《鋼結構》課程教學改革研究

段瑋瑋，高華喜，田美靈

（浙江海洋學院船舶與建筑工程學院，浙江舟山 316000）

《鋼結構》課程是土木工程專業的專業必修課程之一，與其它結構類課程一樣，是一門理論性與實踐性都較強的應用學科課程。本課程主要研究鋼結構的主要性能，包括材料、構件、連接和節點的性能和承載能力計算原理和方法[1]。由于課程內容多，理論應用性強，涉及的規范條文多，而學生平時能接觸的鋼結構工程實例較少，學生普遍缺乏感性認識，學習起來感覺吃力。同時，根據本學院新的專業設置目錄要求，本課程總學時大幅下降，為32+4學時，其中32學時的理論教學，4學時的試驗教學。為能在有限的學時內高質量地完成本課程的教學任務，在整個教學過程中，可以采取以下對策和措施，進行相應教學改革。

1 教學方法改革，多媒體教學

32學時的理論教學，單純采用傳統的“黑板+粉筆”教學方式，難以完成相關教學任務。同時，鋼結構課程教學內容中試驗過程多，結構圖形多，內容抽象，口頭表達困難；書本上的插圖大多也是三視圖，對于空間想象能力差的學生，學習起來難度太大。針對以上種種，采用多媒體教學方法，制作PPT課件，授課時將各種復雜的公式、圖片等用投影展示出來一一講解；同時，對于難以理解的鋼節點構造圖、鋼構件破壞過程等，采用三維實體圖形或動畫展示出現，直觀，形象，信息量大，使學生在聽覺、視覺上受到直接的刺激，既增加了學生的感性認識，又加深了理性認識，也充分調動了學生的學習積極性，在減少板書的同時，提高了教學效率。

2 教學內容改革，知識點取舍

《鋼結構》課程教學時間為大三下學期，在學習本課程之前，學生已進行了三大力學、土木工程材料與混凝土結構設計原理等其它專業課程的學習。在鋼結構課程的教學過程中，處理好本課程與這些先修課程及相關課程的關系，做好知識點的取舍工作，將有助于學生了解本課程的特點、熟練掌握本課程的重點內容，也有助于減少本課程的講授工作，從而達到事半功倍的效果。

2.1 與其它課程相重復的內容從簡講授

《鋼結構》課程中有些內容在其它課程中已學過，對這些內容可適當從簡講授，如：

（1）鋼結構的極限狀態和概率極限狀態法，這部分內容屬于所有結構類課程所共有的，在《荷載與結構設計方法》課程中已學過，可以從簡講授。但講授過程中，要提醒學生注意鋼結構承載能力計算時的分項系數表達式為應力表達式，與混凝土結構等其它結構的荷載效應—結構抗力表達式不太相同。

（2）鋼結構的材料這章，是本課程的重要基礎內容之一，其中大部分內容在《土木工程材料》等課程中進行了相關學習，故這部分內容可以從簡講授。本章應重點講授如何防止鋼結構發生脆性破壞，讓學生了解塑性材料在某些因素的影響下也會發生脆性破壞，使學生明確“塑性材料”和“塑性破壞”是兩種不同的概念。

2.2 與其它課程相關的內容對照講授

《鋼結構》課程作為結構類課程之一，與《混凝土結構設計原理》等課程在某些知識點上有相關性，對照講解，既可以使學生學會對不同結構材料和結構形式作方案比選，又可以使學生對相關知識點加深印象、加強理解。如：

（1）鋼結構的特點部分，可以對比混凝土結構，介紹鋼材的強度高、鋼結構的質量輕、材質均勻、制造簡單，但是耐腐蝕性差和耐火性差等。在對比講解的同時，要強調由于鋼材的強度高，所以做成的構件截面小而壁薄，這樣將導致構件過分細長，出現失穩現象。而鋼結構的設計計算中，穩定問題非常重要，要嚴格控制。對比鋼筋混凝土結構，為避免構件出現失穩現象，一般采用限制長細比的方式來解決，如在軸心受壓構件中，限制截面最小邊長不宜小于250 mm，構件長細比一般為15左右，不宜大于30[2]。鋼結構，強度高，如果長細比限制過低，則很不經濟，所以控制失穩現象就是通過穩定性驗算來解決的。

