鋼結構原理教學內容和教學方法的探討與實踐

劉學春 白正仙 朱濤

摘要：鋼結構原理作為土木工程專業（含結構工程、橋梁工程、地下工程、軌道工程方向）的必修課，其重要性不言而喻。為適應鋼結構的應用和發展，結合鋼結構的教學科研，探討鋼結構原理課程的內容設置、學時分配、課堂教學和實踐教學比例，結合多媒體、結構試驗技術等手段探討課堂和實驗教學的方法，以提高學生聽課積極性，調動學生情緒，增加師生互動。同時，結合教師的科研內容，實現理論教學、工程實踐應用及科研的有效結合，激發學生的創新思維能力。

關鍵詞：鋼結構原理;教學實驗;工程案例;創新思維

中圖分類號：G642.0;TU391 ? 文獻標志碼：A ? 文章編號：1005-2909（2020）04-0101-08

目前，中國在建造中所產生的建筑能耗占社會總能耗的1/3，并不包括生產建筑材料所產生的能耗。中國每年城鄉新建房屋面積80%以上、既有建筑95%以上為高能耗建筑。中國每年產生建筑垃圾近15億t，主要有渣土、碎磚瓦、碎砂石、碎混凝土等，建筑垃圾資源化率不到5%，建筑施工和建筑垃圾運送是城市主要污染源之一，對空氣污染的貢獻率達20%。發展全壽命過程綠色建筑是解決上述問題的重要途徑，而鋼結構建筑具有綠色建筑的優點[1-8]。

2016年中國粗鋼產量占全球粗鋼總產量的49.6%，產能嚴重過剩，鋼結構的應用可提高鋼鐵的利用率，緩解產能過剩的問題，實現鋼鐵的戰略儲備。在美國、日本等發達國家，鋼結構工程建筑面積占總建筑面積的40%以上，而在中國，這一比例僅5%左右。鋼結構屬于綠色建筑，可減少施工污染，建筑物超過使用年限拆除時也可最大限度減少建筑垃圾，實現建筑材料的重復利用。鋼結構在各個領域的應用和發展具有廣闊的前景，得到了國家的大力支持和企事業單位的高度關注[9]。2016年2月6日，《關于進一步加強城市規劃建設管理工作的若干意見》指出，要發展新型建造方式，大力發展鋼結構建筑。2016年9月14日，國務院總理李克強主持召開國務院常務會議，會議認為，按照推進供給側結構性改革和新型城鎮化發展的要求，大力發展鋼結構等裝配式建筑，對推動化解過剩產能有一舉多得之效。北京工業大學、湖南遠大可建、北新集團、杭蕭鋼構、山東萊鋼、上海寶鋼等企事業單位通過產學研合作、自主研發等形式大力推行裝配式鋼結構建筑，并已初見成效。2011年7月28日，由寶鋼發起，國內23家行業知名企業、高等院校和科研機構參與的國內首個裝配式鋼結構民用建筑產業技術創新聯盟在上海宣告成立。2011年長沙遠大可建科技有限公司在湖南用15天時間建造了一幢30層的高樓T30[10-12]，應用該項技術已在湖南、上海、湖北、山東、福建、山西等地建成近30棟可建工程示范項目，總建筑面積約30萬m2。杭蕭鋼構研發鋼結構產業化住宅，建設包頭萬郡大都城住宅項目，項目總建筑面積約100萬m2。

鋼結構建筑的發展方興未艾，應用領域已從大跨度、超高層結構到普通中低層住宅、辦公、商業建筑以及低層別墅建筑。在這種形式下，作為培養人才的高等學校必須更加重視鋼結構教學和人才培養。

一、教學內容與教學大綱的調整

（一）教學目的和任務

鋼結構原理為土木工程專業的學科基礎必修課之一。課程的目的是為學生后續相關專業課學習、畢業設計及今后從事鋼結構相關的設計、施工及科研工作打基礎。課程的任務是使學生全面掌握鋼結構材料、構件、連接及其設計的基本概念、基本理論、基本方法、基本技能，理解鋼結構的體系組成、構造要求，了解鋼結構新材料、新體系、新技術及新工程的發展動態。

