土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)與工程實(shí)際結(jié)合的探討

賈穗子 徐能雄

摘要：結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，也是土木工程專業(yè)的核心課程，在整個(gè)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中占有重要地位。結(jié)構(gòu)力學(xué)基本概念較多，學(xué)生對(duì)抽象的理論教學(xué)內(nèi)容往往感到難以理解。文章探討了土木工程專業(yè)中結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)與工程實(shí)際及后續(xù)專業(yè)課教學(xué)結(jié)合的問題，即理論教學(xué)與重大工程結(jié)合、課程內(nèi)容與工程實(shí)際結(jié)合、計(jì)算簡(jiǎn)圖與工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)合，有助于加深學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)基本概念的理解，提高學(xué)生運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)解決工程實(shí)際問題的能力，為結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革提供了參考。

關(guān)鍵詞：土木工程；結(jié)構(gòu)力學(xué)；工程實(shí)際；教學(xué)研究

中圖分類號(hào)：G6420；TU311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2018）03012605結(jié)構(gòu)力學(xué)是土木工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，既是材料力學(xué)課程的深化和延伸，又是后續(xù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)等專業(yè)課教學(xué)及課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等實(shí)踐環(huán)節(jié)的重要基礎(chǔ)，同時(shí)也是土木工程專業(yè)碩士研究生入學(xué)考試課程之一。土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)如何與工程實(shí)際結(jié)合，筆者探討了如下3個(gè)問題：

一是，理論教學(xué)與重大工程結(jié)合。土木工程學(xué)科特點(diǎn)之一就是工程實(shí)踐性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)力學(xué)作為一門應(yīng)用型專業(yè)基礎(chǔ)課，教學(xué)中必須將基本理論和基本知識(shí)與實(shí)際工程緊密結(jié)合，特別是與重大工程結(jié)合，可以引申出諸多的工程和力學(xué)問題。采用這種教學(xué)方式，有利于加深學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)與后續(xù)專業(yè)課程關(guān)系的理解，有利于土木工程專業(yè)卓越工程師能力的培養(yǎng)。

二是，相關(guān)課程內(nèi)容與工程實(shí)際結(jié)合。將抽象的力學(xué)問題與工程實(shí)際相聯(lián)系，采用這種教學(xué)方法，有利于學(xué)生有的放矢地學(xué)習(xí)該門課程，并為其他力學(xué)課程和后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)打好基礎(chǔ)。

三是，計(jì)算簡(jiǎn)圖與工程結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)合。結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算簡(jiǎn)圖的建立均基于一定假設(shè)，教學(xué)中如何闡明計(jì)算簡(jiǎn)圖與工程實(shí)際的聯(lián)系是一個(gè)關(guān)鍵問題，采用計(jì)算簡(jiǎn)圖結(jié)合工程結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗(yàn)的教學(xué)方法，不僅可較好地解決這個(gè)問題，同時(shí)有利于增強(qiáng)學(xué)生重視科學(xué)實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐的意識(shí)。科學(xué)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新能力的源動(dòng)力[1-2]。

一、理論教學(xué)與重大工程結(jié)合

近年來，中國(guó)大規(guī)模的土木工程建設(shè)有力推動(dòng)了結(jié)構(gòu)工程的快速發(fā)展，各種新型結(jié)構(gòu)體系和新型構(gòu)件不斷出現(xiàn)，如超高層建筑巨型框架體系、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)體系等。但目前結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)內(nèi)容難以適應(yīng)結(jié)構(gòu)工程的快速發(fā)展，這就需要教師結(jié)合工程實(shí)際案例和工程發(fā)展進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)，以體現(xiàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)的工程性，并與后續(xù)專業(yè)課程教學(xué)形成連貫的教學(xué)體系。

文章以超高層建筑重大工程為例，探討結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)與重大工程結(jié)合的問題。中國(guó)若干標(biāo)志性的超高層建筑采用了巨型柱框架-核心筒結(jié)構(gòu)（圖1—圖5），如深圳平安國(guó)際金融大廈（7度區(qū)，118層，主體結(jié)構(gòu)高588 m），上海中心大廈（7度區(qū)，118層，主體結(jié)構(gòu)高576 m），上海環(huán)球金融中心（7度區(qū)，101層，主體結(jié)構(gòu)高492 m），天津117大廈（7.5度區(qū)，117層，主體結(jié)構(gòu)高597 m），北京“中國(guó)尊”大廈（8度區(qū)，108層，主體結(jié)構(gòu)高528 m）。其中，深圳平安國(guó)際金融大廈和上海中心大廈采用了矩形截面巨型柱，上海環(huán)球金融中心采用了型鋼混凝土異形截面巨型柱，天津117大廈和北京“中國(guó)尊”大廈采用了異形截面多腔體鋼管混凝土巨型柱。

高等建筑教育2018年第27卷第4期

賈穗子， 等土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)與工程實(shí)際結(jié)合的探討

