赫中營(yíng) 康帥 杜文風(fēng) 張建偉 韓長(zhǎng)玉
摘? 要:隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁需求的日益增長(zhǎng),鋼結(jié)構(gòu)對(duì)本科教育階段橋梁工程專業(yè)的學(xué)生愈發(fā)重要。目前的鋼結(jié)構(gòu)教材對(duì)橋梁工程專業(yè)的針對(duì)性不強(qiáng),對(duì)鋼結(jié)構(gòu)橋梁規(guī)范涉及不多,應(yīng)予以完善。通過增加橋梁鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)(規(guī)范)、鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)造和鋼結(jié)構(gòu)橋梁工程算例等內(nèi)容,提高鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容對(duì)橋梁工程專業(yè)的針對(duì)性;理清課堂教學(xué)中鋼結(jié)構(gòu)理論(包括構(gòu)造)與實(shí)踐的關(guān)系,確定各部分內(nèi)容的合理教學(xué)方式,確保教學(xué)效率及教學(xué)效果;考慮不同層次學(xué)生的需求,適當(dāng)增加部分高階內(nèi)容的講解,引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行科研探索。
關(guān)鍵詞:橋梁工程;鋼結(jié)構(gòu);教學(xué)內(nèi)容;教學(xué)方式
中圖分類號(hào):G642? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? ? 文章編號(hào):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(chǔ)設(shè)施建設(shè)的大力持續(xù)投入,我國的道路、橋梁、隧道和市政等工程快速發(fā)展,截至2019年底,我國公路總里程達(dá)到501.25萬公里,其中高速公路14.96萬公里;全國鐵路營(yíng)運(yùn)里程突破13.9萬公里,其中高速鐵路達(dá)到3.5萬公里,高速鐵路橋占比普遍達(dá)50%以上,滬杭高鐵橋占比達(dá)87%,京津城際鐵路橋占比達(dá)88%,廣珠城際鐵路橋占比更是高達(dá)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(shè)成就卓著,但其中鋼橋占比不足1.0%,鐵路橋梁結(jié)構(gòu)形式也主要以中小跨徑混凝土簡(jiǎn)支梁為主。
2016年7月13日,交通運(yùn)輸部發(fā)布了《交通運(yùn)輸部關(guān)于推進(jìn)公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的指導(dǎo)意見》(交公路發(fā)〔2016〕115號(hào))[1],明確要通過5年的努力,使我國公路行業(yè)鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)、制造、施工、養(yǎng)護(hù)技術(shù)基本成熟,技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更加完備,新建的特大、大跨徑橋梁以鋼結(jié)構(gòu)為主,新改建工程中的常規(guī)橋梁,使用鋼結(jié)構(gòu)橋梁的比例獲得明顯提升。意見提出了加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)人才培養(yǎng)的措施,“鼓勵(lì)高校、科研、設(shè)計(jì)、制造、安裝和管養(yǎng)等單位加強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)人才的引進(jìn)和培養(yǎng)。各地應(yīng)積極開展《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]《公路鋼混組合橋梁設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》[3]等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和知識(shí)技能的專項(xiàng)培訓(xùn),提高鋼結(jié)構(gòu)從業(yè)人員的技術(shù)素質(zhì)和專業(yè)水平”。
高校是專業(yè)人才培養(yǎng)的第一站,其培養(yǎng)質(zhì)量直接影響專業(yè)人才的服務(wù)效率、價(jià)值及再成長(zhǎng)。然而,目前國內(nèi)的鋼結(jié)構(gòu)教材[4-9]主要偏重于建筑結(jié)構(gòu),其中的示例、算例集中在建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件,內(nèi)容也主要集中在桿系結(jié)構(gòu)。與結(jié)構(gòu)工程專業(yè)相比,橋梁工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)的授課內(nèi)容具有特殊性,應(yīng)結(jié)合鋼橋結(jié)構(gòu)構(gòu)件、鋼橋設(shè)計(jì)規(guī)范及鋼結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)計(jì)算原理進(jìn)行講解。