结构力学求解器在《建筑力学与结构》教学中的应用探索

摘要：《建筑力学与结构》课程是建筑工程技术专业的专业核心课，也是一门非常重要但又有较大难度的课程，运用结构力学求解器能帮助学生解决结构力学中的部分分析与计算问题，对学生的学习具有实际意义。同时结构力学求解器容易学会，使用方便，可运用于常规教学过程中。

关键词：结构力学 内力计算 结构力学求解器

1 结构力学求解器简介

结构力学求解器是清华大学结构力学教研室研制的，它是一个面向学生、教师及工程技术人员的计算机辅助软件，可以帮助学生解题、验算，可以辅助教师演示结构的受力和位移状态，也可以辅助工程技术人员进行设计。[1]

求解器主要适用于平面杆系结构，所以只要简化为平面杆系结构的实际结构便可通过结构力学求解器求解。它能够分析结构的几何构造、内力、位移、影响线、自由振动、弹性稳定和极限荷载等。[2]

求解器虽然小巧，但是可以解决多种工程结构，如梁、拱、框架和桁架，求解器分析和解决问题的过程为：建立结构模型——输入荷载——求解，结构力学求解器能很好的人机交互，使用者可以通过各种菜单进行命令输入，也可以直接在编辑窗口内输入各种命令，特别适用于初学者。

求解器强大的求解功能为结构提供了一个计算机数值实验平台，可帮助学生进行力学计算，特别是针对基础薄弱，同时学习能力较差的专科院校的学生，这个软件很有必要推广使用。求解器推出的最大意义是对教学改革的推动作用。传统的结构力学基本上是面向手算的，内容体系上明显的受到计算手段的限制。例如：几何组成分析的三角形法则、位移计算的图乘法、力法中取静定结构为基本体系、力矩分配法等。这些方法、很难应用到工程中大型结构的分析当中，这就使得学生很难对大型结构的受力性能有较直观的感受和切实的体验，求解器的出现为打破这种局面提供了可能性。

2 结构力学求解器的应用

很多的职业院校越来越注重实践教学、培养学生的技能和塑造实用型的人才。在建筑工程技术领域，尽管更多的学生会选择施工方面的工作，进入设计院的很少，但必要的力学计算能力和构造知识是必不可少的。可以这么说，能掌握内力的分布和必要的构造知识，对提高施工质量很有帮助。然而，构造知识容易查找，即使在学生毕业以后，也可以通过各种规范查找到相关的要求，但是，力学的分析和计算是通过自学完成有一定的难度，即便是在课堂上花了很多的时间讲解，相当一部分学生还是不能很好的理解，有的当时能理解，等不到毕业就全部忘记。相比较而言，学生对计算机的掌握要容易得多，也有学习兴趣，通过实践教学发现，在课堂上讲解内力计算，学生学习的积极性不高，一方面是因为基础薄弱，对一般平面力系不会分析，不会深刻的理解平衡的原理，通过列平衡方程来求解，另一方面，学生本身对计算有“恐惧”心理，数字再麻烦些，学生就基本不愿意动手计算了。然而，在机房给学生讲解力学求解器，基本所有的学生都会跟着操作，也会很积极的提出问题，学习积极性很高，特别是能成功求解以后，学生会有成就感，这对后面的学习非常有益。运用学生在计算机方面的特长，借助结构力学求解器软件，帮助学生顺利完成力学计算向工程应用的过渡。近几年的教学实践证明，力学求解器是一个很好的教学手段。下面以一根外伸梁的设计为例讲解结构力学求解器在《建筑力学与结构》课程教学上的应用。

题目：某钢筋混凝土外伸梁设计

资料：某支承在砖墙上的钢筋混凝土外伸梁（图1），拟采用混凝土强度等级C25，纵向受力钢筋HRB400，箍筋HPB235，构造钢筋HRB400，试设计该梁并绘制其配筋详图。有关数据详见下表，不考虑抗震因素。

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注：l1——梁的简支跨跨度；l2——梁的外伸跨度；q1——简支跨活荷载设计值；q2——外伸跨活荷载设计值；g——楼面传来的永久荷载设计值（不包括自重）。