圖1深圳平安國(guó)際金融大廈圖2上海中心大廈圖3上海環(huán)球金融中心在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中，結(jié)合這些重大工程教學(xué)，使學(xué)生了解到這些超高層建筑采用的新型結(jié)構(gòu)體系，并聯(lián)系工程問題和力學(xué)問題，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的興趣。

（一）力學(xué)課程

土木工程專業(yè)本科生力學(xué)課程主要有材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)，結(jié)合工程實(shí)際闡明力學(xué)課程之間的聯(lián)系具有必要性。教學(xué)中，以圖1至圖5所示的超高層建筑“巨型柱框架-核心筒”結(jié)構(gòu)體系為例，闡明巨型柱框架為桿系結(jié)構(gòu)，屬于結(jié)構(gòu)力學(xué)研究的內(nèi)容，而其構(gòu)成的桿件屬于材料力學(xué)研究的內(nèi)容，核心筒由剪力墻構(gòu)成，屬于彈性力學(xué)研究的內(nèi)容。這樣的教學(xué)過程，有利于加深學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)與相關(guān)力學(xué)課程關(guān)系的理解。

（二）結(jié)構(gòu)課程

土木工程專業(yè)本科生結(jié)構(gòu)工程課程主要有混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)等。結(jié)合工程實(shí)際，闡明結(jié)構(gòu)力學(xué)與其他專業(yè)課程之間的關(guān)聯(lián)性是教學(xué)關(guān)注點(diǎn)之一。混凝土結(jié)構(gòu)課程中鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算，需要將梁柱截面的鋼筋按照鋼材與混凝土材料的彈性模量比例等效換算為混凝土材料，之后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈性計(jì)算分析。鋼結(jié)構(gòu)課程中對(duì)于鋼框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算而言，構(gòu)件截面的彈性模量就是鋼材的彈性模量，但是鋼結(jié)構(gòu)桿件截面的壁厚較薄，因此穩(wěn)定性問題是鋼結(jié)構(gòu)研究的重點(diǎn)之一，也是鋼結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)的重要區(qū)別。鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程中，型鋼混凝土柱-H型鋼梁框架、鋼管混凝土柱-H型鋼梁框架結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算，需要將鋼-混凝土組合柱的型鋼按照鋼材與混凝土材料的彈性模量比例等效換算為混凝土材料，之后進(jìn)行結(jié)構(gòu)的彈性計(jì)算分析。圖1至圖5所示的超高層建筑，均為鋼-混凝土組合巨型柱，巨型柱的截面巨大，天津117大廈巨型柱截面面積最大為45 m2，北京“中國(guó)尊”巨型柱截面面積最大為63 m2，進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算時(shí)，需要將巨型柱截面的型鋼按照鋼材與混凝土材料彈性模量的比例等效換算為混凝土，再按照混凝土計(jì)算巨型柱截面的抗彎剛度，進(jìn)一步計(jì)算分析巨型框架彈性。鋼-混凝土組合巨型柱的構(gòu)造非常重要，是保證型鋼與混凝土共同工作的根本，否則平截面假定的適應(yīng)性等一系列問題就會(huì)顯現(xiàn)。結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)中，對(duì)相同結(jié)構(gòu)體系、不同桿件材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)相關(guān)結(jié)構(gòu)分析問題，有利于提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

（三）抗震課程

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是土木工程的一門重要專業(yè)課。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的原則是小震不壞、中震可修、大震不倒。以框架結(jié)構(gòu)為例，小震下框架處于彈性變形，可采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論進(jìn)行計(jì)算分析，但需結(jié)合地震工程理論計(jì)算地震作用，中震下框架結(jié)構(gòu)主體無明顯損壞，只是填充墻等構(gòu)件損壞，仍可近似采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論進(jìn)行計(jì)算分析，大震下框架結(jié)構(gòu)有明顯損壞，結(jié)構(gòu)整體進(jìn)入彈塑性變形狀態(tài)，已不能采用結(jié)構(gòu)力學(xué)的理論計(jì)算分析，應(yīng)采用彈塑性理論并結(jié)合梁柱構(gòu)件截面的損傷過程進(jìn)行彈塑性時(shí)程計(jì)算分析。大震下框架結(jié)構(gòu)的變形一般接近1/50的層間位移角，對(duì)于超高層建筑必須考慮二階效應(yīng)，即“Pδ”效應(yīng)。采用這種以工程問題為主線，引申出結(jié)構(gòu)力學(xué)與后續(xù)專業(yè)課程關(guān)聯(lián)性的教學(xué)方法，不僅提高了教學(xué)效果，還可激勵(lì)學(xué)生繼續(xù)深造。

