鋼—混凝土組合結構課程的特點及教學探討

劉占科　何子奇　楊遠龍

摘要：文章首先分析了鋼-混凝土組合結構課程的特點，然后從未來土木工程師的從業要求和我國培養卓越工程師的要求等方面分析了開設該課程的必要性，最后結合筆者的教學經驗，以型鋼混凝土組合結構為例對鋼-混凝土組合結構課程的教學方法進行了探討。

關鍵詞：鋼-混凝土組合結構；課程特點；教學探討

中圖分類號：G642-3 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2016）01-0092-04

壓型鋼板組合樓板、鋼-混凝土組合梁、鋼管混凝土結構以及型鋼混凝土結構等結構類型可統稱為鋼-混凝土組合結構。目前，鋼-混凝土組合結構已成為國內超高層建筑、超大跨度橋梁的首選結構類型。然而，與鋼筋混凝土結構課程或鋼結構課程作為必修課且學時多不同的是，鋼-混凝土組合結構課程或作為選修課，或學時量較少[1-2]。

早在1999年，國內已有高校為土木工程專業本科生開設了鋼-混凝土組合結構選修課[1]。2002年，李國強等[3]則把鋼-混凝土組合結構納入結構工程的課程體系。蘭州大學于2002年開辦土木工程專業，在辦學之初即為土木工程專業本科生開設54學時的鋼-混凝土組合結構選修課。但2011年頒布的《高等學校土木工程本科指導性專業規范》[4]仍未對這一結構類型的教學提出要求，顯然與這一結構類型蓬勃發展的現狀不甚相符。

文章首先分析鋼-混凝土組合結構課程的特點，繼而對這一課程的重要性和開設的必要性進行分析，最后結合筆者的教學經驗探討課程的教學方法。

一、鋼-混凝土組合結構課程的特點

（一）授課內容多，涉及標準多

土木工程專業課程的主要授課內容與國家標準、行業標準中的設計理論、設計方法、構造措施等密切相關。在鋼-混凝土組合結構課程中，與壓型鋼板組合樓板相關的標準有CECS 273： 2010《組合樓板設計與施工規范》，YB9238—92《鋼-混凝土組合樓蓋結構設計與施工規程》和JGJ99—98

《高層民用建筑鋼結構技術規程》三部標準，與鋼-混凝土組合梁相關的標準有GB 50017—2003《鋼結構設計規范》，與鋼管混凝土結構相關的標準為GB 50936—2014《鋼管混凝土結構技術規范》，而與型鋼混凝土結構相關的標準是JGJ 138—2001《型鋼混凝土組合結構技術規程》或YB 9082—2006《鋼骨混凝土結構技術規程》。這門課程與鋼筋混凝土結構課程或鋼結構課程相比，涉及的標準多，而且部分內容并沒有相關的國家標準。因此，鋼-混凝土組合結構課程的第一個特點是授課內容多。

（二）與已修專業課程既緊密聯系，又自成體系

一般認為，鋼管混凝土結構與鋼結構屬同一范疇，而型鋼混凝土結構與鋼筋混凝土屬同一范疇，這表明鋼-混凝土組合結構的部分授課內容與先修課程聯系緊密。例如，鋼管混凝土格構柱，無論是整體穩定計算還是單肢穩定計算，計算理論與鋼結構格構柱都基本一致；型鋼混凝土構件，若不考慮型鋼腹板則其計算理論與鋼筋混凝土結構幾乎一致。

但是，鋼-混凝土組合結構的部分計算理論又與鋼筋混凝土結構或鋼結構的計算理論不同。如受壓構件的極限荷載計算，鋼管混凝土結構采用等效長度法[5]，而鋼結構采用等效彎矩法。

鋼-混凝土組合結構課程具有如上特點，故講授難度較大。

二、開設鋼-混凝土組合結構課程的必要性

盡管鋼-混凝土組合結構課程的授課內容多，講授難度較大，但筆者認為有必要為土木工程專業本科生開設這一課程。

（一）未來土木工程師的從業要求

美國ASCE學會于2007年發布了《2025土木工程遠景規劃實施綱要：專業規劃實施路線圖》[6]（以下簡稱《2025遠景綱要》），隨后又提出了21世紀土木工程師的知識體系[7]。《2025遠景綱要》指出：“學院和大學必須檢查相關課程是否與未來土木工程師教育的要求相符，這樣才可以促進遠景規劃的實現。”由鋼-混凝土組合結構在高層建筑和超大跨度橋梁中的應用趨勢可以預見，這一結構必將在未來土木工程建設中得到更為廣泛的應用。因此，為土木工程專業本科生開設鋼-混凝土組合結構課程，可以幫助學生更早地熟悉這一結構類型。土木工程專業的本科畢業生遇到的第一個工程項目很有可能就是鋼-混凝土組合結構。

（二）培養卓越工程師的要求

我國已成為世界最大規模高等教育的國家，我國的工程技術人員不但要解決國內的工程技術問題，還需要參與世界范圍內的工程建設。教育部于2010年啟動“卓越工程師教育培養計劃”（簡稱“卓越計劃”）， 該計劃旨在促進高等教育面向社會需求培養人才，全面提高工程教育人才培養質量，具有十分重要的示范和引導作用。筆者認為，為強化培養學生的工程能力和創新能力，本科生的培養方案應與時俱進，適時設置與行業發展主流方向對應的課程，為土木工程本科生開設鋼-混凝土組合結構課程即是這一思想在土木工程專業本科生教育上的體現。

