土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學教學與工程實際結(jié)合的探討

賈穗子 徐能雄

摘要：結(jié)構(gòu)力學是土木工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是土木工程專業(yè)的核心課程，在整個專業(yè)培養(yǎng)計劃中占有重要地位。結(jié)構(gòu)力學基本概念較多，學生對抽象的理論教學內(nèi)容往往感到難以理解。文章探討了土木工程專業(yè)中結(jié)構(gòu)力學教學與工程實際及后續(xù)專業(yè)課教學結(jié)合的問題，即理論教學與重大工程結(jié)合、課程內(nèi)容與工程實際結(jié)合、計算簡圖與工程結(jié)構(gòu)試驗結(jié)合，有助于加深學生對結(jié)構(gòu)力學基本概念的理解，提高學生運用結(jié)構(gòu)力學知識解決工程實際問題的能力，為結(jié)構(gòu)力學教學改革提供了參考。

關(guān)鍵詞：土木工程；結(jié)構(gòu)力學；工程實際；教學研究

中圖分類號：G6420；TU311文獻標志碼：A文章編號：10052909（2018）03012605結(jié)構(gòu)力學是土木工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，既是材料力學課程的深化和延伸，又是后續(xù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計等專業(yè)課教學及課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計等實踐環(huán)節(jié)的重要基礎(chǔ)，同時也是土木工程專業(yè)碩士研究生入學考試課程之一。土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學教學如何與工程實際結(jié)合，筆者探討了如下3個問題：

一是，理論教學與重大工程結(jié)合。土木工程學科特點之一就是工程實踐性強，結(jié)構(gòu)力學作為一門應(yīng)用型專業(yè)基礎(chǔ)課，教學中必須將基本理論和基本知識與實際工程緊密結(jié)合，特別是與重大工程結(jié)合，可以引申出諸多的工程和力學問題。采用這種教學方式，有利于加深學生對結(jié)構(gòu)力學與后續(xù)專業(yè)課程關(guān)系的理解，有利于土木工程專業(yè)卓越工程師能力的培養(yǎng)。

二是，相關(guān)課程內(nèi)容與工程實際結(jié)合。將抽象的力學問題與工程實際相聯(lián)系，采用這種教學方法，有利于學生有的放矢地學習該門課程，并為其他力學課程和后續(xù)專業(yè)課的學習打好基礎(chǔ)。

三是，計算簡圖與工程結(jié)構(gòu)力學試驗結(jié)合。結(jié)構(gòu)力學計算簡圖的建立均基于一定假設(shè)，教學中如何闡明計算簡圖與工程實際的聯(lián)系是一個關(guān)鍵問題，采用計算簡圖結(jié)合工程結(jié)構(gòu)力學試驗的教學方法，不僅可較好地解決這個問題，同時有利于增強學生重視科學實驗和實踐的意識。科學實驗是培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的源動力[1-2]。

一、理論教學與重大工程結(jié)合

近年來，中國大規(guī)模的土木工程建設(shè)有力推動了結(jié)構(gòu)工程的快速發(fā)展，各種新型結(jié)構(gòu)體系和新型構(gòu)件不斷出現(xiàn)，如超高層建筑巨型框架體系、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系等。但目前結(jié)構(gòu)力學的教學內(nèi)容難以適應(yīng)結(jié)構(gòu)工程的快速發(fā)展，這就需要教師結(jié)合工程實際案例和工程發(fā)展進行結(jié)構(gòu)力學教學，以體現(xiàn)結(jié)構(gòu)力學教學的工程性，并與后續(xù)專業(yè)課程教學形成連貫的教學體系。

文章以超高層建筑重大工程為例，探討結(jié)構(gòu)力學教學與重大工程結(jié)合的問題。中國若干標志性的超高層建筑采用了巨型柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)（圖1—圖5），如深圳平安國際金融大廈（7度區(qū)，118層，主體結(jié)構(gòu)高588 m），上海中心大廈（7度區(qū)，118層，主體結(jié)構(gòu)高576 m），上海環(huán)球金融中心（7度區(qū)，101層，主體結(jié)構(gòu)高492 m），天津117大廈（7.5度區(qū)，117層，主體結(jié)構(gòu)高597 m），北京“中國尊”大廈（8度區(qū)，108層，主體結(jié)構(gòu)高528 m）。其中，深圳平安國際金融大廈和上海中心大廈采用了矩形截面巨型柱，上海環(huán)球金融中心采用了型鋼混凝土異形截面巨型柱，天津117大廈和北京“中國尊”大廈采用了異形截面多腔體鋼管混凝土巨型柱。

