結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)實(shí)用性研究*

艾海英 王邵臻 路 維 楊建功

結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)實(shí)用性研究*

艾海英**王邵臻 路 維 楊建功

北京科技大學(xué)天津?qū)W院土木工程系，天津 301830

結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專業(yè)學(xué)生的主干課程，如何改進(jìn)教學(xué)策略，實(shí)現(xiàn)該課程的有效教學(xué)非常重要。本文主要針對(duì)課程的實(shí)用性展開研究，提出了三點(diǎn)教學(xué)建議：簡(jiǎn)化模型與實(shí)際構(gòu)造相結(jié)合；上承現(xiàn)實(shí)構(gòu)造，下接基礎(chǔ)力學(xué)；鼓勵(lì)學(xué)生積極參加課外實(shí)踐活動(dòng)。教學(xué)實(shí)踐表明，基于實(shí)用性的教學(xué)方法能夠取得良好教學(xué)效果。

結(jié)構(gòu)力學(xué)；實(shí)用性；教學(xué)建議

結(jié)構(gòu)力學(xué)是從基礎(chǔ)力學(xué)(理論力學(xué)和材料力學(xué))到工程實(shí)踐的橋梁，在土木工程教學(xué)中有著至關(guān)重要的地位。從課程的實(shí)用性角度考慮，單純的講授性教學(xué)，只教會(huì)學(xué)生如何計(jì)算和解題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，更重要的是教會(huì)學(xué)生為什么要學(xué)習(xí)這門課程，學(xué)習(xí)這門課程可以解決哪些問題，如何把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到工程實(shí)踐中去，達(dá)到理論與實(shí)踐相結(jié)合的完美統(tǒng)一。

根據(jù)近些年來的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，基于對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程教學(xué)的實(shí)用性研究，提出以下三點(diǎn)教學(xué)建議：

一、簡(jiǎn)化模型與實(shí)際構(gòu)造相結(jié)合

結(jié)構(gòu)力學(xué)教材一般都以簡(jiǎn)化模型為基礎(chǔ)展開分析計(jì)算，雖然教會(huì)了學(xué)生理論知識(shí)和解題技巧，但難免會(huì)有學(xué)生質(zhì)疑：這個(gè)力學(xué)模型是如何得來的，模型在現(xiàn)實(shí)中對(duì)應(yīng)何種工程結(jié)構(gòu)，甚至有學(xué)生會(huì)覺得在現(xiàn)實(shí)中從未見過這種構(gòu)造。在教學(xué)過程中，建議將簡(jiǎn)化模型與實(shí)際構(gòu)造相結(jié)合進(jìn)行講解，可取得更好的教學(xué)效果。舉例如下：

圖1

圖2

圖1所示的簡(jiǎn)化模型對(duì)學(xué)習(xí)過結(jié)構(gòu)力學(xué)的學(xué)生而言并不陌生，但感性認(rèn)識(shí)就像滑板車一樣，很難跟現(xiàn)實(shí)的實(shí)際工程聯(lián)系在一起，而圖1實(shí)際上就是由圖2所示的橋梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化而來的。從幾何構(gòu)造分析可知，梁AB和CD直接由墩身固定于基礎(chǔ)，是幾何不變的，短梁BC兩端支撐于梁AB和CD的伸臂上，整個(gè)結(jié)構(gòu)是幾何不變的。梁AB和CD本身(不依賴梁BC)就可以承受荷載，稱為基本部分。梁BC依靠基本部分的支承才能承受荷載并保持平衡，稱為附屬部分。由此可以舉一反三：多跨靜定橋梁是由幾根梁組成的，直接固定于基礎(chǔ)的是基本部分，依賴于基本部分的是附屬部分，計(jì)算時(shí)可以把梁拆分成幾個(gè)單跨靜定梁，逐個(gè)去解決，避免求解聯(lián)立方程的麻煩。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，基本部分和附屬部分之間的連接可以視為鉸支座支承，從而得到需要的簡(jiǎn)化模型。有意識(shí)的培養(yǎng)學(xué)生這種觀察、分析實(shí)際問題的能力至關(guān)重要，教學(xué)過程中應(yīng)對(duì)這方面的內(nèi)容加以著重的引導(dǎo)和分析。

二、上承現(xiàn)實(shí)構(gòu)造，下接基礎(chǔ)力學(xué)

