橋梁工程教學中若干能力培養的探索

曾勇等

摘要：

為適應土木工程專業培養方案的需要和橋梁工程自身特點，在橋梁工程教學中結合相應教學知識點的講授，增強美學、力學分析、防災減災、極端事件、工程風險等能力的培養，提高學生學習興趣，增強學生將理論知識和工程實踐密切聯系的能力，培養素質高和創新能力強的橋梁工程專業學生。

關鍵詞：橋梁工程； 防災減災；美學；能力培養

中圖分類號：G6420 文獻標志碼：A 文章編號：

10052909（2014）02006604

橋梁工程是土木工程專業的一門必修課，也是道路橋梁工程專業的核心課程，包含了理論力學、材料力學、結構力學、橋涵水文、結構設計原理等專業基礎課的內容。

橋梁工程是一門實踐與理論并重的專業技術課[1]，除了激發學生對橋梁工程的興趣，激發學生的積極性和創造性，提高教學質量以外，在講授理論知識時還應注意與施工工程背景相結合[2]。為適應土木工程專業培養方案的需要和橋梁工程自身特點，在課堂講授中應適當增加防災減災、美學、風險意識等內容，以提升學生的專業素質，加強實際工程能力培養。

一、人文美學思想的熏陶

按百科全書的定義，橋梁是跨越障礙（河流、峽谷、道路等）的結構工程物。曾有人說：橋梁是土木工程皇冠上的明珠[3]。這是因為橋梁的形式多樣，給工程師無限的創造空間，進而體現了工程師對他所蘊育的結構的理解和熱愛?！爱斖恋嘏c土地被水分割的時候，當道路被水截斷的時候，智慧的人類佇立在水邊，于是產生了橋?？嘤诎仙娴娜祟?，應該感謝橋（艾青，1934年）”。橋梁與人文美學也有著天然的聯系，在橋梁工程教學中引入美學思想，可以激起學生的學習興趣和求知欲望，更好地理解橋梁，進而提高學生的審美情趣。

在橋梁工程課程的“拱橋現狀與發展”這一知識點中，引入趙州橋與盧溝橋2個實例。課堂講授時，突出趙州橋造型美觀、堅固穩重、構思新穎和雄偉秀麗等特點，以其高超的建筑藝術，使人們得到一種美的享受，從而獲得了世界

聲譽。盧溝橋不僅布局合理、宏偉壯觀，欄桿上雕刻近500個石獅形態各異，堪稱一絕，而且還具有歷史意義和愛國主義教育意義。通過這些經典橋例的介紹，不僅完成了橋梁工程知識點的講授，也提升了學生的審美情趣，激發了學生的歷史使命感，增強了教學效果。

二、力學與數學在橋梁工程中的完美展現

三大力學（理論力學、材料力學和結構力學）是土木工程專業的專業基礎課程。按橋梁的結構體系進行分類的梁橋、拱橋、斜拉橋和懸索橋等4大類型中，都完美地體現著力學的光輝。如梁橋是以受彎為主；拱橋是以受壓為主；斜拉橋的斜拉索以受拉為主，塔和梁則以受壓彎為主；懸索橋以受拉為主。拉、壓、剪、彎、扭等5種受力情況則是材料力學課程的核心。在橋梁工程教學中，可以時時展現橋梁結構的力學美。

為了突出教學效果，在課堂教學時，需要引入一些具體的橋梁，來完美體現力學美感。在介紹無背索斜拉橋這一知識點時，必要時引入西班牙阿拉米羅橋（見圖1）或者國內的長沙洪山廟大橋。通過斜拉橋沒有背索時如何保持自身穩定的提問，引發學生思考與想象，然后通過引入理論力學課程力的平行四邊形法則或高等數學的矢量合成運算法則，解釋無背索傾斜橋塔節段在自重和拉索拉力的作用下，自重和拉力合成后的力沿斜向橋塔的軸線方向，保證了橋塔不會出現較大的偏移彎矩，充分發揮了橋塔的抗壓性能。通過這些知識點的講解不僅讓學生深刻理解斜拉橋的構造與受力，還能激發學生的思考欲和求知欲。