三、計(jì)算簡(jiǎn)圖與工程結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)合

在結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)過程中，學(xué)生十分關(guān)注計(jì)算簡(jiǎn)圖的來源，對(duì)此，結(jié)合工程結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)尤為重要。以框架結(jié)構(gòu)計(jì)算簡(jiǎn)圖教學(xué)和輕鋼框架結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗(yàn)為例，進(jìn)行了教學(xué)探討。結(jié)構(gòu)力學(xué)剛架的定義為由直桿組成的具有剛性連接節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，剛性節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是其所連接的各桿件變形前后在節(jié)點(diǎn)處各桿端切線的夾角保持不變，即各桿端轉(zhuǎn)動(dòng)的角度應(yīng)相等。筆者研發(fā)了一種適應(yīng)于村鎮(zhèn)綠色農(nóng)房結(jié)構(gòu)的新型結(jié)構(gòu)體系，即裝配式輕鋼框架結(jié)構(gòu)體系，該結(jié)構(gòu)體系采用輕型鋼管混凝土柱和輕型鋼管混凝土梁或H型鋼梁。在研發(fā)過程中，提出了一種連接梁柱的裝配式雙L 形帶斜肋節(jié)點(diǎn)，這種新型節(jié)點(diǎn)的剛度顯著大于梁柱的剛度，符合剛性節(jié)點(diǎn)的假定。試驗(yàn)表明，該新型節(jié)點(diǎn)框架結(jié)構(gòu)在水平荷載作用下，盡管發(fā)生了較大的層間位移，但梁柱節(jié)點(diǎn)的角度基本保持直角，具有剛性節(jié)點(diǎn)的特征。同時(shí)，筆者還進(jìn)行了直板形連接節(jié)點(diǎn)的相同梁柱框架受力性能試驗(yàn)，在初始彈性階段，這種輕鋼框架的直板形連接節(jié)點(diǎn)仍保持直角，加載后隨輕鋼框架變形的增大，其梁柱節(jié)點(diǎn)已不再保持直角。對(duì)于該框架，在初始彈性階段利用結(jié)構(gòu)力學(xué)剛架模型計(jì)算是可行的，在變形后期應(yīng)采用半剛性節(jié)點(diǎn)模型計(jì)算，半剛性節(jié)點(diǎn)是介于剛性節(jié)點(diǎn)和鉸節(jié)點(diǎn)受力性能之間的一種節(jié)點(diǎn)。課堂教學(xué)中，先提出結(jié)構(gòu)力學(xué)中剛架結(jié)構(gòu)關(guān)于剛性節(jié)點(diǎn)的假定，之后讓學(xué)生觀看輕鋼框架結(jié)構(gòu)力學(xué)試驗(yàn)錄像，觀看過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)采用雙L形帶斜肋裝配式節(jié)點(diǎn)的輕鋼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)剛度大，可假定其節(jié)點(diǎn)為剛性節(jié)點(diǎn)，又發(fā)現(xiàn)采用直板形連接節(jié)點(diǎn)的輕鋼鋼框架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)剛度小，其節(jié)點(diǎn)變形不容忽略，應(yīng)采用半剛性節(jié)點(diǎn)的假設(shè)。結(jié)合試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)的方法，對(duì)學(xué)生具有啟發(fā)性，強(qiáng)化了結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)的實(shí)踐性。圖6為裝配式雙L形帶斜肋節(jié)點(diǎn)輕型鋼管混凝土梁柱框架水平加載試驗(yàn)及其裝置，圖7為圖6試驗(yàn)完成后雙L形帶斜肋節(jié)點(diǎn)區(qū)域顯現(xiàn)的剛性形狀，圖8為另一輕鋼框架試驗(yàn)，即直板形連接節(jié)點(diǎn)輕型鋼管混凝土梁柱框架水平加載試驗(yàn)后的節(jié)點(diǎn)區(qū)域變形性狀，其節(jié)點(diǎn)變形是明顯的，在力學(xué)計(jì)算中節(jié)點(diǎn)變形的影響不可忽略。

圖6雙L形帶斜肋節(jié)點(diǎn)輕鋼框架試驗(yàn)圖7雙L形帶斜肋節(jié)點(diǎn)圖8直板形節(jié)點(diǎn)四、結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)的全過程結(jié)合典型工程實(shí)踐問題，使學(xué)生在接觸較為抽象的結(jié)構(gòu)力學(xué)理論知識(shí)時(shí)，有工程實(shí)踐的依托，并將結(jié)構(gòu)力學(xué)學(xué)習(xí)與后續(xù)專業(yè)課程學(xué)習(xí)相貫通，增強(qiáng)了學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)的興趣，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的主動(dòng)性，啟迪了學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力，有助于學(xué)生在以后的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中有意識(shí)地運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)來解決工程實(shí)際問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]周臻，陸金鈺，尹凌峰，等.面向卓越土木工程師培養(yǎng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].高等建筑教育，2012，21（4）：74-77.

[2]袁健，丁科.結(jié)合專業(yè)課程知識(shí)的結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)方式探討[J].高等建筑教育，2011，20（2）：56-58.