梁侧、梁底抹灰分别为20mm厚的水泥砂浆和石灰砂浆。

以任务引领教学，这在很多院校都已经推广，这种教学手段，以实际的工作过程为导向，锻炼学生的实践动手能力，同时让学生学以致用，领会到知识的作用，体会到学习的趣味性和重要性。在《建筑力学与结构》这门课程中，通过课程整合，将力学与结构结合起来，以梁、板作为典型的受弯构件。以实际的结构设计过程为导向，以一根外伸梁设计为任务，将截面尺寸的确定、荷载计算、内力计算、配筋计算、结构施工图绘制、钢筋下料长度计算这六个过程分步讲解练习。省去截面尺寸确定和荷载计算这两步，可以直接来观察力学求解器在内力计算过程中的应用效果。

通过计算，以上给定条件的外伸梁，恒荷载g=42.12kN/m，活荷载有两种情况，简支跨q1=30kN/m，外伸跨q2=

100kN/m，荷载组合有三种情况，计算结果见图2。

通过三种计算结果比较，求解出最大的弯矩和剪力，用于后面配筋计算。如果手算，会发觉过程比较复杂，首先要运用平衡的原理计算出支座反力，再运用截面法或者规律法、面积法等常用的方法求解弯矩和剪力。数据带有小数点，增加了计算的难度和准确度。另一方面，有些学生根本不善于手算，在完成外伸梁设计时，可能就卡在这一环节，然而，没有内力计算的数据，后面设计步骤也无法完成。同时，这三种组合，对应的计算简图只是数据上的差别，其他的条件不变，这时，如果运用结构力学求解器就会很简便。

通过输入数据，熟练操作力学求解器的同学会发现，只需一次建模，后面只要修改荷载条件中荷载大小这一个数据就能很快求解三种组合，而且计算结果准确，快捷。内力计算完成，会使学生有一定的成就感，后面的配筋计算、结构施工图绘制和钢筋算量过程，相比而言容易掌握，教学可以持续下去。

教学实践表明，在结构力学教学中引入结构力学求解器，提高力学教学效率，激发学生学习结构力学的兴趣，加强了学生对结构力学基本概念和基本原理的理解，大大提高了解题速度。

3 结语

运用结构力学求解器对实际结构进行分析时，首先要简化为理想的计算简图，实际结构的受力与计算简图吻合，这样可以很方便快捷的了解实际结构的真实受力状态。在实际的教学中，也发现一些问题。学生在把实际结构绘制成计算简图时，对支座的处理，结点之间的连接方式，计算长度的计算，荷载的处理存在问题。比如说结点之间是刚接还是铰接，两种不同的连接方式，计算结果会完全不一样：刚接点肯定有弯矩，而铰接的地方一般弯矩都为零（有集中力矩作用除外）。有的时候建模错误，会导致是一个可变体系，根本不能求解。所以，运用求解器计算，前提要正确的建立模型。这些环节直接影响到计算结果的准确性。虽然能熟练运用软件，但是不理解这些力学上最基础的知识，也只能是一个软件操作者，而不能达到教学上建筑工程技术专业人才的要求。借助结构求解器对教材上的例题进行分析计算，学生对实际结构由于结点、支座的不同简化，引起内力的不同，有了深刻的理解，从而掌握实际结构简化成理想简图的方法。

最后，我们要明白，类似于求解器的一些软件只是一种学习工具，在学习和工作的过程中，不能代替笔与纸的计算。只有打牢基础知识，才能对其中的原理深刻理解，而基础知识的熟练掌握，只有通过笔与纸的计算才能达到。软件并不能完全代替人工，在实际运用结构力学软件中，也是需要人工对于约束边界条件进行验算，如变形连续条件，因而基本知识的掌握是十分必要的。对于力学知识的掌握，理解才是最本质的要求。

参考文献：

[1]袁驷，叶康生，袁征.结构力学求解器的算法与性能[J].工程力学，2001（A1）.

[2]龙驭球.结构力学I[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]杨宁侠.浅谈建筑力学与结构课程改革[J].山西建筑，2010（16）.

作者简介：

卢巧玲（1985-），女，湖北麻城人，本科，讲师，主要从事建筑力学与结构方面的工作与研究。