（2）受彎構件是結構的基本構件之一，其中簡支梁是我們的常用簡化模型。在簡支梁端部彎矩M和剪力V的共同作用區梁軸線附近，會產生與梁軸線大約成45°角且相互垂直的主拉應力和主壓應力。對于鋼筋混凝土梁來說，由于混凝土材料的各向異性特征，其抗壓強度較高，而抗拉強度較低，起控制作用的是主拉應力，在這樣的主拉應力作用下，將出現較大的斜裂縫；為防止構件發現斜截面破壞，一般需配置腹筋，包括箍筋或彎起鋼筋。但對于鋼梁，由于鋼材屬于各向同性體，其抗拉、抗壓強度相等，梁腹板在主拉應力的作用下，通常具有足夠的強度，而起控制作用的將是主壓應力，在梁腹板較薄的情況下可能導致局部壓屈；為防止梁腹板發生局部失穩現象，在腹板高厚比較大時，一般要在腹板上配置橫向加勁肋[3]。

2.3 重、難點內容充分講解

在鋼結構課程的講授過程中，應重視以下重、難點，適當多安排學時，使學生能較好地掌握相關內容。

（1）單個構件的承載能力——穩定性

如前所述，由于鋼材的強度高、質量輕，構件截面小而壁薄，與其它結構構件相比，穩定計算問題就較為突出。在多年的教學體會中，總結出在此類問題上學生較難掌握和容易出錯：

①“穩定”的概念較為模糊，尤其是“穩定”與“強度”概念的區分。

雖說有關穩定的相關知識，在《材料力學》課程中已進行了學習，但是大家對此知識點應用于實際的工程設計，概念還是十分模糊。而由于鋼筋混凝土構件主要考慮強度控制因素，通過《混凝土結構設計原理》課程的學習，學生對強度設計概念相對較熟。所以講解鋼構件的穩定承載力時，從強度概念入手，對比分析。如：軸心受壓構件強度驗算公式為，而穩定性驗算公式為從形式上來看，兩個公式極為相似，但是我們必須強調它們的本質不同，即構件的強度驗算公式針對的是構件受力截面最大截面上的應力，屬于應力問題；而穩定驗算公式盡管形式上驗算的也是某一截面上的應力，但它針對的是整個構件而言，不是針對構件的某個截面，這所有的區別即源于反應構件整體情況的穩定系數φ[4]。

②構件失穩的物理現象難以憑平面圖形想象。

書本上構件的失穩現象都是通過文字和平面圖形加以說明的，由于缺乏實體的直觀觀察，學生難以理解。所以，在講解構件失穩的物理現象時，必須借助動畫、試驗錄像等，使學生獲得直觀印象，加強對梁的整體穩定性、壓彎構件的平面內穩定性和平面外穩定性等概念的理解。

③構件整體穩定與局部穩定關系的理解。

為了提高構件的整體穩定性，在設計組合截面鋼構件時，常采用截面開展而壁厚較薄的截面形式，而這樣設計，又會由于構件翼緣的寬厚比、腹板的高厚比過大而發生局部失穩現象。所以，組合截面鋼構件的整體穩定與局部穩定是一對相互制約的矛盾條件，在講解組合截面的設計時，要加強兩種穩定性的相關分析，以利于學生良好處理這一矛盾條件，設計出經濟合理的構件截面。

