鋼結構穩定理論教學改革初探

李會軍　李宗利　李寶輝

摘 要：結構穩定理論是鋼結構、大跨度空間結構和橋梁工程等課程的重要理論基礎。文章針對目前鋼結構課堂教學存在的問題，提出在課堂教學中采取理論教學和實際工程案例相結合、理論推導和有限元數值計算相結合等措施進行課程教學改革。實踐表明，通過上述舉措，加強了學生對結構穩定的感性認識、提高了學生的結構穩定計算能力，充分調動了學生學習的主動性，大大提高了教學效果。

關鍵詞：鋼結構；結構穩定理論；教學改革

中圖分類號：G642.3 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2018）02-0055-03

結構穩定理論是鋼結構的核心內容。通過結構穩定理論的學習，學生理清了穩定與強度問題的區別和聯系，掌握了結構穩定的基本分析方法，了解其在鋼結構設計中的具體應用，培養了靈活運用結構穩定知識解決實際工程問題的能力。鋼結構主要先修課程為“高等數學”、“理論力學”、“材料力學”和“結構力學”，是“大跨度空間結構”和“橋梁工程”等專業課程及課程設計、畢業設計（論文）的重要基礎。實踐證明，學生具備扎實的結構穩定理論知識，有利于對其他相關專業課內容的掌握與理解。

與混凝土、磚石和木結構相比，鋼結構具有強度高、重量輕、構件截面小的特點，因此結構穩定是鋼結構設計與施工中最為重要的問題之一。與強度問題相比，結構穩定更加抽象，公式更為復雜，穩定問題是鋼結構的重點和難點之一，鋼結構中桿、梁、柱、支撐的計算與設計主要圍繞構件穩定問題展開。目前大多院校鋼結構的課時為32—64學時。該課程具有理論性強、公式推導煩瑣等特點，在校學生與已從事鋼結構設計的人員普遍感覺結構穩定難度大。如果材料力學、結構力學等基礎知識不扎實、學習方法不當，要熟練掌握并靈活運用結構穩定理論知識確實不易。結構穩定理論教學狀況不容樂觀，學生上課積極性不高，教學效果不甚理想。

在卓越工程師教育培養計劃啟動的背景下，很多院校對鋼結構課程進行了課程改革與探索，取得了一定的成效，但仍有一些問題亟待解決。筆者結合教學經歷，談談本門課程的幾點教學體會。

一、鋼結構穩定性理論教學現狀

（一）重視程度不夠

學生對鋼結構中結構穩定理論部分尚未有客觀、全面的了解，學習過程比較茫然，自己無獨立的想法與見解，對該門課程重視程度不夠。教師講授課本的哪部分學生就學哪部分，不會主動學習未講授部分，課后也不主動去學習相關文獻資料。還有不少學生認為，目前數值計算方法趨于成熟，各種結構穩定設計與分析軟件風靡市場，用數值仿真軟件能解決的問題，不必徒手進行復雜的公式推導與計算，而忽略了基礎理論知識的重要性。

（二）難學，學生學習興趣不高

該課程包含的內容較多，涉及的結構及構件類型多樣（如軸心壓桿、梁、單向壓彎構件、薄板、剛架等）。由于該門課具有理論性強、計算過程煩瑣的特點[1]，學生普遍感到學習難度大、枯燥，這或許與學生沒有正確掌握學習方法與技巧有關。教師可在講授過程中采用風趣的語言、一題多解的算例、適當的提問來激發學生的學習樂趣。上課時教師要盡量營造一種熟悉、輕松愉悅的學習氛圍，從而提高課堂教學質量。

（三）基礎不扎實，學生學習困難

學生對前期專業基礎課程（材料力學等）重視程度不夠，先修課程知識掌握不扎實，導致鋼結構中結構穩定理論部分的學習難度大。針對此，在學習結構穩定理論相關章節之前，可讓學生課前認真復習材料力學、結構力學和高等數學的相關知識點，這樣會大大提高學生的學習效率。

（四）知識點應用不靈活

在結構穩定理論部分的教學中，模型的分離與約束的等效在求解結構的彈性屈曲荷載時尤為重要。對于復雜結構體系，為了分析簡便，常將結構中的單個構件從結構中分離出來，而后以該構件為對象進行穩定分析。學生往往對構件與結構之間的關系比較模糊，分離出來的構件的兩端約束不知如何處理，思維不夠靈活，導致遇到一些實際問題時比較茫然，無從下手。

二、鋼結構穩定性理論教學改革的舉措

（一）強調課程的重要性

穩定性是鋼結構設計的核心問題。在各種結構形式的鋼結構中，如鋼閘門、門式剛架、網架和網殼等，都會遇到結構或構件的穩定性設計問題。若穩定問題處理不當，將會導致不同程度的財產與人員損失。另外，正是由于工程事故的發生，穩定問題才受到設計及科研人員的重視，鋼結構的穩定設計才日趨完善。故結合結構穩定的特點，教師在課堂上選取典型的失穩案例進行講解與分析，不但豐富了講課內容，使學生了解了結構穩定的重要性，又增強了學生的責任心與工程意識。

