《钢结构》课程教学改革研究

段玮玮，高华喜，田美灵

（浙江海洋学院船舶与建筑工程学院，浙江舟山 316000）

《钢结构》课程是土木工程专业的专业必修课程之一，与其它结构类课程一样，是一门理论性与实践性都较强的应用学科课程。本课程主要研究钢结构的主要性能，包括材料、构件、连接和节点的性能和承载能力计算原理和方法[1]。由于课程内容多，理论应用性强，涉及的规范条文多，而学生平时能接触的钢结构工程实例较少，学生普遍缺乏感性认识，学习起来感觉吃力。同时，根据本学院新的专业设置目录要求，本课程总学时大幅下降，为32+4学时，其中32学时的理论教学，4学时的试验教学。为能在有限的学时内高质量地完成本课程的教学任务，在整个教学过程中，可以采取以下对策和措施，进行相应教学改革。

1 教学方法改革，多媒体教学

32学时的理论教学，单纯采用传统的“黑板+粉笔”教学方式，难以完成相关教学任务。同时，钢结构课程教学内容中试验过程多，结构图形多，内容抽象，口头表达困难；书本上的插图大多也是三视图，对于空间想象能力差的学生，学习起来难度太大。针对以上种种，采用多媒体教学方法，制作PPT课件，授课时将各种复杂的公式、图片等用投影展示出来一一讲解；同时，对于难以理解的钢节点构造图、钢构件破坏过程等，采用三维实体图形或动画展示出现，直观，形象，信息量大，使学生在听觉、视觉上受到直接的刺激，既增加了学生的感性认识，又加深了理性认识，也充分调动了学生的学习积极性，在减少板书的同时，提高了教学效率。

2 教学内容改革，知识点取舍

《钢结构》课程教学时间为大三下学期，在学习本课程之前，学生已进行了三大力学、土木工程材料与混凝土结构设计原理等其它专业课程的学习。在钢结构课程的教学过程中，处理好本课程与这些先修课程及相关课程的关系，做好知识点的取舍工作，将有助于学生了解本课程的特点、熟练掌握本课程的重点内容，也有助于减少本课程的讲授工作，从而达到事半功倍的效果。

2.1 与其它课程相重复的内容从简讲授

《钢结构》课程中有些内容在其它课程中已学过，对这些内容可适当从简讲授，如：

（1）钢结构的极限状态和概率极限状态法，这部分内容属于所有结构类课程所共有的，在《荷载与结构设计方法》课程中已学过，可以从简讲授。但讲授过程中，要提醒学生注意钢结构承载能力计算时的分项系数表达式为应力表达式，与混凝土结构等其它结构的荷载效应—结构抗力表达式不太相同。

（2）钢结构的材料这章，是本课程的重要基础内容之一，其中大部分内容在《土木工程材料》等课程中进行了相关学习，故这部分内容可以从简讲授。本章应重点讲授如何防止钢结构发生脆性破坏，让学生了解塑性材料在某些因素的影响下也会发生脆性破坏，使学生明确“塑性材料”和“塑性破坏”是两种不同的概念。

2.2 与其它课程相关的内容对照讲授

《钢结构》课程作为结构类课程之一，与《混凝土结构设计原理》等课程在某些知识点上有相关性，对照讲解，既可以使学生学会对不同结构材料和结构形式作方案比选，又可以使学生对相关知识点加深印象、加强理解。如：

（1）钢结构的特点部分，可以对比混凝土结构，介绍钢材的强度高、钢结构的质量轻、材质均匀、制造简单，但是耐腐蚀性差和耐火性差等。在对比讲解的同时，要强调由于钢材的强度高，所以做成的构件截面小而壁薄，这样将导致构件过分细长，出现失稳现象。而钢结构的设计计算中，稳定问题非常重要，要严格控制。对比钢筋混凝土结构，为避免构件出现失稳现象，一般采用限制长细比的方式来解决，如在轴心受压构件中，限制截面最小边长不宜小于250 mm，构件长细比一般为15左右，不宜大于30[2]。钢结构，强度高，如果长细比限制过低，则很不经济，所以控制失稳现象就是通过稳定性验算来解决的。

（2）受弯构件是结构的基本构件之一，其中简支梁是我们的常用简化模型。在简支梁端部弯矩M和剪力V的共同作用区梁轴线附近，会产生与梁轴线大约成45°角且相互垂直的主拉应力和主压应力。对于钢筋混凝土梁来说，由于混凝土材料的各向异性特征，其抗压强度较高，而抗拉强度较低，起控制作用的是主拉应力，在这样的主拉应力作用下，将出现较大的斜裂缝；为防止构件发现斜截面破坏，一般需配置腹筋，包括箍筋或弯起钢筋。但对于钢梁，由于钢材属于各向同性体，其抗拉、抗压强度相等，梁腹板在主拉应力的作用下，通常具有足够的强度，而起控制作用的将是主压应力，在梁腹板较薄的情况下可能导致局部压屈；为防止梁腹板发生局部失稳现象，在腹板高厚比较大时，一般要在腹板上配置横向加劲肋[3]。