在拉索的最佳角度這一知識點的講授中，需要求解sin2α·cosα的最大值。當拉索對主梁的支撐剛度最大時，對應于α→55°，這里需要用到高等數學的求解極值問題。在實腹式拱橋的合理拱軸線的這一知識點講授中，推導拱軸線方程則需要微分方程的知識，最后推導的拱軸線方程是一個高度簡潔和美觀的公式，即懸鏈線方程。

在拉索的空間布置這一知識點的講授中，針對單索面斜拉橋如何保持穩定，課堂講授時，可以先介紹三角形是幾何不變體系，該體系受到荷載作用后，在不考慮體系應變的前提下，能保持其幾何形狀和位置不變，而不發生剛體形式的運動。再介紹由拉索、索塔和主梁組成的三角形構成了斜拉橋的幾何不變體系（見圖2），這部分又與結構力學的內容結合。所以對單索面斜拉橋而言，在平面內它是穩定的，但是對于空間而言，由于是單索面，拉索不能提供橫向的抗彎剛度和抗扭剛度，則需要靠主梁自身的剛度來提供。

三、防災減災意識的培養

在一些高校中，工程防災減災往往是研究生的公共選修課，本科教育中并不開設這門課。盡管在本科階段增設專門的防災減災課程是不現實的，但在課程教學中結合相應的知識點來培養學生的工程防災減災意識卻十分必要。土木工程專業在校大學生作為未來土木工程領域的后備軍，應具備一定的防災減災意識，關注自然災害問題，做好初步的專業知識儲備和思想觀念準備。隨著自然災害對橋梁結構的影響越來越明顯，自然災害出現的幾率也越來越大。在橋梁工程課程的講授過程中，結合拱橋構造和施工、吊桿的防護、斜拉橋的臨時支承、拉索防振等知識點的講授，在課程教學中引入防災減災意識是十分必要的。

在講授橋位選擇時，讓學生了解各種主要自然災害發生條件和誘發規律對橋梁選址和規劃論證的影響，以及如何科學設計并建造抗災能力強的橋梁結構。某場自然災害發生后可安排學生查閱相關互聯網和報刊信息，分析災害產生的原因與損失，讓學生真實地感受自然災害給人們帶來的危害[4]。還可讓學生體會到，雖然自然災害具有隨機性和低概率性，但是一旦發生則破壞力嚴重，因此，在橋梁設計時需發揮主觀能動性，注重橋梁的防災能力，把自然災害損失降到最低程度。雖然《橋梁工程》教材含有斜拉橋抗震、抗風等內容，但是由于課時和教學要求等客觀條件限制，對這部分內容講授課時較少，基本不涉及理論計算，防災減災對策也講得少，因此學生對工程抗災知之甚少。其實這部分內容是培養學生防災減災意識的平臺，通過這部分知識的講授可以使學生的工程防災認識從感性階段上升到理性階段。

在課堂教學過程中，為了讓學生更容易地接受和掌握知識，應盡可能結合實際工程設計，組織教學內容，采用靈活多樣的教學形式。結合教學內容，組織學生到施工現場參觀，或者畢業實習時在工地現場，讓學生了解工程抗災的措施等，使學生具有工程防災減災的直觀概念。

四、極端事件的初步認識

全球氣候變化將導致越來越頻繁的極端氣候事件，這對土木工程結構的安全和管理提出了新的更大挑戰。大風、暴雨、暴雪、極端氣溫和溫度驟變等極端氣候會對橋梁材料和結構安全產生較大影響。極端氣候事件將增大作用效應的強度和頻率，改變橋梁的服役環境，對橋梁的耐久性能產生不可忽略的影響[5]。在講授拱橋和斜拉橋懸臂施工時，可引入大風等極端氣候事件對橋梁懸臂施工安全及安裝精度的影響以及可能造成的后果，見圖3。在講授拱橋的勁性骨架施工時，有必要引入極端暴雨或暴雪對鋼管勁性骨架的腐蝕影響。在講授拱橋計算中主拱溫度變化產生的附加內力時，可以結合重慶的氣候特點，講授近幾年來重慶的極端氣溫，分析其對拱橋內力產生的影響。在講授拱橋計算中拱腳變位產生的附加內力時，可引入暴雨和洪水對地基沉降的影響。

