结构力学课程教学实用性研究*

艾海英 王邵臻 路 维 杨建功

结构力学课程教学实用性研究*

艾海英**王邵臻 路 维 杨建功

北京科技大学天津学院土木工程系，天津 301830

结构力学是土木工程专业学生的主干课程，如何改进教学策略，实现该课程的有效教学非常重要。本文主要针对课程的实用性展开研究，提出了三点教学建议：简化模型与实际构造相结合；上承现实构造，下接基础力学；鼓励学生积极参加课外实践活动。教学实践表明，基于实用性的教学方法能够取得良好教学效果。

结构力学；实用性；教学建议

结构力学是从基础力学(理论力学和材料力学)到工程实践的桥梁，在土木工程教学中有着至关重要的地位。从课程的实用性角度考虑，单纯的讲授性教学，只教会学生如何计算和解题是远远不够的，更重要的是教会学生为什么要学习这门课程，学习这门课程可以解决哪些问题，如何把所学知识应用到工程实践中去，达到理论与实践相结合的完美统一。

根据近些年来的教学经验，基于对结构力学课程教学的实用性研究，提出以下三点教学建议：

一、简化模型与实际构造相结合

结构力学教材一般都以简化模型为基础展开分析计算，虽然教会了学生理论知识和解题技巧，但难免会有学生质疑：这个力学模型是如何得来的，模型在现实中对应何种工程结构，甚至有学生会觉得在现实中从未见过这种构造。在教学过程中，建议将简化模型与实际构造相结合进行讲解，可取得更好的教学效果。举例如下：

图1

图2

图1所示的简化模型对学习过结构力学的学生而言并不陌生，但感性认识就像滑板车一样，很难跟现实的实际工程联系在一起，而图1实际上就是由图2所示的桥梁结构简化而来的。从几何构造分析可知，梁AB和CD直接由墩身固定于基础，是几何不变的，短梁BC两端支撑于梁AB和CD的伸臂上，整个结构是几何不变的。梁AB和CD本身(不依赖梁BC)就可以承受荷载，称为基本部分。梁BC依靠基本部分的支承才能承受荷载并保持平衡，称为附属部分。由此可以举一反三：多跨静定桥梁是由几根梁组成的，直接固定于基础的是基本部分，依赖于基本部分的是附属部分，计算时可以把梁拆分成几个单跨静定梁，逐个去解决，避免求解联立方程的麻烦。为了简化计算，基本部分和附属部分之间的连接可以视为铰支座支承，从而得到需要的简化模型。有意识的培养学生这种观察、分析实际问题的能力至关重要，教学过程中应对这方面的内容加以着重的引导和分析。

二、上承现实构造，下接基础力学

结构力学是以梁和刚架等简化模型为基础，分析其受力和变形，它是一门承上启下的学科，上承基础力学，下接现实工程结构，是联系基础力学知识与工程实践的一个阶梯。如果这个阶梯可以打牢，未来初入职场就能够得心应手，如果这个阶梯没有打牢，一旦接触实际工程就会举步维艰。为了丰富课程的实用性，教学过程中做好荷载分析和基础力学的衔接非常重要。举例如下：

图3(a)

图3(a)所示为一钢筋混凝土结构的工业厂房，梁柱均为预制构件，梁端和柱顶通过焊接连接，柱子下端埋入基础杯口，以细石混凝土填充。梁柱在横向平面内组成排架结构，各个排架之间，上边有屋面板相连，牛腿柱上有吊车梁相连。

面对这样一个实际工程，可从课程实用性的角度教授学生分析的思路和步骤，然后拓展性的引导学生联系荷载规范和基础力学，解决整个厂房梁柱结构的设计问题。

(一)将空间结构转化为平面结构。厂房虽然是由多个排架结构组成的空间体系，但是每个排架结构布置相似，沿纵向有规律的排列，厂房沿纵向所受的恒荷载和活荷载也是均匀分布，所以可以把这些荷载分配给每个排架，而将每个排架看作一个独立的体系，这样就可以把空间结构简化成平面结构了，如图3(b)所示的平面简化模型。

图3(b)

(二)实体杆件转化为直线型。杆件的截面尺寸，如截面宽度和截面高度都比较小，相对于长度而言要小得多，因此，杆件可以用其轴线来代替。为简化计算，轴线可以近似的看成直线。

