教育教学改革理论文章钢结构安稳理论教学改革初探_品牌_

李会军　李宗利　李宝辉

摘要：结构安稳理论是钢结构、大跨度空间结构和桥梁工程等课程的重要理论根底。文章针对现在钢结构讲堂教育存在的问题，提出在讲堂教育中采纳理论教育和实践工程事例相结合、理论推导和有限元数值核算相结合等办法进行课程教育变革。实践标明，经过上述行动，加强了学生对结构安稳的理性认识、进步了学生的结构安稳核算才能，充分调动了学生学习的自动性，大大进步了教育作用。

关键词：钢结构；结构安稳理论；教育变革

中图分类号：G642.3 文献标识码：A 文章编号：1002-4107（2018）02-0055-03

结构安稳理论是钢结构的核心内容。经过结构安稳理论的学习，学生理清了安稳与强度问题的差异和联络，把握了结构安稳的根本剖析办法，了解其在钢结构规划中的详细运用，培育了灵敏运用结构安稳常识处理实践工程问题的才能。钢结构首要先修课程为“高级数学”、“理论力学”、“资料力学”和“结构力学”，是“大跨度空间结构”和“桥梁工程”等专业课程及课程规划、毕业规划（论文）的重要根底。实践证明，学生具有厚实的结构安稳理论常识，有利于对其他相关专业课内容的把握与了解。

与混凝土、砖石和木结构比较，钢结构具有强度高、重量轻、构件截面小的特色，因而结构安稳是钢结构规划与施工中最为重要的问题之一。与强度问题比较，结构安稳愈加笼统，公式更为杂乱，安稳问题是钢结构的要点和难点之一，钢结构中杆、梁、柱、支撑的核算与规划首要环绕构件安稳问题打开。现在大多院校钢结构的课时为32—64学时。该课程具有理论性强、公式推导烦琐等特色，在校学生与已从事钢结构规划的人员遍及感觉结构安稳难度大。假如资料力学、结构力学等根底常识不厚实、学习办法不妥，要熟练把握并灵敏运用结构安稳理论常识的确不易。结构安稳理论教育状况不容乐观，学生上课积极性不高，教育作用不甚抱负。

在杰出工程师教育培育方案发动的布景下，许多院校正钢结构课程进行了课程变革与探究，取得了必定的成效，但仍有一些问题亟待处理。笔者结合教育阅历，谈谈本门课程的几点教育领会。

一、钢结构安稳性理论教育现状

（一）重视程度不行

学生对钢结构中结构安稳理论部分没有有客观、全面的了解，学习进程比较茫然，自己无独立的主意与见地，对该门课程重视程度不行。教师教育讲义的哪部分学生就学哪部分，不会自动学习未教育部分，课后也不自动去学习相关文献资料。还有不少学生以为，现在数值核算办法趋于老练，各种结构安稳规划与剖析软件风行商场，用数值仿真软件能处理的问题，不用徒手进行杂乱的公式推导与核算，而疏忽了根底理论常识的重要性。

（二）难学，学生学习爱好不高

该课程包含的内容较多，触及的结构及构件类型多样（如轴心压杆、梁、单向压弯构件、薄板、刚架等）。因为该门课具有理论性强、核算进程烦琐的特色[1]，学生遍及感到学习难度大、单调，这或许与学生没有正确把握学习办法与技巧有关。教师可在教育进程中选用幽默的言语、一题多解的算例、恰当的提问来激起学生的学习趣味。上课时教师要尽量营建一种了解、轻松愉悦的学习空气，然后进步讲堂教育质量。

（三）根底不厚实，学生学习困难

学生对前期专业根底课程（资料力学等）重视程度不行，先修课程常识把握不厚实，导致钢结构中结构安稳理论部分的学习难度大。针对此，在学习结构安稳理论相关章节之前，可让学生课前仔细温习资料力学、结构力学和高级数学的相关常识点，这样会大大进步学生的学习功率。

（四）常识点运用不灵敏

在结构安稳理论部分的教育中，模型的别离与束缚的等效在求解结构的弹性委曲荷载时尤为重要。关于杂乱结构系统，为了剖析简练，常将结构中的单个构件从结构中别离出来，然后以该构件为目标进行安稳剖析。学生往往对构件与结构之间的联系比较含糊，别离出来的构件的两头束缚不知怎么处理，思想不行灵敏，导致遇到一些实践问题时比较茫然，无从下手。

二、钢结构安稳性理论教育变革的行动

（一）着重课程的重要性

穩定性是钢结构规划的核心问题。在各种结构方法的钢结构中，如钢闸口、门式刚架、网架和网壳等，都会遇到结构或构件的安稳性规划问题。若安稳问题处理不妥，将会导致不同程度的产业与人员丢失。别的，正是因为工程事端的发作，安稳问题才遭到规划及科研人员的重视，钢结构的安稳规划才日趋完善。故结合结构安稳的特色，教师在讲堂上选取典型的失稳事例进行解说与剖析，不光丰厚了讲课内容，使学生了解了结构安稳的重要性，又增强了学生的责任心与工程认识。