“9·11”恐怖襲擊事件對美國造成了巨大的損失（見圖4），也給橋梁工程界敲響了警鐘[6]。交通運輸體系中的橋梁由于社會影響廣泛，一旦被破壞會造成嚴重后果，也極有可能成為恐怖分子的襲擊目標。在講授斜拉橋的拉索或中下承式拱橋的吊桿時，針對橋梁易損壞的關鍵構件——拉索或吊桿，引入極端事件（如恐怖襲擊），讓學生

對橋梁結構安全的意義有初步的感性認識。

五、工程風險意識的培養

風險，即潛在損失的不確定性或與預期目標的差異。風險客觀存在，可通過一定的措施降低風險損失，但卻無法徹底消除[6]。風險是在一定的時期內，由于系統行為的不確定性（主要指發生了意料之外的事故）給人類可能帶來的危害。這里所指的危害主要包括經濟損失、人員傷亡和環境破壞三個方面，其他危害還包括政治、社會和文化等方面，風險分析的一個重要目的就是盡可能定量地考察意外事故對上述諸方面的影響。這部分可以結合拱橋和斜拉橋的橋位選擇處引入，讓學生有初步的風險認識，也可以在斜拉橋抗震措施的知識點處進行必要的簡介。在斜拉橋的索塔構造中，其中的一種是雙柱式索塔形式，如厄勒海峽大橋的橋塔，見圖5。在講授該種索塔時，不僅需要講授它的獨特之處——橋面以上索塔的塔柱之間沒有橫向聯系，還要介紹它可以用在防止恐怖襲擊的特殊橋址環境中。因為雙柱式索塔的塔柱之間沒有橫向聯系，雖然降低了橫向穩定性，但是一個塔柱受到了恐怖襲擊的破壞而發生倒塌，則不會危及其他的塔柱，斜拉橋仍能保持自身穩定，從而達到了保護生命安全的效果。

六、結語

在橋梁工程教學中，結合相關知識點講授增強學生的美學意識、力學分析能力，以及防災減災、極端事件、工程風險等方面的應對能力，培養有創新能力和實踐精神的橋梁工程專業的高素質學生，以適應當前橋梁建設的快速發展和人才需求。在平時的橋梁工程教學中，增強學生將理論知識與工程實踐密切聯系的能力，培養學生的專業素養，提高學生的學習興趣，豐富課堂教學，對課程教學有較大的現實意義。

參考文獻：

[1]曹曉川，周兵.與工程檢測相結合的“橋梁工程”課程實踐教學改革探討[J]. 重慶交通大學學報：社會科學版，2009（8）：116-118.

[2]張鵬，李清富.橋梁工程課程教學改革探討[J].高等建筑教育，2009，18（6）：71-74.

[3]周水興.橋梁工程 [M].2版.重慶：重慶大學出版社，2011.

[4]許福友，陳紅梅，黃才良，等.土木工程專業大學生工程防災減災意識強化[J].科技創新導報，2009，14：222-224.

[5]王元豐，韓冰.極端氣候事件對橋梁安全性的影響分析[J].土木工程學報，2009， 42（3）：76-80.

[6]阮欣，陳艾榮，石雪飛.橋梁工程風險評估[M].北京：人民交通出版社，2008.

在課堂教學過程中，為了讓學生更容易地接受和掌握知識，應盡可能結合實際工程設計，組織教學內容，采用靈活多樣的教學形式。結合教學內容，組織學生到施工現場參觀，或者畢業實習時在工地現場，讓學生了解工程抗災的措施等，使學生具有工程防災減災的直觀概念。

四、極端事件的初步認識

全球氣候變化將導致越來越頻繁的極端氣候事件，這對土木工程結構的安全和管理提出了新的更大挑戰。大風、暴雨、暴雪、極端氣溫和溫度驟變等極端氣候會對橋梁材料和結構安全產生較大影響。極端氣候事件將增大作用效應的強度和頻率，改變橋梁的服役環境，對橋梁的耐久性能產生不可忽略的影響[5]。在講授拱橋和斜拉橋懸臂施工時，可引入大風等極端氣候事件對橋梁懸臂施工安全及安裝精度的影響以及可能造成的后果，見圖3。在講授拱橋的勁性骨架施工時，有必要引入極端暴雨或暴雪對鋼管勁性骨架的腐蝕影響。在講授拱橋計算中主拱溫度變化產生的附加內力時，可以結合重慶的氣候特點，講授近幾年來重慶的極端氣溫，分析其對拱橋內力產生的影響。在講授拱橋計算中拱腳變位產生的附加內力時，可引入暴雨和洪水對地基沉降的影響。