高等建筑教育2018年第27卷第4期

賈穗子， 等土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學教學與工程實際結(jié)合的探討

圖1深圳平安國際金融大廈圖2上海中心大廈圖3上海環(huán)球金融中心在結(jié)構(gòu)力學課程中，結(jié)合這些重大工程教學，使學生了解到這些超高層建筑采用的新型結(jié)構(gòu)體系，并聯(lián)系工程問題和力學問題，激發(fā)學生學習結(jié)構(gòu)力學的興趣。

（一）力學課程

土木工程專業(yè)本科生力學課程主要有材料力學、結(jié)構(gòu)力學和彈性力學，結(jié)合工程實際闡明力學課程之間的聯(lián)系具有必要性。教學中，以圖1至圖5所示的超高層建筑“巨型柱框架-核心筒”結(jié)構(gòu)體系為例，闡明巨型柱框架為桿系結(jié)構(gòu)，屬于結(jié)構(gòu)力學研究的內(nèi)容，而其構(gòu)成的桿件屬于材料力學研究的內(nèi)容，核心筒由剪力墻構(gòu)成，屬于彈性力學研究的內(nèi)容。這樣的教學過程，有利于加深學生對結(jié)構(gòu)力學與相關(guān)力學課程關(guān)系的理解。

（二）結(jié)構(gòu)課程

土木工程專業(yè)本科生結(jié)構(gòu)工程課程主要有混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)等。結(jié)合工程實際，闡明結(jié)構(gòu)力學與其他專業(yè)課程之間的關(guān)聯(lián)性是教學關(guān)注點之一?；炷两Y(jié)構(gòu)課程中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)力學計算，需要將梁柱截面的鋼筋按照鋼材與混凝土材料的彈性模量比例等效換算為混凝土材料，之后進行結(jié)構(gòu)的彈性計算分析。鋼結(jié)構(gòu)課程中對于鋼框架結(jié)構(gòu)的力學計算而言，構(gòu)件截面的彈性模量就是鋼材的彈性模量，但是鋼結(jié)構(gòu)桿件截面的壁厚較薄，因此穩(wěn)定性問題是鋼結(jié)構(gòu)研究的重點之一，也是鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的重要區(qū)別。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程中，型鋼混凝土柱-H型鋼梁框架、鋼管混凝土柱-H型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的力學計算，需要將鋼-混凝土組合柱的型鋼按照鋼材與混凝土材料的彈性模量比例等效換算為混凝土材料，之后進行結(jié)構(gòu)的彈性計算分析。圖1至圖5所示的超高層建筑，均為鋼-混凝土組合巨型柱，巨型柱的截面巨大，天津117大廈巨型柱截面面積最大為45 m2，北京“中國尊”巨型柱截面面積最大為63 m2，進行結(jié)構(gòu)力學計算時，需要將巨型柱截面的型鋼按照鋼材與混凝土材料彈性模量的比例等效換算為混凝土，再按照混凝土計算巨型柱截面的抗彎剛度，進一步計算分析巨型框架彈性。鋼-混凝土組合巨型柱的構(gòu)造非常重要，是保證型鋼與混凝土共同工作的根本，否則平截面假定的適應(yīng)性等一系列問題就會顯現(xiàn)。結(jié)構(gòu)力學教學中，對相同結(jié)構(gòu)體系、不同桿件材料的結(jié)構(gòu)進行力學分析，引導學生發(fā)現(xiàn)相關(guān)結(jié)構(gòu)分析問題，有利于提高學生分析問題和解決問題的能力。

（三）抗震課程

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是土木工程的一門重要專業(yè)課。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的原則是小震不壞、中震可修、大震不倒。以框架結(jié)構(gòu)為例，小震下框架處于彈性變形，可采用結(jié)構(gòu)力學的理論進行計算分析，但需結(jié)合地震工程理論計算地震作用，中震下框架結(jié)構(gòu)主體無明顯損壞，只是填充墻等構(gòu)件損壞，仍可近似采用結(jié)構(gòu)力學的理論進行計算分析，大震下框架結(jié)構(gòu)有明顯損壞，結(jié)構(gòu)整體進入彈塑性變形狀態(tài)，已不能采用結(jié)構(gòu)力學的理論計算分析，應(yīng)采用彈塑性理論并結(jié)合梁柱構(gòu)件截面的損傷過程進行彈塑性時程計算分析。大震下框架結(jié)構(gòu)的變形一般接近1/50的層間位移角，對于超高層建筑必須考慮二階效應(yīng)，即“Pδ”效應(yīng)。采用這種以工程問題為主線，引申出結(jié)構(gòu)力學與后續(xù)專業(yè)課程關(guān)聯(lián)性的教學方法，不僅提高了教學效果，還可激勵學生繼續(xù)深造。