2.3 重、难点内容充分讲解

在钢结构课程的讲授过程中，应重视以下重、难点，适当多安排学时，使学生能较好地掌握相关内容。

（1）单个构件的承载能力——稳定性

如前所述，由于钢材的强度高、质量轻，构件截面小而壁薄，与其它结构构件相比，稳定计算问题就较为突出。在多年的教学体会中，总结出在此类问题上学生较难掌握和容易出错：

①“稳定”的概念较为模糊，尤其是“稳定”与“强度”概念的区分。

虽说有关稳定的相关知识，在《材料力学》课程中已进行了学习，但是大家对此知识点应用于实际的工程设计，概念还是十分模糊。而由于钢筋混凝土构件主要考虑强度控制因素，通过《混凝土结构设计原理》课程的学习，学生对强度设计概念相对较熟。所以讲解钢构件的稳定承载力时，从强度概念入手，对比分析。如：轴心受压构件强度验算公式为，而稳定性验算公式为从形式上来看，两个公式极为相似，但是我们必须强调它们的本质不同，即构件的强度验算公式针对的是构件受力截面最大截面上的应力，属于应力问题；而稳定验算公式尽管形式上验算的也是某一截面上的应力，但它针对的是整个构件而言，不是针对构件的某个截面，这所有的区别即源于反应构件整体情况的稳定系数φ[4]。

②构件失稳的物理现象难以凭平面图形想象。

书本上构件的失稳现象都是通过文字和平面图形加以说明的，由于缺乏实体的直观观察，学生难以理解。所以，在讲解构件失稳的物理现象时，必须借助动画、试验录像等，使学生获得直观印象，加强对梁的整体稳定性、压弯构件的平面内稳定性和平面外稳定性等概念的理解。

③构件整体稳定与局部稳定关系的理解。

为了提高构件的整体稳定性，在设计组合截面钢构件时，常采用截面开展而壁厚较薄的截面形式，而这样设计，又会由于构件翼缘的宽厚比、腹板的高厚比过大而发生局部失稳现象。所以，组合截面钢构件的整体稳定与局部稳定是一对相互制约的矛盾条件，在讲解组合截面的设计时，要加强两种稳定性的相关分析，以利于学生良好处理这一矛盾条件，设计出经济合理的构件截面。

（2）钢结构的连接和节点构造

钢结构良好的连接和节点处理是保证钢结构良好受力的基础。与其它结构类课程一样，我们在讲解这部分内容时，不能只重视计算，而忽略构造要求。在讲解之前，可以先通过工程实例，引导学生了解连接构造处理不当的构件、节点往往是造成工程事故的隐患。讲解过程中，再反复强调连接、节点构造的重要性。如：强调焊缝设计时，尽量避免出现需仰焊施工的焊缝形式；强调钢材种类与焊接方式、焊条型号的匹配；强调在钢板宽度和厚度有变化的连接中，要采用斜坡的形式平缓过渡，以减少应力集中；强调连接设计时避免钢板垂直于板厚方向受力，以防层间撕裂等[1]。

3 教学形式改革，走出教室之外

钢结构的发展日新月异，单靠课堂教学，难以跟进时代的发展。所以，要鼓励学生利用教室之外的学习，积累丰富资源。

（1）充分利用4学时的试验教学过程，加强学生对书本知识的理解。

结构类课程，理论性、实践性都强，在课堂理论教学之余，安排4课时的试验教学，既可以加强学生的动手能力，又可以使学生对书本上的相关原理有更为直观的了解。试验过程中，环境条件的改变，会造成相应的试验误差，学生通过对试验结果的分析总结，可以学会知识的灵活运用。

（2）走出校园，走进工地现场。

再多的理论分析，最终也必须经历施工现场的实践，才能变为现实的实体结构。所以，教室之外，通过工地现场参观、实习、技能训练等，既可以使学生加深对书本理论知识的理解，又可以使学生加强实际操作能力的锻炼。如：《钢结构》课程设计为一榀钢屋架的设计，没有走进现场，部分学生就无法理解所要设计的这榀钢屋架，跟整体屋盖体系是怎样一个关系；而到现场，直观的学习，什么是桁架，什么是屋盖体系，什么是柱子，什么是梁，什么是加劲肋，等等，一目了然。

（3）重视网络资源，加强综合应用。

21世纪网络资源发达，国家级、省级、校级精品课程繁多，资源丰富，在课堂教学之外，介绍西安建筑科技大学、同济大学、华南理工大学等学校的钢结构精品课程网站，介绍中华钢结构论坛等专业论坛给学生，让学生在教室之外，加强自主学习，去寻找书本上没有的、自己感兴趣的知识，以拓展自己的知识面。

（4）手算之外，加强电算知识的了解。

钢结构的课堂教学，一般围绕着钢结构基本原理，进行钢构件的手算设计法讲解。课堂之外，向学生介绍一些结构设计软件，如3D3S、PKPM、Sap2000、Midas、Ansys等，让学生加强软件方面的了解，以便更早地适应就业需求。

4 结语

钢材易于回收，属于节能环保型材料，符合现在的“低碳建筑”要求。而随着我国钢产量的快速增长，我国钢结构的应用趋势，已经从最初的“节约钢材”阶段，发展到后来的“合理使用钢材”阶段，然后进入现在的“大力发展钢结构”阶段。钢结构的快速发展，急需一批具有钢结构设计和施工能力的技术人员。作为一名土木工程专业《钢结构》课程的主讲教师，如何提高钢结构课程教学效果和教学质量，使学生掌握必要的知识，得到全面的锻炼，毕业后能较快胜任钢结构设计或施工工作，是我必须思索的。在教学改革的道路上，笔者才刚刚起步，在今后的教学过程中，还需进一步探索，以将更多的新知识、新方法传授给学生，使学生获益。

[1]陈绍蕃,顾 强.钢结构：上册——钢结构基础[M].第2版.北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2]沈蒲生.混凝土结构设计原理[M].第3版.北京:高等教育出版社,2007.

[3]方 恬.钢结构教学法浅论[J].苏州城市建设环境保护学院学报,2002,4（2）：72-75.

[4]夏志斌,姚 谦.钢结构:原理与设计[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.