橋梁工程專業鋼結構課程教學探討

赫中營　康帥　杜文風　張建偉　韓長玉

摘? 要：隨著鋼結構橋梁需求的日益增長，鋼結構對本科教育階段橋梁工程專業的學生愈發重要。目前的鋼結構教材對橋梁工程專業的針對性不強，對鋼結構橋梁規范涉及不多，應予以完善。通過增加橋梁鋼結構標準（規范）、鋼結構橋梁構造和鋼結構橋梁工程算例等內容，提高鋼結構教學內容對橋梁工程專業的針對性;理清課堂教學中鋼結構理論（包括構造）與實踐的關系，確定各部分內容的合理教學方式，確保教學效率及教學效果;考慮不同層次學生的需求，適當增加部分高階內容的講解，引導學生進行科研探索。

關鍵詞：橋梁工程;鋼結構;教學內容;教學方式

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）05-0094-05

Abstract： With the increasing demand of steel structure bridges， steel structure course is becoming more and more important to bridge engineering students in undergraduate education. At present， the Steel Structure textbook contents are not targeted to the bridge engineering specialty， and does not involve too much about the steel structure bridge specification， so the teaching content of steel structure should be improved for bridge engineering major. By adding the steel structure standard （specification） of bridge engineering， steel bridge structural requirement， steel bridge engineering calculation examples and other content， make the steel structure teaching content pertinent to the bridge engineering specialty. Clarifying the relationship between steel structure theory（including structural requirement） and the project practice in classroom teaching， the reasonable teaching mode of each part can be determined， and the teaching efficiency and teaching effect can be ensured. Taking into account the needs of students at different levels， some explanations of higher-order content should be added appropriately， and exploring scientific research of students can be guided.

Keywords： bridge engineering; Steel Structure; content of courses; teaching mode

隨著我國交通基礎設施建設的大力持續投入，我國的道路、橋梁、隧道和市政等工程快速發展，截至2019年底，我國公路總里程達到501.25萬公里，其中高速公路14.96萬公里;全國鐵路營運里程突破13.9萬公里，其中高速鐵路達到3.5萬公里，高速鐵路橋占比普遍達50%以上，滬杭高鐵橋占比達87%，京津城際鐵路橋占比達88%，廣珠城際鐵路橋占比更是高達94%;全國公路橋梁87.83萬座、6 063.46萬米，公路隧道19 067處、1 896.66萬米。然而，雖然我國公路橋梁建設成就卓著，但其中鋼橋占比不足1.0%，鐵路橋梁結構形式也主要以中小跨徑混凝土簡支梁為主。

2016年7月13日，交通運輸部發布了《交通運輸部關于推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見》（交公路發〔2016〕115號）[1]，明確要通過5年的努力，使我國公路行業鋼結構橋梁設計、制造、施工、養護技術基本成熟，技術標準更加完備，新建的特大、大跨徑橋梁以鋼結構為主，新改建工程中的常規橋梁，使用鋼結構橋梁的比例獲得明顯提升。意見提出了加強鋼結構專業人才培養的措施，“鼓勵高校、科研、設計、制造、安裝和管養等單位加強鋼結構專業人才的引進和培養。各地應積極開展《公路鋼結構橋梁設計規范》[2]《公路鋼混組合橋梁設計與施工規范》[3]等相關標準規范和知識技能的專項培訓，提高鋼結構從業人員的技術素質和專業水平”。

高校是專業人才培養的第一站，其培養質量直接影響專業人才的服務效率、價值及再成長。然而，目前國內的鋼結構教材[4-9]主要偏重于建筑結構，其中的示例、算例集中在建筑結構構件，內容也主要集中在桿系結構。與結構工程專業相比，橋梁工程專業鋼結構的授課內容具有特殊性，應結合鋼橋結構構件、鋼橋設計規范及鋼結構基本設計計算原理進行講解。何若全教授主編的《鋼結構基本原理》（第2版）[6]結合了新規范GB 50017-2017《鋼結構設計標準》[10]和JTG D64-2015《公路鋼結構橋梁設計規范》[2]的相關內容，譚金華副教授、楊吉新教授等主編的《橋梁鋼結構》[11]將鋼結構和鋼橋內容進行了有機結合。另外，橋梁結構中除了常用的桁架、框架等桿系結構外，大斷面箱梁、扁平箱梁等也是常用的結構形式之一，但目前的鋼結構課程較少提及。

