《鋼結構設計原理》課程教學改革思路

陳征征+王芳+劉飛

摘 要：該文介紹了《鋼結構設計原理》課程的學習主線，提出了教學改革的思路，為該課程的教學改革提供參考借鑒。

關鍵詞：鋼結構；焊接；螺栓連接；受力構件

中圖分類號 G642.0 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2017）02-03-0108-02

鋼構結構因其自重較輕，且施工簡便，是目前結構工程中運用最廣泛、普遍的材料，廣泛應用于大型廠房、場館、超高層等領域。《鋼結構設計原理》是求解工程結構問題的一個理論前提，是設計鋼構結構的基礎，宿州學院資源與土木工程學院土木工程專業開設了該課程，并且是作為土木工程專業的核心課程。由于這門課的起點比較高，要求學生具有較好的高等數學、畫法幾何、材料力學等綜合基礎知識，對于同時學習材料力學和鋼結構設計原理這兩門課的宿州學院的學生來講，學習起來比較困難。除此之外，與土木專業學生的交流溝通中發現，部分學生對于焊接這種并沒有真實見過，其空間想象的能力差，對于焊縫的理解學習較為困難。

1 《鋼結構設計原理》學習主線

鋼結構的教材比較多[1-3]，適用于不同的專業。宿州學院資源與土木工程學院土木專業所用的教材是肖亞明、孫強、馬芹永編著的《鋼結構設計原理》[4]，該教材有一套完整的編寫技巧，即逐層遞進，先節點后構件的思路，依次介紹的節點連接處的處理方法、構件受軸向力的穩定問題、受彎矩作用桿件驗算問題。

1.1 節點對接焊接 對于兩個鋼構結構節點，接觸面平緩且接觸面積大，采用對接焊接是最優選擇。對接焊接處形成對接焊縫，那么此時焊縫處容易出現應力集中，破壞會先于構件破壞，亦屬于脆性破壞。為防止上述脆性破壞的發生則對焊縫處強度要求有限值。對于強度驗算根據節點處受力情況不同、截面形式不同反應的其驗算公式不一致：第一種情況，矩形截面受單向軸心力或節點焊縫截面為正截面只需驗算節點截面處正應力；第二種情況，矩形截面受斜向力或者焊縫截面為斜截面要驗算垂直截面的正應力和平行截面的切應力2個；第三種情況，矩形截面承受剪力和彎矩作用要驗算彎矩產生的垂直于截面的正應力和剪力產生的平行于截面的切應力兩個；第四種情況，截面形式為T形、I形、箱形特殊形式，承受剪力和彎矩，除驗算彎矩產生的垂直于截面的最大正應力和剪力產生的平行于截面的切應力之外，由于不可能在所有的截面同時達到最大，要驗算上述兩值相對較大處的折算應力；第五種情況，焊縫處承受軸向力、剪力和彎矩作用，需驗算由軸向力產生的正應力和彎矩作用產生的正應力之和、剪力作用產生的平行于截面的切應力、2個正應力和切應力的折算應力。上述5種情況其公式均可表述為：

其中，[Aw]為軸心力垂直截面的有效面積，要注意焊縫長度的選取與有無引弧板有直接關系；[σM1]、[τ1]分別為危險截面對應的彎矩產生的正應力和剪力產生的切應力；[fwt]、[fwv]分別可以查該教材231頁附錄1-2，其值與鋼材的厚度和鋼材的種類有關。

對于上述3個式在鋼結構設計原理中按照材料力學基本假定，假定在受軸向力和剪力作用下產生的應力均是均勻分布的；在彎矩作用下產生的正應力是三角形分布，在中性軸處為0，離中性軸越遠正應力越大，為越危險節點。

在驗算時首先要弄清楚結構受力情況，然后分析力與焊縫長度方向的關系，有一個原則：力與焊縫長度方向平行產生切應力，與焊縫長度方向垂直產生正應力，正應力代入上式（1）進行正應力驗算，切應力代入上式（2）進行切應力驗算。

1.2 節點角接焊接 角焊縫是節點焊接連接的難點，它體現了鋼結構這門課的特點，公式多，多計算，內容繁瑣，實踐性強，沒有實際動手操作很難對角焊縫理解。為此，對公式進行整理：角焊縫計算中首先要弄清楚角焊縫計算截面的問題，角焊縫受力危險截面選為有效截面，所有的受力驗算均在有效截面上進行。在角焊縫計算中類似于對接焊縫，第一步要分析受力問題，力與焊縫同向產生切應力，力與焊縫垂直產生正應力，與對接焊縫不同的一點在于面內垂直還是面外垂直，進行驗算的[σf]為計算截面上應力，為面內垂直和面外垂直的合力，[τf]為面內平行的切應力，則計算公式為：