（二）教材的選擇

鋼結構建筑在20世紀應用較少，主要應用于特別重要的建筑，尤其是混凝土結構難以實現的建筑。進入21世紀，隨著中國鋼產量的不斷增大，鋼結構造價越來越低，鋼結構建筑應用得到迅速發展，特別在大跨度大空間領域應用廣泛，基本取代了混凝土結構大跨度屋蓋體系。鋼結構教學也越來越受到重視，許多設有土木工程學科的學校，特別是建筑老八校，都根據自身教學科研的優勢編寫了鋼結構原理或鋼結構基礎的教材。這些教材是普通高等教育“十一五” “十二五”國家級規劃教材，編制內容豐富，除了材料、基本構件、連接的計算方法，還涉及疲勞、防腐、防火，有些教材還包含一些柱腳等特殊節點的設計擴展，包括一些鋼結構的加工制作方法，有些教材也在原理階段拓展了體系的設計分析方法，如單層廠房、多高層房屋結構、大跨度房屋結構等[13-18]。綜合考慮后，北京工業大學選用了西安建筑科技大學編寫的《鋼結構基礎》教材[19]，該書包括概述、鋼結構材料、構件截面承載力-強度、構件截面承載力-穩定性、整體結構中的壓桿和壓彎構件、鋼結構正常使用極限狀態、鋼結構的連接和節點構造、鋼結構的脆性斷裂和疲勞、簡單鋼結構設計示例、鋼結構的防腐蝕和防火共10章，內容涵蓋了教學大綱的內容，還有一些拓展內容。

（三）課時分配

在學時分配方面，調研了國內高校特別是985、211學校的學時設置，如，清華大學鋼結構原理課程為48學時，同濟大學、哈爾濱工業大學鋼結構原理課程為56學時，湖南大學48學時，東南大學40～48學時，重慶大學40學時，華南理工大學40學時，西安建筑科技大學48學時，北京交通大學48學時，大連理工大學32學時，北京建筑大學32學時。在整個學時壓縮的大環境下，大多數學校鋼結構原理課程學時是比較合理的，但許多高校也表示近年鋼結構原理的學時將調整增多，說明鋼結構的教學越來越受到重視。北京工業大學鋼結構原理課程為32學時，但基本每年都會和五一勞動節、端午節假期沖突而去掉2學時，實際上基本為30學時。在調研中發現，一些學校還設置了實驗課、習題課、討論課。目前，北京工業大學鋼結構原理課程只有30學時，學時數明顯小于國內高校普遍的學時水平。但在本科課程總學時下調的大背景下，增加學時基本沒有可能，只有充分利用這30個學時，結合課上講解和課下自學，使學生掌握后續鋼結構設計課程和工作中鋼結構設計所需的基礎知識。同時，可縮減講課學時，增加實驗、討論、習題課、工程參觀等，以豐富課堂形式，活躍課堂氣氛，激發學生的學習熱情。

（四）教學內容調整

根據教學學時，對原教學內容進行了調整（表1）。通過縮減授課內容使重點更加突出，難點問題講解時間增加，教學形式更活潑，學生掌握程度更好。對于縮減的次要內容，采用課后自學的形式，或講課與自學結合的形式，再通過課堂前5 min的提問檢驗。通過2015/2016兩級土木工程專業建筑工程方向的教學實踐，取得了較好的教學效果。