何若全教授主編的《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》(第2版)[6]結(jié)合了新規(guī)范GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10]和JTG D64-2015《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]的相關(guān)內(nèi)容,譚金華副教授、楊吉新教授等主編的《橋梁鋼結(jié)構(gòu)》[11]將鋼結(jié)構(gòu)和鋼橋內(nèi)容進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合。另外,橋梁結(jié)構(gòu)中除了常用的桁架、框架等桿系結(jié)構(gòu)外,大斷面箱梁、扁平箱梁等也是常用的結(jié)構(gòu)形式之一,但目前的鋼結(jié)構(gòu)課程較少提及。
隨著鋼結(jié)構(gòu)橋梁建設(shè)的迅速增長(zhǎng),鋼結(jié)構(gòu)在橋梁工程專業(yè)課程體系中的權(quán)重逐步提高。本文結(jié)合作者多年的橋梁工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、鋼結(jié)構(gòu)及其他相關(guān)課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn),依據(jù)以往鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)效果,分析總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),在橋梁工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)任務(wù)、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配和教學(xué)方式等方面進(jìn)行探討,以期為橋梁工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)提供參考。
一、教學(xué)任務(wù)
鋼結(jié)構(gòu)是橋梁工程專業(yè)的學(xué)科基礎(chǔ)課之一,根據(jù)行業(yè)發(fā)展情況,目前在課程體系中應(yīng)與混凝土結(jié)構(gòu)具有同等重要的地位,應(yīng)設(shè)置為專業(yè)必修課。
學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí),應(yīng)較全面地掌握常用橋梁鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件、連接的分析原理及設(shè)計(jì)計(jì)算方法,熟悉橋梁鋼結(jié)構(gòu)材料、構(gòu)件和連接的專業(yè)知識(shí),初步獲得必備的鋼結(jié)構(gòu)橋梁的體系組成、構(gòu)造要求、基本理論及基本設(shè)計(jì)能力,了解橋梁鋼結(jié)構(gòu)新材料、新技術(shù)、新工藝及新結(jié)構(gòu)形式的發(fā)展動(dòng)態(tài),為后續(xù)橋梁工程專業(yè)課學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ),為最終從事鋼結(jié)構(gòu)橋梁的設(shè)計(jì)、施工及科研工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
結(jié)合土木工程教指委文件建議、土木工程專業(yè)認(rèn)證要求、行業(yè)發(fā)展需求,橋梁工程鋼結(jié)構(gòu)的課程教學(xué)應(yīng)培養(yǎng)學(xué)生以下基本能力:
(1)掌握常用鋼結(jié)構(gòu)連接、構(gòu)件的特點(diǎn)、分析原理及設(shè)計(jì)計(jì)算方法。要求學(xué)生掌握焊接和螺栓連接的特點(diǎn),能正確地選用合理的連接方法,并準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)連接。要求學(xué)生掌握鋼結(jié)構(gòu)基本受力構(gòu)件(軸心受力構(gòu)件、受彎構(gòu)件、拉彎和壓彎構(gòu)件)的計(jì)算理論、設(shè)計(jì)方法。
(2)了解鋼結(jié)構(gòu)及材料現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì),理解鋼結(jié)構(gòu)的相關(guān)規(guī)范、規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn),培養(yǎng)學(xué)生鋼結(jié)構(gòu)工程構(gòu)造要求意識(shí),根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)的具體使用要求、工作環(huán)境和不同種類鋼材的性能,正確地選用鋼材,考慮構(gòu)造要求,正確設(shè)計(jì)構(gòu)件及連接。
(3)培養(yǎng)學(xué)生具備初步運(yùn)用計(jì)算機(jī)、專業(yè)原理、工程方法及軟件分析橋梁鋼結(jié)構(gòu)的能力。
除以上基本能力要求外,應(yīng)考慮部分優(yōu)秀學(xué)生的高階需求,適當(dāng)補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容及工程問題,初步培養(yǎng)學(xué)生對(duì)橋梁工程鋼結(jié)構(gòu)的科研興趣、誘發(fā)科研思維及引導(dǎo)科研能力。
