《钢结构设计原理》课程教学改革思路

陈征征+王芳+刘飞

摘 要：该文介绍了《钢结构设计原理》课程的学习主线，提出了教学改革的思路，为该课程的教学改革提供参考借鉴。

关键词：钢结构；焊接；螺栓连接；受力构件

中图分类号 G642.0 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2017）02-03-0108-02

钢构结构因其自重较轻，且施工简便，是目前结构工程中运用最广泛、普遍的材料，广泛应用于大型厂房、场馆、超高层等领域。《钢结构设计原理》是求解工程结构问题的一个理论前提，是设计钢构结构的基础，宿州学院资源与土木工程学院土木工程专业开设了该课程，并且是作为土木工程专业的核心课程。由于这门课的起点比较高，要求学生具有较好的高等数学、画法几何、材料力学等综合基础知识，对于同时学习材料力学和钢结构设计原理这两门课的宿州学院的学生来讲，学习起来比较困难。除此之外，与土木专业学生的交流沟通中发现，部分学生对于焊接这种并没有真实见过，其空间想象的能力差，对于焊缝的理解学习较为困难。

1 《钢结构设计原理》学习主线

钢结构的教材比较多[1-3]，适用于不同的专业。宿州学院资源与土木工程学院土木专业所用的教材是肖亚明、孙强、马芹永编著的《钢结构设计原理》[4]，该教材有一套完整的编写技巧，即逐层递进，先节点后构件的思路，依次介绍的节点连接处的处理方法、构件受轴向力的稳定问题、受弯矩作用杆件验算问题。

1.1 节点对接焊接 对于两个钢构结构节点，接触面平缓且接触面积大，采用对接焊接是最优选择。对接焊接处形成对接焊缝，那么此时焊缝处容易出现应力集中，破坏会先于构件破坏，亦属于脆性破坏。为防止上述脆性破坏的发生则对焊缝处强度要求有限值。对于强度验算根据节点处受力情况不同、截面形式不同反应的其验算公式不一致：第一种情况，矩形截面受单向轴心力或节点焊缝截面为正截面只需验算节点截面处正应力；第二种情况，矩形截面受斜向力或者焊缝截面为斜截面要验算垂直截面的正应力和平行截面的切应力2个；第三种情况，矩形截面承受剪力和弯矩作用要验算弯矩产生的垂直于截面的正应力和剪力产生的平行于截面的切应力两个；第四种情况，截面形式为T形、I形、箱形特殊形式，承受剪力和弯矩，除验算弯矩产生的垂直于截面的最大正应力和剪力产生的平行于截面的切应力之外，由于不可能在所有的截面同时达到最大，要验算上述两值相对较大处的折算应力；第五种情况，焊缝处承受轴向力、剪力和弯矩作用，需验算由轴向力产生的正应力和弯矩作用产生的正应力之和、剪力作用产生的平行于截面的切应力、2个正应力和切应力的折算应力。上述5种情况其公式均可表述为：

其中，[Aw]为轴心力垂直截面的有效面积，要注意焊缝长度的选取与有无引弧板有直接关系；[σM1]、[τ1]分别为危险截面对应的弯矩产生的正应力和剪力产生的切应力；[fwt]、[fwv]分别可以查该教材231页附录1-2，其值与钢材的厚度和钢材的种类有关。

对于上述3个式在钢结构设计原理中按照材料力学基本假定，假定在受轴向力和剪力作用下产生的应力均是均匀分布的；在弯矩作用下产生的正应力是三角形分布，在中性轴处为0，离中性轴越远正应力越大，为越危险节点。

在验算时首先要弄清楚结构受力情况，然后分析力与焊缝长度方向的关系，有一个原则：力与焊缝长度方向平行产生切应力，与焊缝长度方向垂直产生正应力，正应力代入上式（1）进行正应力验算，切应力代入上式（2）进行切应力验算。

1.2 节点角接焊接 角焊缝是节点焊接连接的难点，它体现了钢结构这门课的特点，公式多，多计算，内容繁琐，实践性强，没有实际动手操作很难对角焊缝理解。为此，对公式进行整理：角焊缝计算中首先要弄清楚角焊缝计算截面的问题，角焊缝受力危险截面选为有效截面，所有的受力验算均在有效截面上进行。在角焊缝计算中类似于对接焊缝，第一步要分析受力问题，力与焊缝同向产生切应力，力与焊缝垂直产生正应力，与对接焊缝不同的一点在于面内垂直还是面外垂直，进行验算的[σf]为计算截面上应力，为面内垂直和面外垂直的合力，[τf]为面内平行的切应力，则计算公式为：