隨著鋼結構橋梁建設的迅速增長，鋼結構在橋梁工程專業課程體系中的權重逐步提高。本文結合作者多年的橋梁工程實踐經驗、鋼結構及其他相關課程的教學經驗，依據以往鋼結構教學效果，分析總結經驗教訓，在橋梁工程專業鋼結構課程的教學任務、教學內容、學時分配和教學方式等方面進行探討，以期為橋梁工程專業鋼結構課程教學提供參考。

一、教學任務

鋼結構是橋梁工程專業的學科基礎課之一，根據行業發展情況，目前在課程體系中應與混凝土結構具有同等重要的地位，應設置為專業必修課。

學生通過本課程的學習，應較全面地掌握常用橋梁鋼結構構件、連接的分析原理及設計計算方法，熟悉橋梁鋼結構材料、構件和連接的專業知識，初步獲得必備的鋼結構橋梁的體系組成、構造要求、基本理論及基本設計能力，了解橋梁鋼結構新材料、新技術、新工藝及新結構形式的發展動態，為后續橋梁工程專業課學習、設計奠定理論基礎，為最終從事鋼結構橋梁的設計、施工及科研工作打下堅實基礎。

結合土木工程教指委文件建議、土木工程專業認證要求、行業發展需求，橋梁工程鋼結構的課程教學應培養學生以下基本能力：

（1）掌握常用鋼結構連接、構件的特點、分析原理及設計計算方法。要求學生掌握焊接和螺栓連接的特點，能正確地選用合理的連接方法，并準確地設計連接。要求學生掌握鋼結構基本受力構件（軸心受力構件、受彎構件、拉彎和壓彎構件）的計算理論、設計方法。

（2）了解鋼結構及材料現狀與發展趨勢，理解鋼結構的相關規范、規程和標準，培養學生鋼結構工程構造要求意識，根據橋梁結構的具體使用要求、工作環境和不同種類鋼材的性能，正確地選用鋼材，考慮構造要求，正確設計構件及連接。

（3）培養學生具備初步運用計算機、專業原理、工程方法及軟件分析橋梁鋼結構的能力。

除以上基本能力要求外，應考慮部分優秀學生的高階需求，適當補充教學內容及工程問題，初步培養學生對橋梁工程鋼結構的科研興趣、誘發科研思維及引導科研能力。

二、教學內容

（一）教材概況

目前土木工程鋼結構教學所采用的教材，由基本理論和工程結構兩部分組成，部分教材包括鋼結構耐久性、鋼結構塑性設計的內容[5，7]。基本理論的內容主要按構件受力類型劃分章節，包括材料性能、連接、軸心受力構件、受彎構件、拉（壓）彎構件及節點構造[6-9];部分教材按強度、剛度和穩定等驗算內容劃分章節，包括材料性能、強度、穩定性、剛度、連接及節點、脆性斷裂和疲勞[5]。工程結構部分的內容一般針對單層廠房鋼結構、多高層房屋結構、大跨度房屋結構、桁架及屋蓋、門式剛架以及鋼管結構等[5-9]，陳紹蕃教授等人[5]編著的《鋼結構（上冊）-鋼結構基礎》（第4版）列舉了桁架橋的橋面系結構設計示例。

綜合目前鋼結構教材，在基礎理論部分內容基本相同，工程結構部分基本都偏于工民建結構，目前作者在教學過程中以張耀春教授[7]編寫的《鋼結構設計原理》為主線，同時將陳紹蕃教授等人[5]編寫的《鋼結構（上冊）-鋼結構基礎》（第4版）和何若全教授[6]編寫的《鋼結構基本原理》（第2版）作為必須參考書。

（二）不同方向鋼結構內容整合

結合鋼結構的先修課程材料力學[12]、結構力學[13-15]，相關課程結構設計原理[16]及后續課程橋梁工程[17-19]的內容章節，本課程在基本理論部分仍采用按構件受力類型進行講解，考慮到橋梁工程結構的荷載形式及使用環境，在材料性能部分對比橋梁工程及建筑工程對鋼材的性能要求，加強疲勞破壞和驗算的相關內容，在基本理論內容講解部分，緊密結合《鋼結構設計標準》[10]《公路鋼結構橋梁設計規范》[2]《鐵路橋梁鋼結構設計規范》[20]三個規范，對比不同受力構件在不同規范中的規定。比如，在講解主平面內受彎的實腹式受彎構件強度驗算時，同時展示三個規范中的相關內容，如圖1所示。