“9·11”恐怖襲擊事件對美國造成了巨大的損失（見圖4），也給橋梁工程界敲響了警鐘[6]。交通運輸體系中的橋梁由于社會影響廣泛，一旦被破壞會造成嚴重后果，也極有可能成為恐怖分子的襲擊目標。在講授斜拉橋的拉索或中下承式拱橋的吊桿時，針對橋梁易損壞的關鍵構件——拉索或吊桿，引入極端事件（如恐怖襲擊），讓學生

對橋梁結構安全的意義有初步的感性認識。

五、工程風險意識的培養

風險，即潛在損失的不確定性或與預期目標的差異。風險客觀存在，可通過一定的措施降低風險損失，但卻無法徹底消除[6]。風險是在一定的時期內，由于系統行為的不確定性（主要指發生了意料之外的事故）給人類可能帶來的危害。這里所指的危害主要包括經濟損失、人員傷亡和環境破壞三個方面，其他危害還包括政治、社會和文化等方面，風險分析的一個重要目的就是盡可能定量地考察意外事故對上述諸方面的影響。這部分可以結合拱橋和斜拉橋的橋位選擇處引入，讓學生有初步的風險認識，也可以在斜拉橋抗震措施的知識點處進行必要的簡介。在斜拉橋的索塔構造中，其中的一種是雙柱式索塔形式，如厄勒海峽大橋的橋塔，見圖5。在講授該種索塔時，不僅需要講授它的獨特之處——橋面以上索塔的塔柱之間沒有橫向聯系，還要介紹它可以用在防止恐怖襲擊的特殊橋址環境中。因為雙柱式索塔的塔柱之間沒有橫向聯系，雖然降低了橫向穩定性，但是一個塔柱受到了恐怖襲擊的破壞而發生倒塌，則不會危及其他的塔柱，斜拉橋仍能保持自身穩定，從而達到了保護生命安全的效果。

六、結語

在橋梁工程教學中，結合相關知識點講授增強學生的美學意識、力學分析能力，以及防災減災、極端事件、工程風險等方面的應對能力，培養有創新能力和實踐精神的橋梁工程專業的高素質學生，以適應當前橋梁建設的快速發展和人才需求。在平時的橋梁工程教學中，增強學生將理論知識與工程實踐密切聯系的能力，培養學生的專業素養，提高學生的學習興趣，豐富課堂教學，對課程教學有較大的現實意義。

參考文獻：

[1]曹曉川，周兵.與工程檢測相結合的“橋梁工程”課程實踐教學改革探討[J]. 重慶交通大學學報：社會科學版，2009（8）：116-118.

[2]張鵬，李清富.橋梁工程課程教學改革探討[J].高等建筑教育，2009，18（6）：71-74.

[3]周水興.橋梁工程 [M].2版.重慶：重慶大學出版社，2011.

[4]許福友，陳紅梅，黃才良，等.土木工程專業大學生工程防災減災意識強化[J].科技創新導報，2009，14：222-224.

[5]王元豐，韓冰.極端氣候事件對橋梁安全性的影響分析[J].土木工程學報，2009， 42（3）：76-80.

[6]阮欣，陳艾榮，石雪飛.橋梁工程風險評估[M].北京：人民交通出版社，2008.