為突出結構穩定性在鋼結構中的重要性，可在課堂上選取一些因失穩而導致的工程事故典型案例進行講授與剖析。[2]比如，1963年1月30日羅馬尼亞布加勒斯特一個跨度93.5 m網殼結構因雪載作用而發生了整體失穩。根據研究，當時雪載僅為設計雪載總重的30%，因積雪集中于網殼的天窗、支座附近，使得局部荷載過大，網殼首先出現局部節點滑移、個別桿件失穩問題，而后逐漸向四周傳播，最終導致網殼發生整體失穩而坍塌。加拿大圣勞倫斯河上的魁北克橋經歷了1907年和1916年兩次坍塌，其中1907年的第一次坍塌災難的教訓極為深重，用懸臂法架設中跨橋架時，因橋桁中橋墩附近的下弦桿喪失穩定而導致了橋架的倒塌。1978年美國康涅狄格州的哈特福德市政中心因壓桿扭轉屈曲（失穩）而坍塌，其屋蓋結構形式為網架（90 m×110 m），桿件采用四個等肢角鋼組成的十字形截面，其抗扭剛度差，另外壓桿的支撐未起到應有的作用，于01月18日的風雪之夜瞬間墜毀落地。國內因失穩而倒塌的事故也時有發生，如某電廠的72 m×120 m雙層柱面網殼干煤棚，使用過程中因堆煤過高的擠壓而使大量桿件發生彎曲，同時鋼管、球節點發生了銹蝕，最終引發結構的倒塌。另外，國內外不少弧形鋼閘門在啟閉過程中因支臂動力失穩而最終釀成事故。

工程事故案例的分析可讓學生了解結構穩定問題在鋼結構設計中的重要性，強化結構穩定理論在學生心中的重要性。同時，通過工程事故案例分析，學生了解了影響結構穩定的一些控制因素，對結構穩定性有了一定的感性認識。

（二）有計劃地選學教材內容

結合我國高等院校擴招后生源情況，考慮到培養目標從精英教育轉向大眾教育的形勢，在課時壓縮的情況下，須提煉課程重點、精簡授課內容。目前西北農林科技大學該門課程所采用的教材是戴國欣編寫的《鋼結構》[3]，該教材具有簡潔精練、重點突出等特點，適于少課時的鋼結構課程。另外，鼓勵學生課后查閱國內其他相關資料[4-5]。國外有不少內容豐富的結構穩定教材與資料可供教師選用與學生自學[6-7]，筆者曾在課堂上選學其中的部分章節，開闊學生的視野，增加學生的專業英文詞匯量，為學生后續閱讀英文文獻及撰寫英文學術論文奠定一定的基礎。

（三）發揮多媒體、網絡教學平臺的優勢

因多數學生缺少與實際鋼結構工程接觸的機會，故需強化學生對結構穩定的感性認識。如今教師大多使用多媒體或與板書相結合的方式進行課堂教學，教師可充分利用多媒體教學信息量大、直觀的優點，向學生介紹一些典型工程結構（如梁、拱和剛架等）的失穩事故實例，將圖片、視頻與文字相配合，可增強學生對失穩的感性認知。比如，將軸心受壓構件的三種失穩形式（彎曲屈曲、彎扭屈曲和扭轉屈曲）通過動畫進行演示，使學生直觀理解結構的失穩形式。最后，再對具體的工程結構設計問題做細致的講解，這樣可提高學生對所學知識點的理解。

目前，大多數高校均建立了網絡教學綜合平臺，網絡教學綜合平臺是現代化教學手段的必要補充，教師可將與結構穩定相關的課件、視頻材料和相關文獻上傳于平臺之上，供學生學習，亦可在平臺上進行答疑、做調查問卷、布置作業等。網絡教學綜合平臺極大地提高了教學質量，豐富了學生的學習途徑。

（四）注重啟發式教學，培養學生的思維模式

鋼結構中結構穩定部分具有理論性強、技巧性頗高的特點，教師可采用“啟發式”教學方法。結合相關知識點進行問題設計，激發學生的求知欲，引導學生深入思考、解決問題。在鋼結構課程中，對于復雜的結構體系，為分析簡便，常將結構中的某一構件單獨從結構中取出進行穩定分析。學生往往對構件與結構之間的關系比較模糊，分離出來的桿件的兩端約束不知如何處理與等效。如圖1（a）所示的軸心受壓桿ab[3]，a端為鉸接，b端為水平彈性支承，其水平線剛度為s，試求解該壓桿的臨界荷載。有學生對該彈簧的物理模型摸不著頭腦，其實該彈簧可以看成是圖1（b）中的二力桿bc，假定其長度為l，則只需令桿件的線剛度等于彈簧的剛度s即可，此時圖1（a）和圖1（b）所求得的臨界荷載一致，還有其他等效方式，這里不再贅述。靈活應用構件的約束等效，可加深學生對問題的理解；一題多解，可開闊學生的視野與培養其思維模式。筆者曾在該方面做了大量嘗試，收到了良好的教學效果。