为杰出结构安稳性在钢结构中的重要性，可在讲堂上选取一些因失稳而导致的工程事端典型事例进行教育与剖析。[2]比方，1963年1月30日罗马尼亚布加勒斯特一个跨度93.5 m网壳结构因雪载作用而发作了全体失稳。依据研讨，其时雪载仅为规划雪载总重的30%，因积雪集中于网壳的天窗、支座邻近，使得部分荷载过大，网壳首要呈现部分节点滑移、单个杆件失稳问题，然后逐步向四周传达，终究导致网壳发作全体失稳而崩塌。加拿大圣劳伦斯河上的魁北克桥阅历了1907年和1916年两次崩塌，其间1907年的第一次崩塌灾祸的经验极为深重，用悬臂法架起中跨桥架时，因桥桁中桥墩邻近的下弦杆损失安稳而导致了桥架的坍毁。1978年美国康涅狄格州的哈特福德市政中心因压杆改变委曲（失稳）而崩塌，其屋盖结构方法为网架（90 m×110 m），杆件选用四个等肢角钢组成的十字形截面，其抗扭刚度差，别的压杆的支撑未起到应有的作用，于01月18日的风雪之夜瞬间坠毁落地。国内因失稳而坍毁的事端也时有发作，如某电厂的72 m×120 m双层柱面网壳干煤棚，运用进程中因堆煤过高的揉捏而使很多杆件发作曲折，一起钢管、球节点发作了锈蚀，终究引发结构的坍毁。别的，国内外不少弧形钢闸口在启闭进程中因支臂动力失稳而终究变成事端。

工程事端事例的剖析可让学生了解结构安稳问题在钢结构规划中的重要性，强化结构安稳理论在学生心中的重要性。一起，经过工程事端事例剖析，学生了解了影响结构安稳的一些操控要素，对结构安稳性有了必定的理性认识。

（二）有方案地选学教材内容

结合我国高级院校扩招后生源状况，考虑到培育目标从精英教育转向群众教育的局势，在课时紧缩的状况下，须提炼课程要点、精简授课内容。现在西北农林科技大学该门课程所选用的教材是戴国欣编写的《钢结构》[3]，该教材具有简练精练、要点杰出等特色，适于少课时的钢结构课程。别的，鼓舞学生课后查阅国内其他相关资料[4-5]。国外有不少内容丰厚的结构安稳教材与资料可供教师选用与学生自学[6-7]，笔者曾在讲堂上选学其间的部分章节，开阔学生的视界，添加学生的专业英文词汇量，为学生后续阅览英文文献及编撰英文学术论文奠定必定的根底。

（三）发挥多媒体、网络教育渠道的优势

因大都学生短少与实践钢结构工程触摸的时机，故需强化学生对结构安稳的理性认识。现在教师大多运用多媒体或与板书相结合的方法进行讲堂教育，教师可充分使用多媒体教育信息量大、直观的长处，向学生介绍一些典型工程结构（如梁、拱和刚架等）的失稳事端实例，将图片、视频与文字相配合，可增强学生对失稳的理性认知。比方，将轴心受压构件的三种失稳方法（曲折委曲、弯扭委曲和改变委曲）经过动画进行演示，使学生直观了解结构的失稳方法。最终，再对详细的工程结构规划问题做详尽的解说，这样可进步学生对所学常识点的了解。

现在，大大都高校均树立了网络教育归纳渠道，网络教育归纳渠道是现代化教育手法的必要弥补，教师可将与结构安稳相关的课件、视频资料和相关文献上传于渠道之上，供学生学习，亦可在渠道上进行答疑、做查询问卷、安置作业等。网络教育归纳渠道极大地进步了教育质量，丰厚了学生的学习途径。

（四）重视启发式教育，培育学生的思想方式

钢结构中结构安稳部分具有理论性强、技巧性颇高的特色，教师可选用“启发式”教育办法。结合相关常识点进行问题规划，激起学生的求知欲，引导学生深化考虑、处理问题。在钢结构课程中，关于杂乱的结构系统，为剖析简练，常将结构中的某一构件独自从结构中取出进行安稳剖析。学生往往对构件与结构之间的联系比较含糊，别离出来的杆件的两头束缚不知怎么处理与等效。如图1（a）所示的轴心受压杆ab[3]，a端为铰接，b端为水平弹性支承，其水平线刚度为s，试求解该压杆的临界荷载。有学生对该绷簧的物理模型摸不着头脑，其实该绷簧能够看成是图1（b）中的二力杆bc，假定其长度为l，则只需令杆件的线刚度等于绷簧的刚度s即可，此刻图1（a）和图1（b）所求得的临界荷载共同，还有其他等效方法，这儿不再赘述。灵敏运用构件的束缚等效，可加深学生对问题的了解；一题多解，可开阔学生的视界与培育其思想方式。笔者曾在该方面做了很多测验，收到了杰出的教育作用。