二、教學(xué)內(nèi)容
(一)教材概況
目前土木工程鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)所采用的教材,由基本理論和工程結(jié)構(gòu)兩部分組成,部分教材包括鋼結(jié)構(gòu)耐久性、鋼結(jié)構(gòu)塑性設(shè)計(jì)的內(nèi)容[5,7]?;纠碚摰膬?nèi)容主要按構(gòu)件受力類型劃分章節(jié),包括材料性能、連接、軸心受力構(gòu)件、受彎構(gòu)件、拉(壓)彎構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造[6-9];部分教材按強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定等驗(yàn)算內(nèi)容劃分章節(jié),包括材料性能、強(qiáng)度、穩(wěn)定性、剛度、連接及節(jié)點(diǎn)、脆性斷裂和疲勞[5]。工程結(jié)構(gòu)部分的內(nèi)容一般針對(duì)單層廠房鋼結(jié)構(gòu)、多高層房屋結(jié)構(gòu)、大跨度房屋結(jié)構(gòu)、桁架及屋蓋、門式剛架以及鋼管結(jié)構(gòu)等[5-9],陳紹蕃教授等人[5]編著的《鋼結(jié)構(gòu)(上冊(cè))-鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》(第4版)列舉了桁架橋的橋面系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示例。
綜合目前鋼結(jié)構(gòu)教材,在基礎(chǔ)理論部分內(nèi)容基本相同,工程結(jié)構(gòu)部分基本都偏于工民建結(jié)構(gòu),目前作者在教學(xué)過程中以張耀春教授[7]編寫的《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》為主線,同時(shí)將陳紹蕃教授等人[5]編寫的《鋼結(jié)構(gòu)(上冊(cè))-鋼結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)》(第4版)和何若全教授[6]編寫的《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》(第2版)作為必須參考書。
(二)不同方向鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)容整合
結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)的先修課程材料力學(xué)[12]、結(jié)構(gòu)力學(xué)[13-15],相關(guān)課程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[16]及后續(xù)課程橋梁工程[17-19]的內(nèi)容章節(jié),本課程在基本理論部分仍采用按構(gòu)件受力類型進(jìn)行講解,考慮到橋梁工程結(jié)構(gòu)的荷載形式及使用環(huán)境,在材料性能部分對(duì)比橋梁工程及建筑工程對(duì)鋼材的性能要求,加強(qiáng)疲勞破壞和驗(yàn)算的相關(guān)內(nèi)容,在基本理論內(nèi)容講解部分,緊密結(jié)合《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[10]《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[20]三個(gè)規(guī)范,對(duì)比不同受力構(gòu)件在不同規(guī)范中的規(guī)定。比如,在講解主平面內(nèi)受彎的實(shí)腹式受彎構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí),同時(shí)展示三個(gè)規(guī)范中的相關(guān)內(nèi)容,如圖1所示。
(三)教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配
橋梁工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)的工程結(jié)構(gòu)部分顯然應(yīng)偏重橋梁工程結(jié)構(gòu)的內(nèi)容,因此在教學(xué)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(jié)構(gòu)。但是這仍然不足以支撐橋梁工程專業(yè)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的講授,在教學(xué)過程中可將《橋梁鋼結(jié)構(gòu)》[11]鋼梁橋的內(nèi)容補(bǔ)充進(jìn)去,教學(xué)內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配見表1。
(四)教學(xué)內(nèi)容擴(kuò)展
考慮學(xué)生的不同能力層次及需求,對(duì)教材中的部分內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充完善,形成完備的知識(shí)體系,以便照顧有更高需求的學(xué)生群體。比如,對(duì)于實(shí)腹式軸壓構(gòu)件的整體穩(wěn)定問題,除了教材中的基本概念及規(guī)范規(guī)定的整體穩(wěn)定計(jì)算方法外,作者在課堂上增加了整體穩(wěn)定的完備理論,包括能量法推導(dǎo)彎曲失穩(wěn)臨界力、扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)臨界力求解過程、彎扭失穩(wěn)臨界力求解過程[21]。補(bǔ)充內(nèi)容不要求學(xué)生掌握,目的是使學(xué)生對(duì)軸壓構(gòu)件的臨界力有更清晰的認(rèn)識(shí),同時(shí)作為對(duì)感興趣學(xué)生的引導(dǎo),更有利于培養(yǎng)高端人才。