三、計算簡圖與工程結(jié)構(gòu)力學試驗結(jié)合

在結(jié)構(gòu)力學教學過程中，學生十分關(guān)注計算簡圖的來源，對此，結(jié)合工程結(jié)構(gòu)力學試驗進行教學尤為重要。以框架結(jié)構(gòu)計算簡圖教學和輕鋼框架結(jié)構(gòu)力學試驗為例，進行了教學探討。結(jié)構(gòu)力學剛架的定義為由直桿組成的具有剛性連接節(jié)點的結(jié)構(gòu)，剛性節(jié)點的特點是其所連接的各桿件變形前后在節(jié)點處各桿端切線的夾角保持不變，即各桿端轉(zhuǎn)動的角度應(yīng)相等。筆者研發(fā)了一種適應(yīng)于村鎮(zhèn)綠色農(nóng)房結(jié)構(gòu)的新型結(jié)構(gòu)體系，即裝配式輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)體系采用輕型鋼管混凝土柱和輕型鋼管混凝土梁或H型鋼梁。在研發(fā)過程中，提出了一種連接梁柱的裝配式雙L 形帶斜肋節(jié)點，這種新型節(jié)點的剛度顯著大于梁柱的剛度，符合剛性節(jié)點的假定。試驗表明，該新型節(jié)點框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，盡管發(fā)生了較大的層間位移，但梁柱節(jié)點的角度基本保持直角，具有剛性節(jié)點的特征。同時，筆者還進行了直板形連接節(jié)點的相同梁柱框架受力性能試驗，在初始彈性階段，這種輕鋼框架的直板形連接節(jié)點仍保持直角，加載后隨輕鋼框架變形的增大，其梁柱節(jié)點已不再保持直角。對于該框架，在初始彈性階段利用結(jié)構(gòu)力學剛架模型計算是可行的，在變形后期應(yīng)采用半剛性節(jié)點模型計算，半剛性節(jié)點是介于剛性節(jié)點和鉸節(jié)點受力性能之間的一種節(jié)點。課堂教學中，先提出結(jié)構(gòu)力學中剛架結(jié)構(gòu)關(guān)于剛性節(jié)點的假定，之后讓學生觀看輕鋼框架結(jié)構(gòu)力學試驗錄像，觀看過程中，學生發(fā)現(xiàn)采用雙L形帶斜肋裝配式節(jié)點的輕鋼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點剛度大，可假定其節(jié)點為剛性節(jié)點，又發(fā)現(xiàn)采用直板形連接節(jié)點的輕鋼鋼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點剛度小，其節(jié)點變形不容忽略，應(yīng)采用半剛性節(jié)點的假設(shè)。結(jié)合試驗進行結(jié)構(gòu)力學教學的方法，對學生具有啟發(fā)性，強化了結(jié)構(gòu)力學教學的實踐性。圖6為裝配式雙L形帶斜肋節(jié)點輕型鋼管混凝土梁柱框架水平加載試驗及其裝置，圖7為圖6試驗完成后雙L形帶斜肋節(jié)點區(qū)域顯現(xiàn)的剛性形狀，圖8為另一輕鋼框架試驗，即直板形連接節(jié)點輕型鋼管混凝土梁柱框架水平加載試驗后的節(jié)點區(qū)域變形性狀，其節(jié)點變形是明顯的，在力學計算中節(jié)點變形的影響不可忽略。

圖6雙L形帶斜肋節(jié)點輕鋼框架試驗圖7雙L形帶斜肋節(jié)點圖8直板形節(jié)點四、結(jié)語

結(jié)構(gòu)力學教學的全過程結(jié)合典型工程實踐問題，使學生在接觸較為抽象的結(jié)構(gòu)力學理論知識時，有工程實踐的依托，并將結(jié)構(gòu)力學學習與后續(xù)專業(yè)課程學習相貫通，增強了學生學習結(jié)構(gòu)力學的興趣，提高了學生學習結(jié)構(gòu)力學課程的主動性，啟迪了學生的創(chuàng)新思維，提高了學生的創(chuàng)新能力，有助于學生在以后的學習和實踐中有意識地運用結(jié)構(gòu)力學知識來解決工程實際問題。

參考文獻：

[1]周臻，陸金鈺，尹凌峰，等.面向卓越土木工程師培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)力學教學改革與實踐[J].高等建筑教育，2012，21（4）：74-77.

[2]袁健，丁科.結(jié)合專業(yè)課程知識的結(jié)構(gòu)力學教學方式探討[J].高等建筑教育，2011，20（2）：56-58.