結構力學課程教學實用性研究*

艾海英 王邵臻 路 維 楊建功

結構力學課程教學實用性研究*

艾海英**王邵臻 路 維 楊建功

北京科技大學天津學院土木工程系，天津 301830

結構力學是土木工程專業(yè)學生的主干課程，如何改進教學策略，實現(xiàn)該課程的有效教學非常重要。本文主要針對課程的實用性展開研究，提出了三點教學建議：簡化模型與實際構造相結合；上承現(xiàn)實構造，下接基礎力學；鼓勵學生積極參加課外實踐活動。教學實踐表明，基于實用性的教學方法能夠取得良好教學效果。

結構力學；實用性；教學建議

結構力學是從基礎力學(理論力學和材料力學)到工程實踐的橋梁，在土木工程教學中有著至關重要的地位。從課程的實用性角度考慮，單純的講授性教學，只教會學生如何計算和解題是遠遠不夠的，更重要的是教會學生為什么要學習這門課程，學習這門課程可以解決哪些問題，如何把所學知識應用到工程實踐中去，達到理論與實踐相結合的完美統(tǒng)一。

根據(jù)近些年來的教學經(jīng)驗，基于對結構力學課程教學的實用性研究，提出以下三點教學建議：

一、簡化模型與實際構造相結合

結構力學教材一般都以簡化模型為基礎展開分析計算，雖然教會了學生理論知識和解題技巧，但難免會有學生質疑：這個力學模型是如何得來的，模型在現(xiàn)實中對應何種工程結構，甚至有學生會覺得在現(xiàn)實中從未見過這種構造。在教學過程中，建議將簡化模型與實際構造相結合進行講解，可取得更好的教學效果。舉例如下：

圖1

圖2

圖1所示的簡化模型對學習過結構力學的學生而言并不陌生，但感性認識就像滑板車一樣，很難跟現(xiàn)實的實際工程聯(lián)系在一起，而圖1實際上就是由圖2所示的橋梁結構簡化而來的。從幾何構造分析可知，梁AB和CD直接由墩身固定于基礎，是幾何不變的，短梁BC兩端支撐于梁AB和CD的伸臂上，整個結構是幾何不變的。梁AB和CD本身(不依賴梁BC)就可以承受荷載，稱為基本部分。梁BC依靠基本部分的支承才能承受荷載并保持平衡，稱為附屬部分。由此可以舉一反三：多跨靜定橋梁是由幾根梁組成的，直接固定于基礎的是基本部分，依賴于基本部分的是附屬部分，計算時可以把梁拆分成幾個單跨靜定梁，逐個去解決，避免求解聯(lián)立方程的麻煩。為了簡化計算，基本部分和附屬部分之間的連接可以視為鉸支座支承，從而得到需要的簡化模型。有意識的培養(yǎng)學生這種觀察、分析實際問題的能力至關重要，教學過程中應對這方面的內容加以著重的引導和分析。

二、上承現(xiàn)實構造，下接基礎力學

結構力學是以梁和剛架等簡化模型為基礎，分析其受力和變形，它是一門承上啟下的學科，上承基礎力學，下接現(xiàn)實工程結構，是聯(lián)系基礎力學知識與工程實踐的一個階梯。如果這個階梯可以打牢，未來初入職場就能夠得心應手，如果這個階梯沒有打牢，一旦接觸實際工程就會舉步維艱。為了豐富課程的實用性，教學過程中做好荷載分析和基礎力學的銜接非常重要。舉例如下：

圖3(a)

圖3(a)所示為一鋼筋混凝土結構的工業(yè)廠房，梁柱均為預制構件，梁端和柱頂通過焊接連接，柱子下端埋入基礎杯口，以細石混凝土填充。梁柱在橫向平面內組成排架結構，各個排架之間，上邊有屋面板相連，牛腿柱上有吊車梁相連。

面對這樣一個實際工程，可從課程實用性的角度教授學生分析的思路和步驟，然后拓展性的引導學生聯(lián)系荷載規(guī)范和基礎力學，解決整個廠房梁柱結構的設計問題。

(一)將空間結構轉化為平面結構。廠房雖然是由多個排架結構組成的空間體系，但是每個排架結構布置相似，沿縱向有規(guī)律的排列，廠房沿縱向所受的恒荷載和活荷載也是均勻分布，所以可以把這些荷載分配給每個排架，而將每個排架看作一個獨立的體系，這樣就可以把空間結構簡化成平面結構了，如圖3(b)所示的平面簡化模型。

圖3(b)

(二)實體桿件轉化為直線型。桿件的截面尺寸，如截面寬度和截面高度都比較小，相對于長度而言要小得多，因此，桿件可以用其軸線來代替。為簡化計算，軸線可以近似的看成直線。

(三)連接部位約束類型的判定。梁與柱的連接是通過梁端和柱頂?shù)念A埋鋼板焊接而成，梁端和柱頂之間雖不能發(fā)生相對位移，但仍有發(fā)生微小相對轉動的可能性，因此可近似取為鉸結點。柱底和基礎之間可以認為不能發(fā)生相對位移和相對轉動，因此柱底可取為固定端。最終得到圖3(c)所示的簡化模型。