（五）加强结构安稳核算软件的运用

在钢结构的安稳性剖析中，具有厚实的结构安稳理论功底与公式推导才能极为重要。同時，熟练把握结构安稳核算软件亦不可或缺。讲堂上，除了理论常识的解说与公式的推导外，应适量添加结构安稳核算软件（如SMSolver和ANSYS等）的运用，以进一步进步学生处理实践工程问题的才能。学生熟知的SMSolver在结构力学课程中已广泛运用于内力求与支座反力的求解。除上述功用之外，SMSolver还可用于结构及构件的特征值委曲剖析。比方关于图2（a）所示结构系统[3]，怎么求解其委曲荷载？既可选用手算也可选用电算的方法。为核算便利，手算时可将图2（a）的杂乱结构等效处理为图2（b）结构系统，依据结构力学的单位荷载法，可求出b处绷簧线刚度为k1=3E1I1/l3，c处绷簧线刚度为k2=6E2I2/l3，图2（b）等效系统的临界荷载即可手算出。但经过手算来核算图2（a）模型的全体失稳模态比较费事，且全体失稳模态很难直观地表达出来。此刻，在讲堂上教师可选用SMSolver求解其全体安稳委曲荷载。一方面可对手算所得临界荷载进行校核，另一方面SMSolver可直接给出全体委曲模态，直观明晰，可加深学生对该问题的了解。其他结构方法亦可选用相似的途径来进步学生的软件运用才能。

关于二维杆系结构的委曲剖析来说，SMSolver可便利地进行建模、加载与求解，但因功用所限，SMSolver不具有求解三维空间结构的功用。此刻，教师可借助于大型通用有限元软件（如ANSYS、ABAQUS等）进行建模、求解。特别ANSYS供给了运用便利的参数化规划言语（APDL），关于规矩的二维和三维结构系统来说，很简单完成参数化建模及求解。有限元软件的解说与运用，为学生添加了结构安稳剖析的东西与手法，一起亦可为今后的科学研讨奠定必定的根底。

（六）树立虚拟仿真渠道

培育学生的工程实践才能是工科教育的重要内容，但现在实践教育存在一些问题，比方试验本钱高、耗时吃力及安全性难以保证；有时没有试验条件，使得学生试验的作业难以展开。[8]根据此，教师可树立结构安稳剖析虚拟仿真渠道或开发一些软件包，供学生学习与操练。笔者曾根据ANSYS软件[9]，使用VB面向目标程序开发渠道，开发了结构安稳剖析虚拟试验渠道，其间包含轴压构件、受弯构件等委曲失稳仿真。该渠道便于学生操作，极大地降低了试验本钱，有利于学生实践操作才能的培育。

（七）结合科研新动态，激起立异精力

跟着钢材强度的不断进步、各种新式结构方法（如树状柱支承系统、各种仿生结构等）的出现，各类失稳问题亟待科研作业者处理，一起最新的科研作用也不断得到运用与推行[10]。但教材内容的更新往往比较慢，新问题与新作用无法在教材中得到表现。针对此，教师可介绍一些相关的学术新动态进行弥补，这样利于激起学生的求知欲，有利于培育学生的学习热心。

三、定论

跟着新的高强资料及结构方法的出现，安稳问题在钢结构规划与施工中日益杰出。钢结构中结构安稳理论部分亟待进行教育变革，其教育办法在不断探究与开展之中，尚待完善。将讲堂所学常识与实践工程相结合，将结构安稳理论与有限元软件的运用相结合，可收到杰出的教育作用。优化结构安稳理论的教育内容，改进教育办法，可有用改进钢结构讲堂教育的作用。笔者结合钢结构中结构安稳理论部分的教育与科研实践，对现在教育存在的问题及处理办法进行了评论与探究，期望对钢结构的教育有所裨益。

参考文献：

[1]郭小农，罗永峰，蒋首超等.钢结构安稳教育研讨[J].

高级修建教育，2011，（2）.

[2]罗洪光.“钢结构安稳”本科教育探究[J].我国电力教

育，2012，（10）.

[3]戴国欣.钢结构：第四版[M].武汉：武汉理工大学出书

社，2012：1-2.

[4]陈骥.钢结构安稳理论与规划：第6版[M].北京：科学出

版社，2014：38-40.

[5]童根树.钢结构的平面内安稳[M].北京：我国修建工业

出书社，2015：18-19.

[6]Ronald D.Ziemian.Guide to Stability Design Criteria for