通過鋼結構原理課程教學，培養學生以下基本能力：

（1）使學生掌握鋼結構的設計原則及設計思路，培養學生解決實際鋼結構工程問題的工程意識和基本能力。

（2）培養學生根據鋼結構基本理論和設計方法，應用工程分析設計軟件分析實際鋼結構的受力及連接特點，解決相應工程問題的基本能力。

（3）使學生了解和理解預應力鋼結構相關規范、規程和標準，培養學生依據現行規范解決實際工程問題的基本能力。

二、教學形式和氣氛

（一）教學動畫應用

在鋼結構原理學習中，有些概念較為簡練抽象，為激發學生的學習興趣，應加深學生對基礎原理、基本概念的理解，充分發揮多媒體課堂的教學優勢。例如，在講授軸心受壓桿件扭轉屈曲、彎曲屈曲和彎扭屈曲時，采取有限元軟件以動畫形式給學生演示，讓學生能清楚地辨別不同種類屈曲變形的區別，如圖1所示。動畫形象生動描述了軸心受力壓桿屈曲的3種形式：扭轉屈曲（部分雙軸對稱截面，如十字形截面），各桿件截面（除支撐端）均繞縱軸扭轉;彎曲屈曲（雙軸對稱截面），桿件只發生彎曲變形，截面只繞一個主軸旋轉，桿的縱軸變為曲線;彎扭屈曲（單軸對稱截面，如T字形截面），桿件失穩時，同時發生彎曲和扭轉變形。通過動畫演示，在相對枯燥的基本原理學習中加深學生的理解和記憶，便于學生對知識的鞏固和掌握。

（二）設置教學實驗

鋼結構的構件整體穩定問題是教學的難點和重點，但教材中微分方程的推導過程非常難懂，且很不形象，學生不容易掌握。制作教學實驗的錄像，使學生能直觀觀察鋼結構構件失穩的全過程。通過實驗，學生很容易掌握失穩的外在表現特征，掌握失穩的特點，然后再結合實驗現象，分析失穩的本質。如圖2（a）所示，在梁的整體失穩試驗中，梁兩端鉸接，中間三分點處兩點加載，上翼緣側向位移未受到約束，發生彎扭失穩，與理論分析結果一致。如圖2（b）所示，進行了軸心受壓構件失穩試驗。試件兩端鉸接，施加豎向軸心壓力，試件發生繞弱軸的彎曲失穩，與理論分析一致。結合荷載位移曲線，講解彎曲失穩的現象和內因及截面應力分布規律。如圖2（c）和（d）所示，進行了壓彎構件失穩試驗，通過調整偏心大小，得到了平面外和平面內失穩的實驗現象。

（三） 學生座談與調查問卷

在教學前給全體學生發放調查問卷，了解學生對這門課的需求，包括學生想通過這門課學到什么，希望采用什么樣的講解形式，以及學生的職業規劃。在講課中，根據學生的需求調整講課的形式和內容。在考試結束后，找幾位有代表性的學生，請他們對整個課程的設置、講解的方法、講解的內容等提出意見和建議，這樣可以對下一屆的授課進行必要的調整。

（四）教具的制作和使用

聚氨酯是一種高彈性的材料，可以發生很大的彈性變形，荷載去除后，能很快恢復原來的形狀。筆者制作和購買了聚氨酯棒和聚氨酯板材，制作了教具。用長的聚氨酯圓棒可以模擬軸心受壓構件的穩定。學生可以在課上課下用自制教具實驗（圖3），模擬失穩的全過程，結合失穩過程的外在表現，理解軸心受壓構件失穩的內因。自制教具實驗既能清楚演示構件失穩的形式，也能豐富課堂，激發學生的學習興趣。同時，利用聚氨酯板，剪裁、粘接，制作了H型鋼、方鋼管等，模擬鋼構件的壓彎構件平面外、平面內失穩，軸心受力構件彎曲失穩。通過長構件與短構件對比實驗，理解失穩破壞和強度破壞的區別和產生的原因。調整板材的寬厚比，演示整體失穩、局部失穩及二者的耦合失穩。通過聚氨酯教具的使用，直觀演示復雜的失穩問題。學生親自動手實驗，活躍了課堂氣氛，提高了學生學習興趣，加深了對穩定概念的理解。