三、教學(xué)方式
鋼結(jié)構(gòu)課程是理論(包括構(gòu)造)與實(shí)踐并重的課程,二者之間是相輔相成、相互支撐的,理論內(nèi)容的最終目的是應(yīng)用于實(shí)踐,但在教學(xué)過程中實(shí)踐的認(rèn)知有利于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)與掌握?;诖耍髡哒J(rèn)為,在鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中,理論內(nèi)容仍然是重中之重,比如構(gòu)件的穩(wěn)定、強(qiáng)度等相關(guān)理論及設(shè)計(jì)方法,是學(xué)生必須理解掌握的過程,對(duì)這部分內(nèi)容中的高階部分,考慮學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)的可能,可以不要求掌握,但應(yīng)知其所以然。
工程實(shí)踐部分在鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)過程中應(yīng)為理論知識(shí)做好服務(wù),這應(yīng)體現(xiàn)在兩個(gè)方面:(1)工程認(rèn)知,便于理論知識(shí)的理解、學(xué)習(xí);(2)工程設(shè)計(jì),作為理論知識(shí)的最終應(yīng)用。從這里也可看出,鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)容最重要的部分仍然是理論的掌握和運(yùn)用。因此,在教學(xué)過程中,仍然以理論知識(shí)講解為主,便于理論知識(shí)學(xué)習(xí)掌握,為相應(yīng)理論部分提供工程認(rèn)知;設(shè)置課程設(shè)計(jì)教學(xué)環(huán)節(jié),為理論知識(shí)運(yùn)用提供工程背景;在各章節(jié)教學(xué)內(nèi)容結(jié)束后,布置相應(yīng)作業(yè)鞏固學(xué)生所學(xué)知識(shí)。
理清教學(xué)過程中理論與實(shí)踐的關(guān)系,才能制定合理的教學(xué)方式,避免本末倒置。具體可采用如下方式:
(1)工程認(rèn)知可采用圖片、視頻、動(dòng)畫進(jìn)行展示。
(2)理論講解可采用PPT、板書等形式進(jìn)行講解推導(dǎo)。
(3)工程設(shè)計(jì)可要求學(xué)生通過手繪、編程,使用繪圖軟件、計(jì)算軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。
(4)課程作業(yè)可要求學(xué)生采用自編程序進(jìn)行計(jì)算。
圖2為教學(xué)過程中展示的橋梁鋼結(jié)構(gòu)連接工程認(rèn)知圖,圖3為往屆學(xué)生采用Excel編寫的螺栓連接、實(shí)腹式軸壓構(gòu)件驗(yàn)算小程序。
四、結(jié)束語
根據(jù)目前鋼結(jié)構(gòu)教材現(xiàn)狀及橋梁工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢(shì),目前鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容顯然對(duì)橋梁工程專業(yè)針對(duì)性不強(qiáng),因此,應(yīng)對(duì)橋梁工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)容予以完善,具體如下:
(1)對(duì)于橋梁工程專業(yè)鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)內(nèi)容予以補(bǔ)充,增加橋梁鋼結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)(規(guī)范)、鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)造和工程算例等內(nèi)容。
(2)確定課堂教學(xué)中鋼結(jié)構(gòu)理論(包括構(gòu)造)與實(shí)踐的關(guān)系,合理確定各部分教學(xué)方式。
(3)考慮不同層次學(xué)生需求,適當(dāng)考慮部分學(xué)生對(duì)高階內(nèi)容的需求。
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基金項(xiàng)目:河南省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“橋梁?jiǎn)♀徯透邩冻信_(tái)基礎(chǔ)地震破壞機(jī)理及性能指標(biāo)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(xiàng)項(xiàng)目“公路新型鋼混組合橋梁建造成套技術(shù)研究及產(chǎn)業(yè)化”(19ZD2GA002)
作者簡(jiǎn)介:赫中營(yíng)(1980-),男,漢族,河南淮陽人,博士,副教授,研究方向?yàn)闃蛄嚎拐鹋c振動(dòng)控制,橋梁健康診斷與維修加固,橋梁施工監(jiān)控與健康監(jiān)測(cè)。