結構力學求解器在中職《土木工程力學基礎》課程中應用與思考

歐永健 （江蘇省盱眙中等專業(yè)學校，江蘇 淮安 211700）

0 前言

《土木工程力學基礎》是中等職業(yè)學校等建筑施工技術相關專業(yè)的基礎核心課程，是學習建筑施工技術相關專業(yè)學生未來能夠達到從事施工員、監(jiān)理員、安全員、鋼筋工、材料試驗工等職業(yè)崗位必備的需求、獲取相關職業(yè)資格證書所必修的課程。因此，學習好本門課程對于中等職業(yè)學校學生顯得尤為重要。借助結構力學求解器計算機軟件，可以彌補力學基礎課程缺乏試驗平臺設置空缺，從日常教學過程來看，可以調動中職學生學習力學基礎的主動性，從職業(yè)發(fā)展長遠來看，能提高中職學生在今后工作、考職業(yè)資格證等方面的處理基礎力學問題能力，對提高施工質量有益處。

1 結構力學求解器基本介紹

結構力學求解器（SM-Solver）是由清華大學土木系結構力學教研室研制，這款計算機軟件初衷就是面向教育教學改革而設計開發(fā)，主要面向教師、學生及工程技術人員，協(xié)助他們輔助分析計算問題。該軟件的精髓是“將繁瑣交給求解器，我們留下創(chuàng)造力！”。該軟件打開之后包含兩方面：觀覽器與編輯器。該軟件界面內容、功能完整通用、交互性強，可為教師設題、改題等，可為學生做題、校驗等，貫徹工程技術人員設計、計算以及驗算等全過程?？傊摽钴浖茉谖覀兟殬I(yè)教育教學中發(fā)揮其獨特的作用。

2 學生分析

中職學校學生有著十分愿意動手去嘗試新鮮事物的天然優(yōu)勢，在動手的過程中能夠發(fā)現(xiàn)問題并善于在教師幫助下尋求解決問題方法。學生對計算機熟悉、操作本領也強，在學校計算機房教授學生使用結構力學求解器解決課程中簡化的工程問題，所有學生都能夠跟著老師去操作，并能在實踐中提出問題。當學生能夠獨立解決求解出結果后，學生都倍感興奮，掌握構建內力分布也對他們后續(xù)學習其他專業(yè)課程有益。一句話，借助結構力學求解器能夠使中職學生在學習力學基礎課程中真正實現(xiàn)“做中學”。

3 結構力學求解器在《土木工程力學基礎》課程中應用舉例

受彎構件是土木工程中最常見的構件之一，主要是以彎曲變形為主。在實際工程中，需要對受彎構件實際情況進行簡化，抓住受彎構件基本特點，忽略其次要的細節(jié)，用一個簡化圖形來代替實際的結構，構建力學計算簡圖。

在工程中，熟練掌握繪制與應用受彎構件沿著梁軸線分布的剪力和彎矩是一個教學重點與難點，讀取受彎構件剪力與彎矩的最大值、以及最大值所在的橫截面位置，有助于一線施工人員理解圖紙的設計意圖，從而指導人員采用正確施工方法等。

接下來，以一個案例來說明如何使用結構力學求解器在中職《土木工程力學基礎》課程中具體應用與思考。

例題：如圖所示鋼結構外伸梁，已知F=5kN，q=4kN/m，材料為熱軋工字鋼36a（質量按缺省計算），試著繪制該梁的內力圖。

圖1 力學計算簡圖

3.1 結構力學求解器設置過程

（編輯器點擊菜單“命令”）問題定義→變量定義→結點設置→單元→支座約束→荷載條件→材料性質。求解內力過程為：（編輯器點擊菜單“求解”）內力計算。求解位移過程為：（編輯器點擊菜單“求解”）位移計算。主要設置過程：

①結點定義：結點碼為 1，2，3，4 分別對應 A、B、C、D，結點 1 坐標為原點（0，0），結點 2 坐標為（2m，0），結點 3 坐標為（8m，0），結點 4 坐標為（10m，0）。結點設置完成。

②單元定義：單元1～單元3（對應AB、BC、CD），連接方式均為剛結。

③支座約束：結點2處支座類型為（3）鉸支2，支座性質為剛性，其他默認。結點3出支座類型為（1）支桿，支座性質為剛性，其他默認。

④荷載條件：結點1處類型為（1）集中力，大小為5kN，方向為-90°。結點4出類型為（1）集中力，大小為5kN，方向為-90°。單元2類型為（3）均布荷載，沿桿軸方向，大小為4kN，方向為90°，起點距桿端為0，終點距桿端為1。

⑤材料性質：單元1～單元3抗彎剛度EI=32548kN×m×m，其他默認。

3.2 編輯器內交互式命令說明行自動生成步驟內容

①TITLE，外伸梁探究；

②變量定義，EI=32548；

③結點，1，0，0；

④結點，2，2，0；

⑤結點，3，8，0；

⑥結點，4，10，0；

⑦單元，1，2，1，1，1，1，1，1；

⑧單元，2，3，1，1，1，1，1，1；

⑨單元，3，4，1，1，1，1，1，1；

⑩結點支承，2，3，0，0，0；

[11]結點支承，3，1，0，0；

[12]結點荷載，1，1，5，-90；

[13]結點荷載，4，1，5，-90；

[14]單元荷載，2，3，4，0，1，90；

[15]單元材料性質，1，3，-1，EI，0，0，-1；

[16]END。

3.3 觀覽器自動生成彎矩與剪力圖

圖2 觀覽器——M圖（kN·m）

圖3 觀覽器——Fs圖（kN）

3.4 內力計算輸出表

桿端1外伸梁內力計算 表1

桿端2外伸梁內力計算 表2

見表1、表2所示。

4 使用結構力學求解器注意點

①在編輯器中設置時要統(tǒng)一單位，如kN、m、kN·m 等。如點A到B距離為2m，集中荷載力為5kN。

②結點設置。在支座處、在集中荷載力處、桿件端處等要設置結點。建議從左向右，從原點（0，0）開始設置。

③結構力學求解器是一種學習工具。該軟件能激發(fā)學生學習力學興趣，增強學生力學學習趣味性，但是在學習過程中仍不能完全代替筆與紙運算過程，只有將最基礎知識掌握后，才能對其中的原理加以理解。

5 結論

上述舉例說明結構力學求解器（SM-Solver）是一款簡單易學的“傻瓜”軟件，能吸引中職學生的興趣，它將在培養(yǎng)學生能力素養(yǎng)方面起到很大的幫助作用。借助結構力學求解器，學生可以像在做“游戲”中將抽象的力學知識以直觀形式表達出來，明白力學計算簡圖形成原理，感受到“力”的存在。借助結構力學求解器，能夠充分調動學生學習工程力學的積極性，增強其自信心。借助結構力學求解器，能夠充分發(fā)揮教師主導作用，指導學生解決實際問題，提高力學教學效率，增強教師授課的生動性。因此，在教授力學相關知識過程中，應積極推廣使用該軟件，才能使學生“寓教于樂”、實現(xiàn)在“做中學”。