圖3(c)

(四)荷載的分析與簡化。綜合分析該工業(yè)廠房所受的荷載，豎向荷載包括豎向恒荷載和豎向活荷載，恒荷載如結構本身的自重，活荷載如屋面活荷載、雪荷載、吊車輪壓、積灰荷載和檢修荷載等，橫向荷載包括橫向風荷載和橫向地震荷載。結合建筑結構荷載規(guī)范分別計算上述荷載，然后進行荷載的內力組合和力矩分配，轉化為節(jié)點或者桿件的彎矩、剪力和軸力數(shù)值。

(五)結構力學求解桿件的內力。該結構為一次超靜定結構，可以應用力法、位移法等超靜定結構的計算方法進行分析，最終求出桿件的彎矩、剪力和軸力數(shù)值，繪制其內力圖。

(六)材料力學分析結構的微觀變化。利用材料力學分析結構的強度、剛度和穩(wěn)定性問題，并可以綜合變形協(xié)調方程和邊界約束條件等對超靜定排架結構進行深度剖析，還可以分析吊車梁動力荷載作用以及疲勞失效的問題。

這樣，就可以將常見的工業(yè)廠房，從模型簡化到荷載分析，從結構力學到材料力學，完整的完成了一個實際工程案例的分析、計算和設計任務。這對激發(fā)學生的學習熱情和動力，無疑是一劑良藥，在很大程度上能夠激發(fā)他們的求知欲望。

三、鼓勵學生積極參加課外實踐活動，在實踐中認識結構力學的實用性

(一)課堂講授與課外觀察相結合。結構力學教學中涉及到的計算模型都有對應的工程實體結構，但如果僅憑理論教學的講授，很難讓學生在理論和實際之間建立起良好的聯(lián)系。因此，理論教學中，應恰到好處的引導學生自主聯(lián)系工程實際。例如，結構力學理論教學中涉及的支座類型只有滾軸支座，鉸支座，定向支座，固定支座四種，但在工程實際中，結構的連接形式多樣，這就需要引導學生自主觀察分析，總結其中的聯(lián)系。在教學過程中，可布置課外作業(yè)，讓學生自主去工程現(xiàn)場實地觀察，通過拍照的方式將工程結構中的各種連接方式帶回課堂，選出具有代表性連接方式進行課堂討論分析，做出合理的判斷，應該簡化為何種支座。通過實地觀察，學生有了很好的感性認識，討論分析的過程就是對課堂知識的溫習和升華，不僅可以活躍課堂氣氛，也可以培養(yǎng)學生分析并解決實際問題的思路和技能。

(二)組織相關的結構設計大賽，適當調整成績的考核標準，對積極參加比賽并表現(xiàn)優(yōu)秀的同學給予一定的加分鼓勵。此舉不但可以激發(fā)學生的學習興趣，更能鍛煉他們的動手能力。例如可以組織結構建模大賽，讓學生以小組為單位報名，利用課余時間完成。由學生自主選材，根據(jù)力學架構和造型設計進行模型的搭建，制作出受力性能好，外形美觀的建筑模型。由教師團隊擔任評委，通過承重試驗和綜合評分，最后確定優(yōu)勝者。

(三)利用假期組織工地參觀和生產(chǎn)實習。結構力學涉及梁、剛架、桁架和三鉸拱等計算模型在現(xiàn)實工程中都有很普遍的應用。如果條件允許，盡可能地聯(lián)系相應的工地，帶領學生去實地參觀實習。實習過程中，學生可深入施工現(xiàn)場，接觸實際工程，較深入地了解結構之間的聯(lián)系。實習不但能鞏固和加深課堂所學知識，更能理論聯(lián)系實際，培養(yǎng)分析問題和解決問題的能力，為將來參加工作打下堅實的基礎。實習結束后，可以要求學生選擇某一部分結構做力學分析，從模型簡化到力學計算完成綜合性的大作業(yè)并進行考核評分，以期達到對知識的融會與貫通。

通過科學合理的組織設計教學過程，做到理論和實踐相結合，可幫助學生真正認識到結構力學的實用性。近幾年來，根據(jù)結構力學教學大綱人才培養(yǎng)的要求，我們利用上述教學方法，教學效果取得顯著提高。今后，我們將繼續(xù)努力，把結構力學的實用性不斷引入到教學當中，為學生日后走上工作崗位打下良好基礎。

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Structural mechanics is a main course for students majoring in civil engineering.How to improve teaching strategies and realize effective teaching of this course is very important.This article mainly aims at the practicability of the curriculum and puts forward three teaching suggestions：The simplified model is combined with the actual structure；On the basis of reality structure，the following basic mechanics；Encourage students to take part in extracurricular activities.The teaching practice shows that the teaching method based on practicability can achieve good teaching effect.

Structural mechanics；Practicability；Teaching suggestion

*北京科技大學天津學院《結構力學》優(yōu)秀課程建設項目(NO.yx201601)。

O342-4；G

A

1006-0049-(2017)16-0010-02

**作者簡介：艾海英(1984-)，女，碩士，北京科技大學天津學院土木工程系，講師，主要從事結構方向的研究。