結(jié)構(gòu)力學(xué)是以梁和剛架等簡(jiǎn)化模型為基礎(chǔ)，分析其受力和變形，它是一門承上啟下的學(xué)科，上承基礎(chǔ)力學(xué)，下接現(xiàn)實(shí)工程結(jié)構(gòu)，是聯(lián)系基礎(chǔ)力學(xué)知識(shí)與工程實(shí)踐的一個(gè)階梯。如果這個(gè)階梯可以打牢，未來初入職場(chǎng)就能夠得心應(yīng)手，如果這個(gè)階梯沒有打牢，一旦接觸實(shí)際工程就會(huì)舉步維艱。為了豐富課程的實(shí)用性，教學(xué)過程中做好荷載分析和基礎(chǔ)力學(xué)的銜接非常重要。舉例如下：

圖3(a)

圖3(a)所示為一鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的工業(yè)廠房，梁柱均為預(yù)制構(gòu)件，梁端和柱頂通過焊接連接，柱子下端埋入基礎(chǔ)杯口，以細(xì)石混凝土填充。梁柱在橫向平面內(nèi)組成排架結(jié)構(gòu)，各個(gè)排架之間，上邊有屋面板相連，牛腿柱上有吊車梁相連。

面對(duì)這樣一個(gè)實(shí)際工程，可從課程實(shí)用性的角度教授學(xué)生分析的思路和步驟，然后拓展性的引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系荷載規(guī)范和基礎(chǔ)力學(xué)，解決整個(gè)廠房梁柱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題。

(一)將空間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為平面結(jié)構(gòu)。廠房雖然是由多個(gè)排架結(jié)構(gòu)組成的空間體系，但是每個(gè)排架結(jié)構(gòu)布置相似，沿縱向有規(guī)律的排列，廠房沿縱向所受的恒荷載和活荷載也是均勻分布，所以可以把這些荷載分配給每個(gè)排架，而將每個(gè)排架看作一個(gè)獨(dú)立的體系，這樣就可以把空間結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化成平面結(jié)構(gòu)了，如圖3(b)所示的平面簡(jiǎn)化模型。

圖3(b)

(二)實(shí)體桿件轉(zhuǎn)化為直線型。桿件的截面尺寸，如截面寬度和截面高度都比較小，相對(duì)于長(zhǎng)度而言要小得多，因此，桿件可以用其軸線來代替。為簡(jiǎn)化計(jì)算，軸線可以近似的看成直線。

(三)連接部位約束類型的判定。梁與柱的連接是通過梁端和柱頂?shù)念A(yù)埋鋼板焊接而成，梁端和柱頂之間雖不能發(fā)生相對(duì)位移，但仍有發(fā)生微小相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的可能性，因此可近似取為鉸結(jié)點(diǎn)。柱底和基礎(chǔ)之間可以認(rèn)為不能發(fā)生相對(duì)位移和相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，因此柱底可取為固定端。最終得到圖3(c)所示的簡(jiǎn)化模型。

圖3(c)

(四)荷載的分析與簡(jiǎn)化。綜合分析該工業(yè)廠房所受的荷載，豎向荷載包括豎向恒荷載和豎向活荷載，恒荷載如結(jié)構(gòu)本身的自重，活荷載如屋面活荷載、雪荷載、吊車輪壓、積灰荷載和檢修荷載等，橫向荷載包括橫向風(fēng)荷載和橫向地震荷載。結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范分別計(jì)算上述荷載，然后進(jìn)行荷載的內(nèi)力組合和力矩分配，轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)或者桿件的彎矩、剪力和軸力數(shù)值。

(五)結(jié)構(gòu)力學(xué)求解桿件的內(nèi)力。該結(jié)構(gòu)為一次超靜定結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用力法、位移法等超靜定結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法進(jìn)行分析，最終求出桿件的彎矩、剪力和軸力數(shù)值，繪制其內(nèi)力圖。

(六)材料力學(xué)分析結(jié)構(gòu)的微觀變化。利用材料力學(xué)分析結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題，并可以綜合變形協(xié)調(diào)方程和邊界約束條件等對(duì)超靜定排架結(jié)構(gòu)進(jìn)行深度剖析，還可以分析吊車梁動(dòng)力荷載作用以及疲勞失效的問題。

這樣，就可以將常見的工業(yè)廠房，從模型簡(jiǎn)化到荷載分析，從結(jié)構(gòu)力學(xué)到材料力學(xué)，完整的完成了一個(gè)實(shí)際工程案例的分析、計(jì)算和設(shè)計(jì)任務(wù)。這對(duì)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和動(dòng)力，無疑是一劑良藥，在很大程度上能夠激發(fā)他們的求知欲望。

三、鼓勵(lì)學(xué)生積極參加課外實(shí)踐活動(dòng)，在實(shí)踐中認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的實(shí)用性

