编程计算在高职钢结构原理与设计课程教学中的应用研究

杭振园, 陆森强, 谈家辉, 王 凯, 范信鑫, 祁麟亚

(浙江交通职业技术学院， 杭州 311112)

0 引 言

《钢结构原理与设计》是高职院校钢结构专业必修的一门专业核心课程，具有理论公式多、节点构造复杂、设计结果多样性、工程实践性强等特点[1-2]。高职院校中该课程的培养目标是使学生掌握钢结构的基本知识和了解钢结构的基本原理，能够应用规范进行钢结构设计和复核工作，具备一定解决实际工程问题的能力。然而，一方面，高等职业院校生源质量与高等院校有较大差距，学习基础参差不齐，学习积极性不高，接受新知识能力较差，刻苦钻研的精神不浓，但高职院校学生的动手能力以及对运用电脑的能力普遍较强，所以教学模式不能照搬本科院校成熟的方法和经验；另一方面，根据相关调查发现，钢结构项目中整体结构的分析主要采用PKPM、MIDAS、SAP2000等软件进行计算，局部构件或者节点的受力分析和复核以及结构附属物的安全验算等往往采用手算方式，《钢结构原理与设计》课程教学中多以局部构件的设计和验算为主，但钢结构计算公式复杂繁琐，手算不仅会浪费学生大量的时间和精力，计算结果也存在较高的出错率，这大大影响学生对钢结构原理与设计的学习信心和钢结构专业的认可度。因此，如何激发高职院校学生对《钢结构原理与设计》课程的学习兴趣，增强他们对繁琐知识链的学习信心，提高他们对知识点的理解以及解决实际工程问题的能力，这是作为任课教师所关注的问题。

基于此，利用Excel软件强大的编程及计算功能，以《钢结构原理与设计》课程中直角角焊缝设计和构造为例，对该课课程教学改革进行了初步的探索。通过对课堂效果和课后作业完成情况的观察，发现该方法可以大大调动学生的学习积极性，增强学生的领悟能力和逻辑能力，可以培养并发挥学生的主动专研的创造能力，为学生的顶岗实习和工作打下良好的基础。

1 理论依据

以规范《钢结构设计规范》GB50017-2003[3]和行业标准《高层民用建筑钢结构技术规程》JGJ99-2015[4]为依据，指导学生编写了直角角焊缝Excel设计表格。直角角焊缝类型主要包括：正面直角角焊缝、侧面直角角焊缝、正侧组合型直角角焊缝以及复杂受力型直角角焊缝，其承载力计算和构造设计可以解决直角角焊缝设计和复核两类问题，本文仅讨论直角角焊缝的设计，其承载力和构造复核可采用相同的方法解决。

1.1 基本公式

正面直角角焊缝的计算公式见式(1)：

(1)

侧面直角角焊缝的计算公式见式(2)：

(2)

复杂应力下直角角焊缝的计算公式见式(3)：

(3)

1.2 构造要求

(2)hf不宜大于较薄焊件厚度的1.2倍(钢管结构除外)；在板边缘的直角角焊缝，当板厚t≤6mm，hf≤t；当t>6mm时，hf≥t-(1→2)mm。圆孔或槽孔内的hf不宜大于圆孔直径的1/3或槽孔短径的1/3。

(3)侧缝和端缝的计算长度不得小于8hf和40mm；侧缝的计算长度也不宜大于60hf。当大于上述规定时，其超过部分在计算中不予考虑。

(4)当构件用两边侧缝连接时，每条侧缝长度不宜小于两侧缝之间的距离，同时两侧缝之间的距离不宜大于16t(当t>12mm)或190mm(当t≤12mm)，t为较薄焊件的厚度。

1.3 计算流程

直角角焊缝计算流程如图1所示，主要包括：第一步，根据工程或题目要求选择角焊缝的类型；第二步，确定直角角焊缝设计所需的参数(包括材料，焊条型号，焊接工艺等)；第三步，进行构造设计和复核，如不符合构造要求，返回第二步；第四步，根据理论公式进行计算，如满足要求，整理归纳设计结果，如不满足要求，返回第二步。

图1 计算流程图

2 Excel编程应用和成果

基于设计直角角焊缝时所需的理论公式、构造要求和计算流程，任课教师结合对课本例题或实际工程问题的讲解，基本可以达到课程教学的要求。但经调查发现，一旦问题稍有改变，大多学生缺乏独自思考问题的能力，不能灵活掌握及运用理论知识，达不到课程教学的目的。