在課堂教學過程中，為了讓學生更容易地接受和掌握知識，應盡可能結合實際工程設計，組織教學內容，采用靈活多樣的教學形式。結合教學內容，組織學生到施工現場參觀，或者畢業實習時在工地現場，讓學生了解工程抗災的措施等，使學生具有工程防災減災的直觀概念。

四、極端事件的初步認識

全球氣候變化將導致越來越頻繁的極端氣候事件，這對土木工程結構的安全和管理提出了新的更大挑戰。大風、暴雨、暴雪、極端氣溫和溫度驟變等極端氣候會對橋梁材料和結構安全產生較大影響。極端氣候事件將增大作用效應的強度和頻率，改變橋梁的服役環境，對橋梁的耐久性能產生不可忽略的影響[5]。在講授拱橋和斜拉橋懸臂施工時，可引入大風等極端氣候事件對橋梁懸臂施工安全及安裝精度的影響以及可能造成的后果，見圖3。在講授拱橋的勁性骨架施工時，有必要引入極端暴雨或暴雪對鋼管勁性骨架的腐蝕影響。在講授拱橋計算中主拱溫度變化產生的附加內力時，可以結合重慶的氣候特點，講授近幾年來重慶的極端氣溫，分析其對拱橋內力產生的影響。在講授拱橋計算中拱腳變位產生的附加內力時，可引入暴雨和洪水對地基沉降的影響。

“9·11”恐怖襲擊事件對美國造成了巨大的損失（見圖4），也給橋梁工程界敲響了警鐘[6]。交通運輸體系中的橋梁由于社會影響廣泛，一旦被破壞會造成嚴重后果，也極有可能成為恐怖分子的襲擊目標。在講授斜拉橋的拉索或中下承式拱橋的吊桿時，針對橋梁易損壞的關鍵構件——拉索或吊桿，引入極端事件（如恐怖襲擊），讓學生

對橋梁結構安全的意義有初步的感性認識。

五、工程風險意識的培養

風險，即潛在損失的不確定性或與預期目標的差異。風險客觀存在，可通過一定的措施降低風險損失，但卻無法徹底消除[6]。風險是在一定的時期內，由于系統行為的不確定性（主要指發生了意料之外的事故）給人類可能帶來的危害。這里所指的危害主要包括經濟損失、人員傷亡和環境破壞三個方面，其他危害還包括政治、社會和文化等方面，風險分析的一個重要目的就是盡可能定量地考察意外事故對上述諸方面的影響。這部分可以結合拱橋和斜拉橋的橋位選擇處引入，讓學生有初步的風險認識，也可以在斜拉橋抗震措施的知識點處進行必要的簡介。在斜拉橋的索塔構造中，其中的一種是雙柱式索塔形式，如厄勒海峽大橋的橋塔，見圖5。在講授該種索塔時，不僅需要講授它的獨特之處——橋面以上索塔的塔柱之間沒有橫向聯系，還要介紹它可以用在防止恐怖襲擊的特殊橋址環境中。因為雙柱式索塔的塔柱之間沒有橫向聯系，雖然降低了橫向穩定性，但是一個塔柱受到了恐怖襲擊的破壞而發生倒塌，則不會危及其他的塔柱，斜拉橋仍能保持自身穩定，從而達到了保護生命安全的效果。

六、結語

在橋梁工程教學中，結合相關知識點講授增強學生的美學意識、力學分析能力，以及防災減災、極端事件、工程風險等方面的應對能力，培養有創新能力和實踐精神的橋梁工程專業的高素質學生，以適應當前橋梁建設的快速發展和人才需求。在平時的橋梁工程教學中，增強學生將理論知識與工程實踐密切聯系的能力，培養學生的專業素養，提高學生的學習興趣，豐富課堂教學，對課程教學有較大的現實意義。

參考文獻：

[1]曹曉川，周兵.與工程檢測相結合的“橋梁工程”課程實踐教學改革探討[J]. 重慶交通大學學報：社會科學版，2009（8）：116-118.

[2]張鵬，李清富.橋梁工程課程教學改革探討[J].高等建筑教育，2009，18（6）：71-74.

[3]周水興.橋梁工程 [M].2版.重慶：重慶大學出版社，2011.

[4]許福友，陳紅梅，黃才良，等.土木工程專業大學生工程防災減災意識強化[J].科技創新導報，2009，14：222-224.

[5]王元豐，韓冰.極端氣候事件對橋梁安全性的影響分析[J].土木工程學報，2009， 42（3）：76-80.

[6]阮欣，陳艾榮，石雪飛.橋梁工程風險評估[M].北京：人民交通出版社，2008.