土木工程專業鋼結構課程課堂教學方法探討

楊永華 吳杰

摘要：鋼結構作為土木工程專業的一門基礎課程，概念多、符號多、公式多、構造要求多，與相關規范結合緊密。在課堂教學中應注重基本概念、解題思路、構造要求等的講解，以激發學生的學習興趣，提高課程教學效果。

關鍵詞：鋼結構;土木工程;專業課程;課堂教學

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2019）39-0172-02

鋼結構是土木工程專業的一門主干課程。隨著中國鋼產量的快速增長，以及鋼結構制造水平和施工技術的提高，鋼結構課程在土木工程專業中的重要性日益突出，這也對鋼結構課程的教學和人才培養提出更高的要求[1]。該門課程概念多、符號多、公式多、構造要求多[2]。既有理論推導，又有試驗研究，同時又與相關規范結合緊密。在課堂教學中應注重以下幾個方面，以激發學生學習興趣，提高課程教學效果。

一、啟發式講解概念

傳統鋼結構教學方法主要是采用教師為中心的“灌輸式”教學方法，學生參與度和學習興趣均不高[3]。鋼結構課程中有一些重要概念，對本科生來說理解起來又有一定難度，如各種穩定、殘余應力等，這就需要教師在授課時要講透概念，能夠深入淺出。可采用啟發式的方法，通過問題的方式引入概念，讓學生從被動接受到主動思考。如穩定概念，要從幾個方面引導學生理解：失穩的破壞現象;喪失穩定性的原因;控制穩定性的方法，包括計算公式和構造做法。失穩的破壞形態可通過在多媒體課件中播放一些工程案例中失穩的圖片或錄像展現。在講授柱子整體失穩問題的原因時，可以提問學生為什么混凝土柱的驗算穩定通常沒有起控制作用，而失穩卻是鋼柱最主要的破壞形式？引導學生回顧思考鋼材和混凝土兩種材料的特點，鋼材具有輕質高強的特點，構件常設計成薄壁截面，截面較小，構件通常比較細長，因此失穩是鋼結構柱子常見的破壞形式;混凝土構件通常是實心截面，截面較大，構件長細比較小，不易發生失穩，強度破壞是混凝土柱子的常見破壞形式。考查受力狀態對穩定的影響，提問學生：拉桿會失穩嗎？拉桿越拉越直，所以只受拉肯定不會失穩，失穩和受壓有關。受彎工字型鋼梁為什么也會發生整體失穩？引導學生思考受彎時的應力狀態，梁在受彎時有一側翼緣是受壓的，類似軸心受壓桿，壓力增加到一定時，會繞與腹板平行的主軸發生平面外的失穩，此時橫向荷載作用線不再通過截面形心，繼而帶動整個截面發生扭轉，所以受彎鋼梁會發生側扭失穩。

二、注重將理論知識與生活現象相結合

在教學過程中應注重將理論知識與生活現象相結合，激發學生興趣的同時也加深他們對知識的理解。疲勞是鋼結構課程中另一個重要又難理解的概念[4]。鋼材的疲勞斷裂是微觀裂紋在連續重復荷載作用下不斷發展成宏觀裂紋直至斷裂的脆性破壞。疲勞概念的要點有：（1）微裂紋的產生。（對于鋼結構來說，在冶煉和軋制過程中，夾雜、氣孔等先天缺陷形成裂紋;焊接過程中鋼材內部金屬的物態變化過程形成微裂紋等）（2）反復荷載作用下，微裂紋處于高峰應力，造成裂紋的擴展。（3）鋼結構有效截面逐步縮小，發生突然斷裂。（4）疲勞破壞是脆性斷裂，危害極大。疲勞的概念學生理解起來比較抽象，但實際生活中同學們都看到過疲勞現象，只是不知道這就是疲勞。可以用下面的問題引出這個概念，一根鐵絲怎么用手弄斷？學生根據自身的經歷很容易回答出，用手反復拗鐵絲就可以折斷它，這其實就是疲勞破壞，反復荷載作用下的突然斷裂。疲勞破壞的影響因素有缺陷、荷載循環次數、應力幅，這也可以用拗鐵絲的問題來解釋。有刻痕的鐵絲比光滑的鐵絲易折斷（缺陷因素）;拗一次肯定不斷，很多次就可以折斷（荷載循環次數）;拗的幅度越大越容易折斷（應力幅因素）。因此，將復雜的概念和日常生活的現象聯系起來，特別有助于學生對概念的理解。