（五） 校園內工程參觀教學

鋼結構原理是鋼結構設計的基礎。學生掌握了鋼結構原理的計算，但如果不結合實際工程，學生不知道如何將原理應用到實際中。校內有很多鋼結構的工程和構件，在課程的最后帶領學生參觀校內的鋼結構工程，講解工程中構件的分類（軸心、拉壓彎、彎曲構件）及計算方法，幫助學生將所學知識應用于實際。校內工程有輸電塔架，構件以軸心受力構件為主，連接采用普通螺栓，如圖4（a）所示。圖4（b）所示的廊道，斜支撐為軸心受力構件，水平構件既承擔樓板或屋面豎向荷載又承受軸力，為拉壓彎構件，豎向構件以軸力為主，為軸心受力構件。圖4（c）奧運會羽毛館——弦支穹頂結構。上層單層網殼為拉壓彎構件，周邊立體三角形桁架主要由軸心受力構件組成，撐桿為軸心受壓構件，下層為環向拉索和徑向拉桿。結合這個工程可以講解拉壓彎構件、軸心受力構件的計算內容和方法，構件連接的計算，構件的計算長度，索的計算方法。此外，參觀了校內的游泳館——焊接球網架，體育場看臺——螺栓球網架、雨棚等。校內還有許多鋼結構設施，可能叫不出體系的名字，在這種情況下，給學生講解如何區分三大類構件，如何針對構件確定計算分析內容，如何計算分析。這種形式使學生直接面對實際工程，而且在校園內十分方便。

（六）科研與教學結合

筆者近年對新型裝配式鋼結構節點、異形鋼構件及組合構件、新型裝配式鋼結構、預應力鋼結構等方面進行了研究[20-28]。在鋼結構原理課程教學中適當引入一些研究項目的研究背景、研究內容、研究手段及研究成果，特別是遇到的問題及解決過程，讓學生興趣盎然，激發學生研究興趣，部分學生積極主動參與項目研究，培養了研究創新能力。

三、結語

通過兩年的教學改革和實踐，取得了一些成效，提出以下意見供讀者參考：

（1）在課時很少又不能增加課時的情況下，可以縮減教學內容、重點講解，重點內容學生掌握之后，其他內容可以結合課下自學、課上提問的形式，讓學生掌握。一方面節約上課時間，另一方面鍛煉學生自學能力。

（2）可以使用SolidWork，AutoCad，3DMax等軟件制作教學動畫，演示構件的加工制作、安裝及受力變形過程。結合Abaqus、Ansys等有限元分析軟件，對軸心受力構件、壓彎構件、受彎構件進行模擬分析演示，使學生清晰直觀地看到構件強度破壞、失穩破壞的整個過程，加深對概念的理解。

（3）制作軸心受力構件、壓彎構件、受彎構件進行實驗，演示構件的失穩全過程，可以豐富課堂形式，活躍氣氛，激發學生興趣，加深對失穩破壞現場和內因的理解。

（4）聚氨酯教具可以演示軸心受力構件、壓彎構件、受彎構件整體失穩、局部失穩破壞過程，使學生直觀理解鋼結構構件的破壞過程、受力特點，激發學生學習興趣，活躍課堂氣氛。

（5）結合校內工程的參觀和實踐教學，讓學生直接面對工程，使鋼結構原理的基礎知識能在鋼結構工程的設計實踐中得到應用，學生對這種形式也非常感興趣。

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Abstract：?As a compulsory course for civil engineering specialty including structural engineering bridge engineering underground engineering track engineering the importance of steel structure principle is self-evident. ?In order to adapt to the application and development of steel structure， setting and adjustment of the teaching content， allocation of teaching hours and proportion of classroom teaching and practical teaching are studied combined with the teaching and scientific research of steel structure. Methods of classroom and experiment teaching are discussed combined with multimedia and structural test technology the contents forms and methods of experiment teaching are provided. This paper explores how to improve students enthusiasm in classes， how to arouse students study emotions and how to strengthen interaction between teachers and students. At the same time， it discusses how to combine teachers scientific research content realize the effective combination of theoretical teaching， engineering practice application and scientific research， and stimulate students innovative thinking ability.

Key words： the principle of steel structure; teaching experiment ; ?engineering cases; ?innovative thinking

（責任編輯 周 沫）