shè)計與應(yīng)用、鋼橋疲勞修復(fù)技術(shù)、橋面鋪裝病害修復(fù)技術(shù)等內(nèi)容將在本教材中體現(xiàn)。如圖5所示為鋼橋面板鉆孔止裂技術(shù)，即在裂紋尖端鉆孔以達(dá)到去除應(yīng)力集中、改善截面受力的目的。

圖4 S-N曲線

圖5 鉆孔止裂

4 結(jié)語

中國是一個橋梁建設(shè)大國，而鋼橋因其獨(dú)有的強(qiáng)度高、剛度大、跨越能力大等優(yōu)點(diǎn)，成為主流的橋梁結(jié)構(gòu)形式，日益受到施工單位、設(shè)計院以及橋梁工程師的青睞。為適應(yīng)“十三五”規(guī)劃對于橋梁工程師的大量需求，提高學(xué)生的理論與實(shí)踐能力，一本高質(zhì)量的《鋼橋》教材顯得尤為重要。河海大學(xué)橋梁工程研究所為了適應(yīng)行業(yè)對人才需求的變化，也是為了發(fā)揮學(xué)科特色優(yōu)勢，對《鋼橋》課程體系和教材建設(shè)進(jìn)行了探索和實(shí)踐，編寫了《鋼橋》教材。該教材充分吸收了現(xiàn)有教材的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，融入最新的科研成果，并帶有鮮明的自我特色。盡管如此，但由于經(jīng)驗和認(rèn)識的不足，《鋼橋》教材仍有許多需要改進(jìn)的地方。相信在未來的實(shí)踐中，會不斷發(fā)現(xiàn)問題，并進(jìn)一步修改和完善。

［1］張井春，徐慶旋.日本鋼橋概況及中國鋼橋的應(yīng)用與發(fā)展［J］.北方交通，2013，（9）:57-61.

［2］孫超，韓林.中外鋼橋防腐蝕技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用［J］.城市道橋與防洪，2011，（7）:127-128.

［3］賀立新，宋雷.鋼橋、鋼—混結(jié)合梁橋的發(fā)展及其應(yīng)用實(shí)例［J］.西南公路，2014，（1）:2-10.

［4］馬建，孫守增，楊琦，等.中國橋梁工程學(xué)術(shù)研究綜述·2014［J］.中國公路學(xué)報，2014，27（5）:1-96.

［5］《中國公路學(xué)報》編輯部.中國公路交通學(xué)術(shù)研究綜述·2012［J］.中國公路學(xué)報，2012，25（3）:2-50.

［6］吳沖.現(xiàn)代鋼橋［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［7］傅中秋，吉伯海，許國杰，等.土木工程專業(yè)學(xué)生情感認(rèn)知調(diào)查分析［J］.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報（社會科學(xué)版），2015，32（9）：79-81.

［8］傅中秋，吉伯海，姚悅，等.土木工程專業(yè)鋼橋課程關(guān)聯(lián)教學(xué)實(shí)踐與效果分析［J］.當(dāng)代教育理論與實(shí)踐，2016，8（10）：52-54.

［9］傅中秋，吉伯海，姚悅.土木工程專業(yè)鋼橋課程設(shè)計的實(shí)踐與反思［J］.廊坊師范學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，16（3）：107-110.

Practice of Steel Bridge Course System and Teaching Material Construction for Civil Engineering Specialty

FU Zhong-qiu，JI Bo-hai，WANG Yi-xun
（Hohai University，Nanjing 210098，China）

Based on the demand of talent cultivation in bridge engineering in recent years，the construction of steel bridge course system in civil engineering specialty is built under the support of the characteristics research direction.The advantages and problems of the existing related teaching materials are compared and analyzed,and the structural frame of steel bridge teaching material is proposed.On the basis of teaching practice,a newversion of steel bridge teaching material was written.It can adapt to the needs of better teaching.The new teaching material maintains the advantages of the current ones，and also keeps its own characteristics.

civil engineering；steel bridge；course system；teachingmaterial

G642

A

1674-3229（2017）03-0107-05

2017-06-25

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程一期項目（PPZY2015B142）

傅中秋（1983－），男，博士，河海大學(xué)土木工程學(xué)院副教授，研究方向：鋼橋維護(hù)及組合結(jié)構(gòu)橋梁。