（三）教學內容及學時分配

橋梁工程專業鋼結構的工程結構部分顯然應偏重橋梁工程結構的內容，因此在教學過程中工程案例部分可采用陳紹蕃教授等人編撰教材的中桁架橋橋面系結構。但是這仍然不足以支撐橋梁工程專業對鋼結構的講授，在教學過程中可將《橋梁鋼結構》[11]鋼梁橋的內容補充進去，教學內容及學時分配見表1。

（四）教學內容擴展

考慮學生的不同能力層次及需求，對教材中的部分內容進行補充完善，形成完備的知識體系，以便照顧有更高需求的學生群體。比如，對于實腹式軸壓構件的整體穩定問題，除了教材中的基本概念及規范規定的整體穩定計算方法外，作者在課堂上增加了整體穩定的完備理論，包括能量法推導彎曲失穩臨界力、扭轉失穩臨界力求解過程、彎扭失穩臨界力求解過程[21]。補充內容不要求學生掌握，目的是使學生對軸壓構件的臨界力有更清晰的認識，同時作為對感興趣學生的引導，更有利于培養高端人才。

三、教學方式

鋼結構課程是理論（包括構造）與實踐并重的課程，二者之間是相輔相成、相互支撐的，理論內容的最終目的是應用于實踐，但在教學過程中實踐的認知有利于理論知識的學習與掌握。基于此，作者認為，在鋼結構課程教學中，理論內容仍然是重中之重，比如構件的穩定、強度等相關理論及設計方法，是學生必須理解掌握的過程，對這部分內容中的高階部分，考慮學生進一步學習的可能，可以不要求掌握，但應知其所以然。

工程實踐部分在鋼結構教學過程中應為理論知識做好服務，這應體現在兩個方面：（1）工程認知，便于理論知識的理解、學習;（2）工程設計，作為理論知識的最終應用。從這里也可看出，鋼結構內容最重要的部分仍然是理論的掌握和運用。因此，在教學過程中，仍然以理論知識講解為主，便于理論知識學習掌握，為相應理論部分提供工程認知;設置課程設計教學環節，為理論知識運用提供工程背景;在各章節教學內容結束后，布置相應作業鞏固學生所學知識。

理清教學過程中理論與實踐的關系，才能制定合理的教學方式，避免本末倒置。具體可采用如下方式：

（1）工程認知可采用圖片、視頻、動畫進行展示。

（2）理論講解可采用PPT、板書等形式進行講解推導。

（3）工程設計可要求學生通過手繪、編程，使用繪圖軟件、計算軟件進行設計。

（4）課程作業可要求學生采用自編程序進行計算。

圖2為教學過程中展示的橋梁鋼結構連接工程認知圖，圖3為往屆學生采用Excel編寫的螺栓連接、實腹式軸壓構件驗算小程序。

四、結束語

根據目前鋼結構教材現狀及橋梁工程專業鋼結構發展趨勢，目前鋼結構教學內容顯然對橋梁工程專業針對性不強，因此，應對橋梁工程專業鋼結構內容予以完善，具體如下：

（1）對于橋梁工程專業鋼結構教學內容予以補充，增加橋梁鋼結構標準（規范）、鋼結構橋梁構造和工程算例等內容。

（2）確定課堂教學中鋼結構理論（包括構造）與實踐的關系，合理確定各部分教學方式。

（3）考慮不同層次學生需求，適當考慮部分學生對高階內容的需求。

參考文獻：

[1]中華人民共和國交通運輸部.交通運輸部關于推進公路鋼結構橋梁建設的指導意見（交公路發〔2016〕115號）[EB/OL].（2016-7-1）.http：//xxgk.mot.gov.cn/jigou/glj/201607/t20160713_2979314.html.

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[21]陳驥.鋼結構穩定-理論與設計（第六版）[M].北京：科學出版社，2014.

基金項目：河南省科技發展計劃項目“橋梁啞鈴型高樁承臺基礎地震破壞機理及性能指標研究”（182300410150）、“新型碳纖維混凝土墩柱抗震性能研究”（162102210173）;甘肅省科技重大專項項目“公路新型鋼混組合橋梁建造成套技術研究及產業化”（19ZD2GA002）

作者簡介：赫中營（1980-），男，漢族，河南淮陽人，博士，副教授，研究方向為橋梁抗震與振動控制，橋梁健康診斷與維修加固，橋梁施工監控與健康監測。