利用Excel对浙江交通职业技术学院2015级的钢结构原理与设计课堂改革进行了初步的探索，课后，对2015级1班的37个学生进行了为期4周共20课时的Excel基础编程培训，将学生分为8组，每组4～5人，结合理论知识指导学生编制直角角焊缝的Excel设计表格，旨在将相关知识点讲解透彻，调动学生学习兴趣，使学生更好地掌握设计直角角焊缝的理论知识和流程。

以下为第5组成员(谈家辉、范信鑫、刘东美、金丽娜编写，王凯复核)设计的直角角焊缝的计算表格，其中计算类型1为正面角焊缝，计算类型2为侧面角焊缝，计算类型3为正面、侧面角焊缝组合焊缝，计算类型为4为复杂应力的正面、侧面角焊缝；计算类型、绕角焊、焊接方式、焊条、边缘角焊缝、钢材牌号、βf、焊缝类别为下拉栏，需根据实际情况进行选择；t1、t2、l、hf等已知、偏心e、b、tw、t等为输入栏，需手动输入。

2.1 正面直角角焊缝

如表1所示，选择输入：计算类型选1、手工焊、非低氢焊条、Q235、t2=14mm、t1=20mm、N=350kN、l=600mm、βf=1.22、截面模量类别为两条、e=30mm，根据构造要求取hf=8mm，取l=600mm。计算结果：直角角焊缝最大正应力为114.76MPa，满足要求，故hf=8mm是正确的(Excel表中绿底色单元格需要人工输入参数，下同)。

表1正面直角角焊缝计算图表

2.2 侧面(组合)直角角焊缝

(1)仅设侧面直角角焊缝

如图2所示，选择输入：计算类型选2、手工焊、非低氢焊条、Q235、t1=16mm、t2=18mm、N=619.2kN(计算所得)，根据构造要求取hf=8mm：计算结果：lw=691mm，单条l=365mm(取整)，满足要求。

表2侧面直角角焊缝计算图表

(2)设侧面+正面组合直角角焊缝

如图3所示，选择输入：计算类型选3、手工焊、非低氢焊条、Q235、t1=16mm、t2=18mm、N=619.2kN(计算所得)，根据构造要求取hf=8mm，取正面直角角焊缝总长度l=180mm，计算结果：lw=471mm，单条l=245mm(取整)，满足要求。

表3组合面直角角焊缝计算图表

2.3 复杂应力下的直角角焊缝

图2 复杂应力下直角角焊缝计算图

如表4所示，选择输入：计算类型选2、手工焊、非低氢焊条、Q235、t1=16mm、t2=10mm、F=470kN、e=500mm、角度为90°、焊缝类型：“工”428×200×10×14(工字型截面尺寸参数)、lwx=200、lws=200，根据构造要求取hf=8mm。计算结果：综合应力为194.2MPa，不满足强度要求；选择hf=10mm，综合应力为159.7MPa，满足强度需要。

表4复杂应力下直角角焊缝计算图表

以上为学生编写的直角角焊缝在不同受力状态下的Excel设计程序，改变上述案例中任意初始荷载和焊接工艺以及焊脚构造高度等参数，Excel表格将会自动判断焊缝是否满足承载力设计要求和构造要求或设计得到焊缝的长度，该表格具有计算效率高、简单、精确等优点，可以为学生计算节省大量的精力和时间。

学生通过编写直角角焊缝Excel计算表格，体会到了钢结构原理与设计工作的真谛——任何设计问题需要进行全面考虑，复杂繁琐、理论性强的工作需要进行简化、分割和再整和，才能够乐在“学”中、学在“用”中、举一反三。因此，在钢结构原理与设计课程中引入Excel编程可以训练学生的解题能力，还可以培养学生独自分析、解决问题以及创新能力。

3 结 语

钢结构原理与设计是一门具有很强理论性和实践性的专业核心课程，结合Excel编程功能进行课堂教学改革，可以激发学生在“学”和“用”中的主观能动性和创新性，增强学生对课程理论知识的理解和思考问题的全面性以及计算逻辑能力，对提高钢结构原理与设计教学质量起到了很好的推动作用，为学生毕业后从事钢结构设计工作奠定良好的基础。

参考文献:

[1] 张磊,李忠学,赵伟.面向土木工程创新设计实验班的钢结构教学改革构想[J].高等建筑教育,2009,18(2):110-113.

[2] 张胜,周锡玲,陈斌,等.土木工程专业《钢结构》课程教学研究改革探讨[J].长沙大学学报,2012,26(2):117-118.

[3] GB50017-2003，钢结构设计规范[S].

[4] JGJ99-2015，高层民用建筑钢结构技术规程[S].