大跨徑橋梁教學中的“求真務實”

胡曉倫 王慧萍

摘要：大跨度橋梁教學中，結構體系和總體布置、結構與構造、計算理論、施工方法和工程實例五部分內容彼此聯系，以力學原理為核心。“求真務實”的教學方法抓住了其主體內容，將結構力學植入橋梁工程教學過程中，理論聯系實際，更易于理解橋梁工程。

關鍵詞：大跨度橋梁；梁橋；教學案例；求真務實

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）10-0141-02

一、概述

《橋梁工程》是道路、橋梁與渡河工程專業的一門專業必修課。對于這門實踐性較強的工程類專業課，要求學生熟悉或掌握橋梁結構體系和總體布置、結構與構造、計算理論、施工方法和工程實例五個方面的知識。如圖1所示，結構體系和總體布置是內核，體現了橋梁體系的受力特點和適用范圍，可謂“神”；結構形式與構造特點是外形，反映了該橋型在具體場地環境下的結構與構造，可謂“形”。二者之間的聯系可以用虛實線表示，虛線表示以結構力學為基礎的內力計算和以結構設計原理為基礎的設計驗算，實線表示橋梁建造的施工方法、技術和機具。工程實例以橋梁實例的方式涵蓋了前面四部分內容。

東南大學《橋梁工程》課程主要講解簡支梁橋、拱橋等，在《大跨徑橋梁》課程中講解連續體系梁橋、斜拉橋和懸索橋。中小跨度橋梁教學時，五部分教學內容可以分開進行，彼此之間聯系較弱。但大跨度橋梁教學須以“力”為核心，融會貫通地講解五部分內容，讓學生意識到，優秀的大跨度橋梁是神形兼備的佳作，神形兼備的實質是“力”，即受力特點、傳力路徑和力學計算，違背了力學原理的結構不宜用于大跨度橋梁。

教學內容和教學方法改革是教學永恒的話題。如何培養學生從力學角度來思考問題，尤其是跨度變大以后橋梁受力形態發生哪些變化，是大跨度橋梁教學的精髓所在。作者根據多年教學實踐，摸索出了“求真務實”的教學方法。求真即尋根索源，從力學角度來理解橋梁結構體系、結構構造甚至施工方法；務實即是對抽象的、靜態的教材內容進行實踐化、形象化。務實是手段，求真是目的。“求真務實”的實質就是理論聯系實際，相得益彰。本文結合幾個教學案例，討論下“求真務實”的教學方法。

二、“求真”教學案例

1.梁橋結構體系。“求真”教學表現為橋梁工程五個方面知識在講解時相互滲透，均從力學角度來思考問題，盡可能探究出結構中的力學原理來。根據承重結構的受力特點，梁式橋可劃分為簡支梁橋、懸臂梁橋、連續梁橋、T型剛構橋和連續剛構橋。現有教材中把梁式橋的五種體系分散在幾節中介紹，這不利于培養學生從力學角度來理解梁式橋靜力體系演變的過程和內在原因。簡支梁橋是構造最簡單的橋梁，也是梁式橋體系演變的基礎。簡支梁橋在自重作用下的恒載彎矩沿跨徑分布為二次拋物線形狀，跨中截面承受最大正彎矩，支點處彎矩為零。由于簡支梁橋的截面尺寸和跨度完全受跨中截面正彎矩控制，因此，要減小截面尺寸或增大跨度，必須設法減小跨中截面的最大正彎矩。一種方法是將簡支梁梁體伸長，越過支點，形成1.x跨（x<1.0）的懸臂梁或2～N跨的連續梁，利用支點截面的負彎矩對跨中截面的正彎矩卸載，內力重分布，梁高也相應減少。第二種方法是將橋墩和主梁固接，讓橋墩參與主梁受力，增大結構體系的剛度，于是懸臂梁橋演變為T型剛構橋，T型剛構和連續梁結合在一起演變為連續剛構橋，連續剛構和連續梁結合在一起演變為剛構—連續組合體系橋梁。第三種方法是不等跨布置和變截面梁高。當跨度超過70m以后，若連續梁橋采用等跨布置，邊跨跨中截面正彎矩控制了結構設計，且梁端轉角位移較大，不利于行車平順。在大跨度梁橋中應采用不等跨布置和變截面梁高的形式，以滿足內力變化的需求。通過上述推演，學生理解了梁式橋體系的演變過程，比較了受力特點和適應范圍。若進一步“求真”，可以發現，橋梁設計的使命是用較經濟的材料（一般表現為梁高）來達到盡量大的跨度，即減少跨中截面的正彎矩，辦法是利用支點負彎矩和墩頂彎矩對跨中正彎矩卸載。