（三）溫故知新的作用

按照課程開設的先后順序以及先修課程是后修課程基礎這一思路，繪制土木工程專業材料力學、結構力學和彈性力學等基礎課程，以及鋼筋混凝土結構、鋼結構、鋼-混凝土組合結構專業課程的金字塔式關系。如圖1所示，從左到右、從下到上表示課程開設的先后順序，從下到上還表示先修課程是后修課程的基礎。

圖1體現了土木工程專業課程體系的“一般—特殊—一般”的關系，即力學課程講授的是與材料無關的構件計算，當對構件賦予具體材料后根據材料不同可分為鋼筋混凝土結構和鋼結構，故體現的是“一般與特殊”的關系。而前已述及，鋼管混凝土結構或型鋼混凝土結構在某些特殊情況下分別與鋼結構或鋼筋混凝土結構的計算理論相似或一致，故體現了“特殊與一般”的關系。為土木工程專業本科生開設鋼-混凝土組合結構課程，可達到溫故知新的作用，同時通過對比法教學可促進不同結構類型知識點的融會貫通，提升學生歸納問題能力，加深學生對結構的理解。

基于以上分析可看出，鋼-混凝土組合結構越來越多地應用于工程實踐，因此，在 “卓越計劃”的教育背景下， 土木工程專業開設鋼-混凝土組合結構課程具有重要意義。

三、 鋼-混凝土組合結構課程教學方法初探

筆者自2007年開始為蘭州大學土木工程專業本科生講授鋼-混凝土組合結構選修課。通過歷年授課，積累了些許教學經驗，以型鋼混凝土組合結構為例，對本課程的教學方法作一探討。

由于型鋼混凝土結構涉及的材料多，故在講授這一結構類型時首先通過多媒體課件把型鋼混凝土梁的材料一一標示出來（圖2），讓學生清晰明了地掌握構件的基本材料。

當學生了解型鋼混凝土梁的基本材料后，需要講授型鋼混凝土梁的極限荷載計算公式。通過多媒體課件展示受壓鋼筋、受壓翼緣、受拉鋼筋，以及受拉翼緣的定位尺寸（圖3），這樣不僅可幫助學生復習混凝土保護層厚度的概念，而且能為后續建立計算模型理清思路。

因為型鋼混凝土梁的極限荷載計算需要確定各種材料合力作用點的位置，故在圖3的基礎上再進一步展示合力作用點到梁近表的距離（圖4）。

盡管以上幾何關系非常簡單，但當這種關系較多時學生還是容易混淆，而一步步導入圖片可厘清以上幾何尺寸的關系。有了以上幾何關系后，則可請學生根據鋼筋混凝土結構的知識推導出極限彎矩的計算公式。

最后，再給出型鋼腹板的應力圖和標準公式，則型鋼混凝土梁的極限彎矩計算公式較容易被學生理解和接受。當然，在以上推導過程中如果輔以表格，把各種材料的橫截面面積、合理的大小，以及合力到梁近表的距離一一列出，則推導過程會更為清晰。

以上建立型鋼混凝土梁極限彎矩計算公式的過程一方面是與已知建立聯系，仿效已有的方法，另一方面也體現了特殊問題特殊處理的思路。教學實踐表明，學生能較為快速地掌握講授內容。

需要說明的是，盡管上述方法看似簡單，但正是由于簡單才能保證課堂內容易被學生接受，而作為直接面向學生的教師，能讓課堂簡單才有可能讓課堂生動。

四、結語

文章首先分析了鋼-混凝土組合結構課程的特點，然后揭示了開設這一課程的必要性，最后結合筆者的教學經驗，對這一課程的教學方法進行了探討。

（1）鋼-混凝土組合結構課程涉及的標準多，各教學內容的計算理論和計算方法差異較大。

（2）鋼-混凝土組合結構課程可以促進學生溫故知新，加深對結構的理解。無論從未來土木工程師的從業角度還是卓越工程師的培養角度都應為土木工程專業本科生開設這一課程。

（3）采用圖示方法并結合表格，通過與已修課程建立聯系并對特殊問題特殊處理，力爭把復雜的推導過程簡單化，是這一課程教學的有效方法。

參考文獻：

[1]王玉銀，張素梅，楊華，等. 鋼-混凝土組合結構課程教學方法改革與實踐 [J]. 建筑結構，2008， 38（S）： 87-89， 100.

[2]蘇慶田，吳沖. 鋼與組合結構橋梁課程教學改革探討 [J]. 高等建筑教育，2013， 22（4）： 37-40.

[3]李國強，陳以一，朱合華，等. 土木工程專業結構工程課程體系與教學內容改革總體方案 [J]. 高等建筑教育，2002， 11（2）： 53-54.

[4]高等學校土木工程專業指導委員會. 高等學校土木工程本科指導性專業規范 [M]. 北京： 中國建筑工業出版社，2011.

[5]GB 50936—2014 鋼管混凝土結構技術規范 [S]. 北京：中國建筑工業出版社，2014.

[6]ASCE. The vision for civil engineering in 2025 [M]. 1st ed. Virginia： American Society of Civil Engineers， 2007.

[7]ASCE. Civil engineering body of knowledge for the 21st century： preparing the civil engineer for the future [M]. 2nd ed. Virginia：American Society of Civil Engineers，2008.

（編輯 周 沫）