（五）加強結構穩定計算軟件的應用

在鋼結構的穩定性分析中，具有扎實的結構穩定理論功底與公式推導能力極為重要。同時，熟練掌握結構穩定計算軟件亦不可或缺。課堂上，除了理論知識的講解與公式的推導外，應適量增加結構穩定計算軟件（如SMSolver和ANSYS等）的應用，以進一步提高學生解決實際工程問題的能力。學生熟知的SMSolver在結構力學課程中已廣泛應用于內力圖與支座反力的求解。除上述功能之外，SMSolver還可用于結構及構件的特征值屈曲分析。比如對于圖2（a）所示結構體系[3]，如何求解其屈曲荷載？既可采用手算也可采用電算的方式。為計算方便，手算時可將圖2（a）的復雜結構等效處理為圖2（b）結構體系，根據結構力學的單位荷載法，可求出b處彈簧線剛度為k1=3E1I1/l3，c處彈簧線剛度為k2=6E2I2/l3，圖2（b）等效體系的臨界荷載即可手算出。但通過手算來計算圖2（a）模型的整體失穩模態比較麻煩，且整體失穩模態很難直觀地表達出來。此時，在課堂上教師可采用SMSolver求解其整體穩定屈曲荷載。一方面可對手算所得臨界荷載進行校核，另一方面SMSolver可直接給出整體屈曲模態，直觀明了，可加深學生對該問題的理解。其他結構形式亦可采用類似的途徑來提高學生的軟件應用能力。

對于二維桿系結構的屈曲分析來說，SMSolver可方便地進行建模、加載與求解，但因功能所限，SMSolver不具備求解三維空間結構的功能。此時，教師可借助于大型通用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等）進行建模、求解。尤其ANSYS提供了應用方便的參數化設計語言（APDL），對于規則的二維和三維結構體系來說，很容易實現參數化建模及求解。有限元軟件的講解與應用，為學生增加了結構穩定分析的工具與手段，同時亦可為以后的科學研究奠定一定的基礎。

（六）建立虛擬仿真平臺

培養學生的工程實踐能力是工科教育的重要內容，但目前實踐教學存在一些問題，比如實驗成本高、耗時費力及安全性難以保障；有時沒有實驗條件，使得學生實驗的工作難以開展。[8]基于此，教師可建立結構穩定分析虛擬仿真平臺或開發一些軟件包，供學生學習與練習。筆者曾基于ANSYS軟件[9]，利用VB面向對象程序開發平臺，開發了結構穩定分析虛擬實驗平臺，其中包括軸壓構件、受彎構件等屈曲失穩仿真。該平臺便于學生操作，極大地降低了實驗成本，有利于學生實踐操作能力的培養。

（七）結合科研新動態，激發創新精神

隨著鋼材強度的不斷提高、各種新型結構形式（如樹狀柱支承體系、各種仿生結構等）的涌現，各類失穩問題亟待科研工作者解決，同時最新的科研成果也不斷得到應用與推廣[10]。但教材內容的更新往往比較慢，新問題與新成果無法在教材中得到體現。針對此，教師可介紹一些相關的學術新動態進行補充，這樣利于激發學生的求知欲，有利于培養學生的學習熱情。

三、結論

隨著新的高強材料及結構形式的涌現，穩定問題在鋼結構設計與施工中日益突出。鋼結構中結構穩定理論部分亟待進行教學改革，其教學方法在不斷探索與發展之中，尚待完善。將課堂所學知識與實際工程相結合，將結構穩定理論與有限元軟件的應用相結合，可收到良好的教學效果。優化結構穩定理論的教學內容，改進教學方法，可有效改善鋼結構課堂教學的效果。筆者結合鋼結構中結構穩定理論部分的教學與科研實踐，對目前教學存在的問題及解決方法進行了討論與探索，希望對鋼結構的教學有所裨益。

參考文獻：

[1]郭小農，羅永峰，蔣首超等.鋼結構穩定教學研究[J].

高等建筑教育，2011，（2）.

[2]羅洪光.“鋼結構穩定”本科教學探索[J].中國電力教

育，2012，（10）.

[3]戴國欣.鋼結構：第四版[M].武漢：武漢理工大學出版

社，2012：1-2.

[4]陳驥.鋼結構穩定理論與設計：第6版[M].北京：科學出

版社，2014：38-40.

[5]童根樹.鋼結構的平面內穩定[M].北京：中國建筑工業

出版社，2015：18-19.

[6]Ronald D.Ziemian.Guide to Stability Design Criteria for

Metal Structures（Sixth Edition）[M].New York：John Wiley &

Sons，Inc.，2010：128-136.

[7]Stephen P.Timoshenko，James M.Gere.Theory of Elastic

Stability（Second Edition）[M].New York：Dover Publications，

2009：46-58.

[8]陸金鈺，范圣剛.鋼結構穩定原理虛擬仿真平臺開發探

索[J].教育教學論壇，2015，（47）.

[9]李會軍，李宗利.關于“水工鋼結構”課程教學改革的思

考[J].黑龍江教育：高教研究與評估，2014，（12）.

[10]袁繼峰，任國亮.基于建構主義的應用型本科鋼結構課

改探討[J].黑龍江教育：高教研究與評估，2013，（10）.