2.施工過程對成橋狀態恒載內力的影響。橋梁結構從開始施工到成橋必須經歷一個復雜的多階段構件施工安裝和體系轉換過程，因此，成橋狀態的恒載內力和線形必須考慮結構的實際施工過程，逐步疊加而成。橋梁工程教材中，將梁橋的恒載內力與施工過程的關系分為兩類：滿堂支架施工、逐跨施工（必須選擇彎矩零點作為施工接縫）、頂推施工的梁橋，施工過程對成橋狀態恒載內力圖沒有影響，可以按照一次落架法計算；懸臂施工、逐跨施工（非零彎矩處接縫）、先簡支后連續施工的梁橋，施工過程對成橋狀態恒載內力圖有影響，須按照施工過程中的結構體系逐階段計算截面內力并累加為成橋狀態的結構內力。教材中只給出了結論，沒有做進一步解釋，讓學生費解。此處，可以設置一個“求真”的教學環節，讓學生課外閱讀文獻[2]，理解其中的力學原理——無應力狀態法。無應力狀態法是確定分階段形成橋梁結構中過程狀態與最終狀態的關系。在保證結構構件單元無應力長度和無應力曲率的前提下，結構的最終內力和位移與結構的形成過程無關。通過“求真”的教學環節，學生將結構力學知識與橋梁施工計算聯系起來，頓時豁然開朗。

三、“務實”教學案例

1.梁橋的邊中跨比例。“務實”教學表現為通過具體的影像、工程案例、課程作業、課堂研討、實踐實習等環節，讓學生直觀地面對橋梁結構和理論，動手解決問題。常見的方法用圖片動畫的形式展示橋梁結構、施工過程等，讓學生有了初步的工程實踐經驗。下面通過一道研討式課后作業，了解“務實”的做法。在梁橋總體布置教學中，都會提到不同橋型的邊跨中跨長度比例[3-4]，若不加以比較，很難發現彼此之間的聯系和區別。譬如，三跨預應力混凝土連續梁橋的L邊跨/L中跨=0.50～0.80，最佳值為0.68，但連續剛構橋的L邊跨/L中跨多在0.55～0.58，為什么不一樣？在此，布置一道“務實”作業，令學生從教材、文獻、網絡中查找工程實例，收集同類橋梁的L邊跨/L中跨數據，羅列在一張表上。基于統計分析，學生可以闡述對梁橋的L邊跨/L中跨的認識。若進一步，學生借助結構力學求解器SM solver[5]軟件，繪制了三跨預應力混凝土連續梁橋的恒載彎矩圖（圖2），根據恒載彎矩圖總面積越小越經濟的原則，驗證三跨預應力混凝土連續梁橋的L邊跨/L中跨的合理范圍。本案例中，從務實中求真，學生明白了梁橋受力特點：梁橋既要通過支點負彎矩對跨中正彎矩卸載，增大跨度，又要恒載彎矩圖總面積小（經濟）。

2.溫度次內力的影響。橋梁結構常遇的溫度作用主要有：常年溫差、日照溫差、砼水化熱。常年溫差即整體升溫或降溫，引起構件的伸長或縮短，在連續梁橋中產生伸縮現象，需設伸縮縫，不產生次內力，但在連續剛構橋中產生變形和次內力。日照溫差即日出后橋面升溫或日落后的梁底降溫，以溫度梯度的形式作用于主梁上，在連續梁橋、連續剛構橋中均產生變形和次內力。為了讓學生理解溫度變化對梁橋結構的影響，布置一道研討式綜合作業。如表1所示，相同跨度的三跨連續梁橋和連續剛構橋，在季節溫度變化（升溫）、日照溫度變化（升溫）的情況下，繪制結構的變形圖、次內力圖，簡要說明次內力對結構恒載內力的影響、各支座反力的變化情況。學生運用SM solver軟件基本解決了問題，然后改變橋墩高度，分析橋墩高度對連續剛構橋的溫度次內力的影響，回答了“為什么連續剛構橋比較適用于大跨高墩的情況”的抽象問題。通過這種對比、推進式分析，加深了對教材中抽象理論的理解。借助小軟件進行了橋梁結構的力學實驗，理解橋梁工程中的抽象理論，是一種有益身心的運動，學生解決問題的過程中掌握了理論知識。此為務實，也可務虛求真，可以根據溫度變化情況直觀地繪制結構變形圖，注意反彎點、邊界約束等細節，然后由截面的上下緣的拉壓應力情況繪制彎矩次內力示意圖，初步地判斷溫度次內力對結構恒載內力的影響。若結構力學基礎扎實，不需計算，學生基本可以直觀想象出結構受力的樣子，出現質的飛躍。

四、結論

橋梁工程是一門理論與實踐相結合的教學過程，其結構體系、結構與構造、計算理論、施工方法和工程實例五部分知識彼此聯系。大跨度橋梁教學更需要以“力”為核心，融會貫通地講解五部分內容。“求真務實”的教學方法抓住了大跨度橋梁教學的主體內容，將結構力學植入橋梁工程教學過程中。從力學角度來理解橋梁結構，是謂求真；布置研討式作業等方式供學生實踐，是謂務實，其目標仍為求真，二者相得益彰，實質就是理論聯系實際，學習橋梁結構力學。