其中，[βf]与受力情况有关，取值为1.22或1.0；[fwf]同样查该教材231页附录1-2获得。

上式（4）是角焊缝计算的通式。与对接焊缝类似，对于强度验算根据节点处受力情况不同、截面形式不同反应的其验算公式不一致，按连接方式及受力情况：

第一种情况，（1）仅有侧面角焊缝且带有矩形拼接盖板受轴心力作用的角焊缝计算，力与焊缝同向，只有切应力，代入公式（4）可得到关于切应力验算公式；（2）仅有正面角焊缝且带有矩形拼接盖板受轴心力作用，力与焊缝垂直，只有正应力，代入公式（4）可得到关于正应力验算公式；（3）三面围焊且带有矩形拼接盖板受轴心力作用，由于正应力受力情况负责，所以先计算出由正应力承担的力，轴心力减去正应力承担的力剩下的由切应力承担焊缝强度；（4）三面围焊且带有菱形拼接盖板受轴心力作用，采用菱形拼接盖板考虑斜焊缝的一个系数[βfθ]，与角度有关可以查表获得，其余于矩形拼接盖板一样计算。

第二种情况，（1）侧面角焊缝角钢连接，有角钢内力分配系数查表得，并验算肢尖与肢背强度；（2）三面围焊角钢连接，与带矩形拼接盖板类似，先算正面角焊缝能承受的力，再求得侧面角焊缝受力情况；（3）特殊情况L形，其中有一側角焊缝为零，由力矩平衡就可推得焊缝受力公式。

上述两种情况是只受单一轴心荷载，对于带拼接盖板和角钢这两种情况还有受弯矩，受剪力和弯矩共同作用，受剪力、轴力和弯矩共同作用，受扭转作用，受扭转、轴力、剪力和弯矩共同作用下焊缝求解。在受扭矩作用下和弯矩作用下求应力的公式类似，均与距离成正比，弯矩是对坐标轴取惯性矩，扭矩是对极轴取惯性矩。

对于焊缝求解，其中最关键一步就是根据力判断呈现正应力还是切应力，相叠加并用公式（4）验算强度，由于2014级宿州学院土木专业方案培养中把材料力学与钢结构设计原理这门课同时安排在一起开课，对于还不知道什么是正应力、什么是弯矩的学生进行判断什么力产生什么样的应力判断是很困难的。

2 《钢结构设计原理》课程改革的思路

针对宿州学院2014級土木专业学生对于《钢结构设计原理》课程反映出来的问题，本文提出了如下改进措施：

2.1 课件结合课堂动手演示 采用课件教学，一目了然，逻辑性比较强，方便学生进行总结，但是单一的课件教学有些难以空间想象出来的理解起来比较困难。针对难以理解的部分如角焊缝连接处，则在课堂上教师用2个钢管进行节点焊接，采用角焊缝，用焊条焊接，让同学们自己动手操作，加深他们的空间思维，并用切刀把45°有效截面切割出来，在截面上演示面内垂直、面内平行、面外垂直应力。

2.2 课堂采用竞答，增加积极性 目前，高校学生普遍存在一种情况，就是前面有空座不坐，学生都去后面坐，这样就造成资源的浪费，给教师授课带来困难。为此，在2014级宿州学院土木专业1、2班采取竞答的方法，从最后一位开始竞答，提问钢结构公式、定义以及随机的指出节点焊缝连接公式、构件稳定公式，回答正确的同学保留其座位，回答不出来的同学座位废除，座位挪到前面。如此一来，学生在课上以及课下就会主动去学习钢结构，增加了自主学习的积极性，提高了其对钢结构学习的乐趣。

2.3 课后信息反馈 宿州学院每个班级均设有信息员，信息员会定期开会反应教学中的问题，针对信息员对钢结构授课中提出的问题，教师认真思考并改正。相对于教师对学生的了解，还是学生对学生最了解，反应的问题真实，针对钢结构这门课反应较难，数学功底差，材料力学知识没学扎实，在授课过程中不要单调的一直进行推导，可以引入生活中实例进行讲解知识点，对于公式可以采用小纸片形式。

3 结语

在钢结构设计原理授课中，由节点到构件，循序渐进，逐步提高对这门课程的理解，重点内容突出，主次明显，善于总结，掌握好基本规律，对钢结构学习有帮助。

参考文献

[1]傅菊根，张春玉.钢结构基本原理：第1版[M].郑州：黄河水利出版社，2011.

[2]夏志斌，姚谏.钢结构—原理与设计：第1版[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[3]孙强，马巍.钢结构基本原理：第1版[M].武汉：武汉大学出版社，2014.

[4]肖亚明，孙强，马芹永.钢结构设计原理：第1版[M].合肥：合肥工业大学出版社，2005. （责编：张宏民）