三、對比分析

鋼結構的教學內容包括鋼材的性能、構件的設計方法和連接的設計方法，在講授的過程中可以對比分析各部分的內容，理清思路，從中找到異同，掌握其知識點能達到事半功倍的效果。在講解鋼結構的連接這部分內容時，要重點講解連接的計算及連接的構造要求等[5]。在教學中要給學生講清楚連接計算的思路。螺栓連接部分計算公式繁多，螺栓有普通螺栓、摩擦型高強度螺栓和承壓型高強度螺栓之分，單個螺栓承載力有抗剪、抗拉、兼受剪拉之分，受力狀態又有均勻受剪、均勻受拉、受扭、受彎、彎剪、拉彎之分，如理不清思路，教師難教，學生難學。高強度螺栓承壓型連接施工過程和高強度螺栓摩擦型連接一樣，需要施加預拉力，但破壞準則和普通螺栓相同，因此承壓型高強度螺栓單個螺栓的承載力公式和普通螺栓的單栓承載力公式基本相同。螺栓群偏心連接驗算的思路：第一步計算出單顆螺栓的抗剪、抗拉承載力設計值;第二步找出內力作用下受力最大的螺栓，計算出這顆螺栓在內力作用下應承擔的力;第三步驗算受力最大的螺栓，若受力最大螺栓的力小于單顆螺栓的承載力，則整個螺栓群就滿足傳力要求了。上述螺栓群偏心連接驗算第一步中，普通螺栓和高強度摩擦型連接各有一套公式;第二步所有類型的螺栓計算基本一樣，除了抗彎時中和軸位置不同[6];第三步對所有類型的螺栓是一樣的。這樣通過對比分析，理順思路，螺栓連接部分的驗算就不難了。

四、注重構造要求的講解

鋼結構理論計算固然重要，但課程中涉及的構造要求同樣重要，都是不容忽視的重要方面。《鋼結構設計標準》[7]對各類構件的相關構造規定是通過長期的工程實踐經驗總結出來的，對于結構計算是必不可少的補充，同時還考慮了施工的便利。在課堂教學中要引導學生對構造要求的學習，避免學生重計算輕構造的錯誤認識。在講授具體的構造規定時，要把重心放在構造原理的講解上，讓學生充分理解構造要求的作用和實質，而不是去死記硬背，這樣才能使學生以后在工作實踐中靈活運用，達到教學目的。鋼結構中的構造要求比較多，內容比較零散，有時通過表格的形式，可以比較清楚地加以總結。如焊縫的構造要求可用表1總結。

五、結語

鋼結構課堂知識多，在課堂教學中應注重基本概念、解題思路、構造要求等的講解。根據不同的知識點，采取不同的教學方法，激發學生的學習興趣，提高鋼結構課程的教學效果。

參考文獻：

[1]余衛華，史嬌，李宗利.鋼結構課程教學內容和方法的改革[J].高等建筑教育，2014，23（1）：54-57.

[2]謝甫哲.基于卓越工程師計劃的鋼結構課程教學探討[J].高等建筑教育，2018，27（5）：86-90.

[3]姚行友，郭彥利.《鋼結構》課程教學內容和教學方法改革探索[J].教育教學論壇，2019，（6）：131-132.

[4]王若林，郭耀杰，杜新喜.土木工程專業鋼結構課程本科教學探討[J].高等建筑教育，2013，22（4）：51-54.

[5]吳建華.《鋼結構》教學改革探索與“流水線法”[J].浙江科技學院學報，2004，16（4）：284-286

[6]戴國欣.鋼結構[M].第4版.武漢：武漢理工大學出版社，2012.

[7]中華人民共和國建設部.鋼結構設計標準（GB50017-2017）[S].北京：中國建筑工業出版社，2017.

Classroom Teaching Research on Steel Structure Course in Civil Engineering

YANG Yong-hua1，WU Jie2

（1.College of Civil Engineering，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China;

2.College of Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China）

Abstract：Steel structure is a foundation curriculum in civil engineering.It contains many? new concept、marks、formula and detailing requirements，and it is closely related to relevant code.In order to stimulate students' interest and improve teaching effect，the teachers should pay more attention on fundamental concepts、resolving ideas and detailing requirements.

Key words：steel structure;civil engineering;professional curriculum;classroom teaching