(一)課堂講授與課外觀察相結(jié)合。結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中涉及到的計(jì)算模型都有對(duì)應(yīng)的工程實(shí)體結(jié)構(gòu)，但如果僅憑理論教學(xué)的講授，很難讓學(xué)生在理論和實(shí)際之間建立起良好的聯(lián)系。因此，理論教學(xué)中，應(yīng)恰到好處的引導(dǎo)學(xué)生自主聯(lián)系工程實(shí)際。例如，結(jié)構(gòu)力學(xué)理論教學(xué)中涉及的支座類型只有滾軸支座，鉸支座，定向支座，固定支座四種，但在工程實(shí)際中，結(jié)構(gòu)的連接形式多樣，這就需要引導(dǎo)學(xué)生自主觀察分析，總結(jié)其中的聯(lián)系。在教學(xué)過程中，可布置課外作業(yè)，讓學(xué)生自主去工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地觀察，通過拍照的方式將工程結(jié)構(gòu)中的各種連接方式帶回課堂，選出具有代表性連接方式進(jìn)行課堂討論分析，做出合理的判斷，應(yīng)該簡(jiǎn)化為何種支座。通過實(shí)地觀察，學(xué)生有了很好的感性認(rèn)識(shí)，討論分析的過程就是對(duì)課堂知識(shí)的溫習(xí)和升華，不僅可以活躍課堂氣氛，也可以培養(yǎng)學(xué)生分析并解決實(shí)際問題的思路和技能。

(二)組織相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽，適當(dāng)調(diào)整成績(jī)的考核標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)積極參加比賽并表現(xiàn)優(yōu)秀的同學(xué)給予一定的加分鼓勵(lì)。此舉不但可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更能鍛煉他們的動(dòng)手能力。例如可以組織結(jié)構(gòu)建模大賽，讓學(xué)生以小組為單位報(bào)名，利用課余時(shí)間完成。由學(xué)生自主選材，根據(jù)力學(xué)架構(gòu)和造型設(shè)計(jì)進(jìn)行模型的搭建，制作出受力性能好，外形美觀的建筑模型。由教師團(tuán)隊(duì)擔(dān)任評(píng)委，通過承重試驗(yàn)和綜合評(píng)分，最后確定優(yōu)勝者。

(三)利用假期組織工地參觀和生產(chǎn)實(shí)習(xí)。結(jié)構(gòu)力學(xué)涉及梁、剛架、桁架和三鉸拱等計(jì)算模型在現(xiàn)實(shí)工程中都有很普遍的應(yīng)用。如果條件允許，盡可能地聯(lián)系相應(yīng)的工地，帶領(lǐng)學(xué)生去實(shí)地參觀實(shí)習(xí)。實(shí)習(xí)過程中，學(xué)生可深入施工現(xiàn)場(chǎng)，接觸實(shí)際工程，較深入地了解結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系。實(shí)習(xí)不但能鞏固和加深課堂所學(xué)知識(shí)，更能理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力，為將來參加工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)習(xí)結(jié)束后，可以要求學(xué)生選擇某一部分結(jié)構(gòu)做力學(xué)分析，從模型簡(jiǎn)化到力學(xué)計(jì)算完成綜合性的大作業(yè)并進(jìn)行考核評(píng)分，以期達(dá)到對(duì)知識(shí)的融會(huì)與貫通。

通過科學(xué)合理的組織設(shè)計(jì)教學(xué)過程，做到理論和實(shí)踐相結(jié)合，可幫助學(xué)生真正認(rèn)識(shí)到結(jié)構(gòu)力學(xué)的實(shí)用性。近幾年來，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)大綱人才培養(yǎng)的要求，我們利用上述教學(xué)方法，教學(xué)效果取得顯著提高。今后，我們將繼續(xù)努力，把結(jié)構(gòu)力學(xué)的實(shí)用性不斷引入到教學(xué)當(dāng)中，為學(xué)生日后走上工作崗位打下良好基礎(chǔ)。

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Structural mechanics is a main course for students majoring in civil engineering.How to improve teaching strategies and realize effective teaching of this course is very important.This article mainly aims at the practicability of the curriculum and puts forward three teaching suggestions：The simplified model is combined with the actual structure；On the basis of reality structure，the following basic mechanics；Encourage students to take part in extracurricular activities.The teaching practice shows that the teaching method based on practicability can achieve good teaching effect.

Structural mechanics；Practicability；Teaching suggestion

*北京科技大學(xué)天津?qū)W院《結(jié)構(gòu)力學(xué)》優(yōu)秀課程建設(shè)項(xiàng)目(NO.yx201601)。

O342-4；G

A

1006-0049-(2017)16-0010-02

**作者簡(jiǎn)介：艾海英(1984-)，女，碩士，北京科技大學(xué)天津?qū)W院土木工程系，講師，主要從事結(jié)構(gòu)方向的研究。