（2）鋼結構的連接和節點構造

鋼結構良好的連接和節點處理是保證鋼結構良好受力的基礎。與其它結構類課程一樣，我們在講解這部分內容時，不能只重視計算，而忽略構造要求。在講解之前，可以先通過工程實例，引導學生了解連接構造處理不當的構件、節點往往是造成工程事故的隱患。講解過程中，再反復強調連接、節點構造的重要性。如：強調焊縫設計時，盡量避免出現需仰焊施工的焊縫形式；強調鋼材種類與焊接方式、焊條型號的匹配；強調在鋼板寬度和厚度有變化的連接中，要采用斜坡的形式平緩過渡，以減少應力集中；強調連接設計時避免鋼板垂直于板厚方向受力，以防層間撕裂等[1]。

3 教學形式改革，走出教室之外

鋼結構的發展日新月異，單靠課堂教學，難以跟進時代的發展。所以，要鼓勵學生利用教室之外的學習，積累豐富資源。

（1）充分利用4學時的試驗教學過程，加強學生對書本知識的理解。

結構類課程，理論性、實踐性都強，在課堂理論教學之余，安排4課時的試驗教學，既可以加強學生的動手能力，又可以使學生對書本上的相關原理有更為直觀的了解。試驗過程中，環境條件的改變，會造成相應的試驗誤差，學生通過對試驗結果的分析總結，可以學會知識的靈活運用。

（2）走出校園，走進工地現場。

再多的理論分析，最終也必須經歷施工現場的實踐，才能變為現實的實體結構。所以，教室之外，通過工地現場參觀、實習、技能訓練等，既可以使學生加深對書本理論知識的理解，又可以使學生加強實際操作能力的鍛煉。如：《鋼結構》課程設計為一榀鋼屋架的設計，沒有走進現場，部分學生就無法理解所要設計的這榀鋼屋架，跟整體屋蓋體系是怎樣一個關系；而到現場，直觀的學習，什么是桁架，什么是屋蓋體系，什么是柱子，什么是梁，什么是加勁肋，等等，一目了然。

（3）重視網絡資源，加強綜合應用。

21世紀網絡資源發達，國家級、省級、校級精品課程繁多，資源豐富，在課堂教學之外，介紹西安建筑科技大學、同濟大學、華南理工大學等學校的鋼結構精品課程網站，介紹中華鋼結構論壇等專業論壇給學生，讓學生在教室之外，加強自主學習，去尋找書本上沒有的、自己感興趣的知識，以拓展自己的知識面。

（4）手算之外，加強電算知識的了解。

鋼結構的課堂教學，一般圍繞著鋼結構基本原理，進行鋼構件的手算設計法講解。課堂之外，向學生介紹一些結構設計軟件，如3D3S、PKPM、Sap2000、Midas、Ansys等，讓學生加強軟件方面的了解，以便更早地適應就業需求。

4 結語

鋼材易于回收，屬于節能環保型材料，符合現在的“低碳建筑”要求。而隨著我國鋼產量的快速增長，我國鋼結構的應用趨勢，已經從最初的“節約鋼材”階段，發展到后來的“合理使用鋼材”階段，然后進入現在的“大力發展鋼結構”階段。鋼結構的快速發展，急需一批具有鋼結構設計和施工能力的技術人員。作為一名土木工程專業《鋼結構》課程的主講教師，如何提高鋼結構課程教學效果和教學質量，使學生掌握必要的知識，得到全面的鍛煉，畢業后能較快勝任鋼結構設計或施工工作，是我必須思索的。在教學改革的道路上，筆者才剛剛起步，在今后的教學過程中，還需進一步探索，以將更多的新知識、新方法傳授給學生，使學生獲益。

[1]陳紹蕃,顧 強.鋼結構：上冊——鋼結構基礎[M].第2版.北京:中國建筑工業出版社,2007.

[2]沈蒲生.混凝土結構設計原理[M].第3版.北京:高等教育出版社,2007.

[3]方 恬.鋼結構教學法淺論[J].蘇州城市建設環境保護學院學報,2002,4（2）：72-75.

[4]夏志斌,姚 謙.鋼結構:原理與設計[M].北京:中國建筑工業出版社,2004.