其中，[βf]與受力情況有關，取值為1.22或1.0；[fwf]同樣查該教材231頁附錄1-2獲得。

上式（4）是角焊縫計算的通式。與對接焊縫類似，對于強度驗算根據節點處受力情況不同、截面形式不同反應的其驗算公式不一致，按連接方式及受力情況：

第一種情況，（1）僅有側面角焊縫且帶有矩形拼接蓋板受軸心力作用的角焊縫計算，力與焊縫同向，只有切應力，代入公式（4）可得到關于切應力驗算公式；（2）僅有正面角焊縫且帶有矩形拼接蓋板受軸心力作用，力與焊縫垂直，只有正應力，代入公式（4）可得到關于正應力驗算公式；（3）三面圍焊且帶有矩形拼接蓋板受軸心力作用，由于正應力受力情況負責，所以先計算出由正應力承擔的力，軸心力減去正應力承擔的力剩下的由切應力承擔焊縫強度；（4）三面圍焊且帶有菱形拼接蓋板受軸心力作用，采用菱形拼接蓋板考慮斜焊縫的一個系數[βfθ]，與角度有關可以查表獲得，其余于矩形拼接蓋板一樣計算。

第二種情況，（1）側面角焊縫角鋼連接，有角鋼內力分配系數查表得，并驗算肢尖與肢背強度；（2）三面圍焊角鋼連接，與帶矩形拼接蓋板類似，先算正面角焊縫能承受的力，再求得側面角焊縫受力情況；（3）特殊情況L形，其中有一側角焊縫為零，由力矩平衡就可推得焊縫受力公式。

上述兩種情況是只受單一軸心荷載，對于帶拼接蓋板和角鋼這兩種情況還有受彎矩，受剪力和彎矩共同作用，受剪力、軸力和彎矩共同作用，受扭轉作用，受扭轉、軸力、剪力和彎矩共同作用下焊縫求解。在受扭矩作用下和彎矩作用下求應力的公式類似，均與距離成正比，彎矩是對坐標軸取慣性矩，扭矩是對極軸取慣性矩。

對于焊縫求解，其中最關鍵一步就是根據力判斷呈現正應力還是切應力，相疊加并用公式（4）驗算強度，由于2014級宿州學院土木專業方案培養中把材料力學與鋼結構設計原理這門課同時安排在一起開課，對于還不知道什么是正應力、什么是彎矩的學生進行判斷什么力產生什么樣的應力判斷是很困難的。

2 《鋼結構設計原理》課程改革的思路

針對宿州學院2014級土木專業學生對于《鋼結構設計原理》課程反映出來的問題，本文提出了如下改進措施：

2.1 課件結合課堂動手演示 采用課件教學，一目了然，邏輯性比較強，方便學生進行總結，但是單一的課件教學有些難以空間想象出來的理解起來比較困難。針對難以理解的部分如角焊縫連接處，則在課堂上教師用2個鋼管進行節點焊接，采用角焊縫，用焊條焊接，讓同學們自己動手操作，加深他們的空間思維，并用切刀把45°有效截面切割出來，在截面上演示面內垂直、面內平行、面外垂直應力。

2.2 課堂采用競答，增加積極性 目前，高校學生普遍存在一種情況，就是前面有空座不坐，學生都去后面坐，這樣就造成資源的浪費，給教師授課帶來困難。為此，在2014級宿州學院土木專業1、2班采取競答的方法，從最后一位開始競答，提問鋼結構公式、定義以及隨機的指出節點焊縫連接公式、構件穩定公式，回答正確的同學保留其座位，回答不出來的同學座位廢除，座位挪到前面。如此一來，學生在課上以及課下就會主動去學習鋼結構，增加了自主學習的積極性，提高了其對鋼結構學習的樂趣。

2.3 課后信息反饋 宿州學院每個班級均設有信息員，信息員會定期開會反應教學中的問題，針對信息員對鋼結構授課中提出的問題，教師認真思考并改正。相對于教師對學生的了解，還是學生對學生最了解，反應的問題真實，針對鋼結構這門課反應較難，數學功底差，材料力學知識沒學扎實，在授課過程中不要單調的一直進行推導，可以引入生活中實例進行講解知識點，對于公式可以采用小紙片形式。

3 結語

在鋼結構設計原理授課中，由節點到構件，循序漸進，逐步提高對這門課程的理解，重點內容突出，主次明顯，善于總結，掌握好基本規律，對鋼結構學習有幫助。

參考文獻

[1]傅菊根，張春玉.鋼結構基本原理：第1版[M].鄭州：黃河水利出版社，2011.

[2]夏志斌，姚諫.鋼結構—原理與設計：第1版[M].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[3]孫強，馬巍.鋼結構基本原理：第1版[M].武漢：武漢大學出版社，2014.

[4]肖亞明，孫強，馬芹永.鋼結構設計原理：第1版[M].合肥：合肥工業大學出版社，2005. （責編：張宏民）