(三)连接部位约束类型的判定。梁与柱的连接是通过梁端和柱顶的预埋钢板焊接而成，梁端和柱顶之间虽不能发生相对位移，但仍有发生微小相对转动的可能性，因此可近似取为铰结点。柱底和基础之间可以认为不能发生相对位移和相对转动，因此柱底可取为固定端。最终得到图3(c)所示的简化模型。

图3(c)

(四)荷载的分析与简化。综合分析该工业厂房所受的荷载，竖向荷载包括竖向恒荷载和竖向活荷载，恒荷载如结构本身的自重，活荷载如屋面活荷载、雪荷载、吊车轮压、积灰荷载和检修荷载等，横向荷载包括横向风荷载和横向地震荷载。结合建筑结构荷载规范分别计算上述荷载，然后进行荷载的内力组合和力矩分配，转化为节点或者杆件的弯矩、剪力和轴力数值。

(五)结构力学求解杆件的内力。该结构为一次超静定结构，可以应用力法、位移法等超静定结构的计算方法进行分析，最终求出杆件的弯矩、剪力和轴力数值，绘制其内力图。

(六)材料力学分析结构的微观变化。利用材料力学分析结构的强度、刚度和稳定性问题，并可以综合变形协调方程和边界约束条件等对超静定排架结构进行深度剖析，还可以分析吊车梁动力荷载作用以及疲劳失效的问题。

这样，就可以将常见的工业厂房，从模型简化到荷载分析，从结构力学到材料力学，完整的完成了一个实际工程案例的分析、计算和设计任务。这对激发学生的学习热情和动力，无疑是一剂良药，在很大程度上能够激发他们的求知欲望。

三、鼓励学生积极参加课外实践活动，在实践中认识结构力学的实用性

(一)课堂讲授与课外观察相结合。结构力学教学中涉及到的计算模型都有对应的工程实体结构，但如果仅凭理论教学的讲授，很难让学生在理论和实际之间建立起良好的联系。因此，理论教学中，应恰到好处的引导学生自主联系工程实际。例如，结构力学理论教学中涉及的支座类型只有滚轴支座，铰支座，定向支座，固定支座四种，但在工程实际中，结构的连接形式多样，这就需要引导学生自主观察分析，总结其中的联系。在教学过程中，可布置课外作业，让学生自主去工程现场实地观察，通过拍照的方式将工程结构中的各种连接方式带回课堂，选出具有代表性连接方式进行课堂讨论分析，做出合理的判断，应该简化为何种支座。通过实地观察，学生有了很好的感性认识，讨论分析的过程就是对课堂知识的温习和升华，不仅可以活跃课堂气氛，也可以培养学生分析并解决实际问题的思路和技能。

(二)组织相关的结构设计大赛，适当调整成绩的考核标准，对积极参加比赛并表现优秀的同学给予一定的加分鼓励。此举不但可以激发学生的学习兴趣，更能锻炼他们的动手能力。例如可以组织结构建模大赛，让学生以小组为单位报名，利用课余时间完成。由学生自主选材，根据力学架构和造型设计进行模型的搭建，制作出受力性能好，外形美观的建筑模型。由教师团队担任评委，通过承重试验和综合评分，最后确定优胜者。

(三)利用假期组织工地参观和生产实习。结构力学涉及梁、刚架、桁架和三铰拱等计算模型在现实工程中都有很普遍的应用。如果条件允许，尽可能地联系相应的工地，带领学生去实地参观实习。实习过程中，学生可深入施工现场，接触实际工程，较深入地了解结构之间的联系。实习不但能巩固和加深课堂所学知识，更能理论联系实际，培养分析问题和解决问题的能力，为将来参加工作打下坚实的基础。实习结束后，可以要求学生选择某一部分结构做力学分析，从模型简化到力学计算完成综合性的大作业并进行考核评分，以期达到对知识的融会与贯通。

通过科学合理的组织设计教学过程，做到理论和实践相结合，可帮助学生真正认识到结构力学的实用性。近几年来，根据结构力学教学大纲人才培养的要求，我们利用上述教学方法，教学效果取得显著提高。今后，我们将继续努力，把结构力学的实用性不断引入到教学当中，为学生日后走上工作岗位打下良好基础。

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Structural mechanics is a main course for students majoring in civil engineering.How to improve teaching strategies and realize effective teaching of this course is very important.This article mainly aims at the practicability of the curriculum and puts forward three teaching suggestions：The simplified model is combined with the actual structure；On the basis of reality structure，the following basic mechanics；Encourage students to take part in extracurricular activities.The teaching practice shows that the teaching method based on practicability can achieve good teaching effect.

Structural mechanics；Practicability；Teaching suggestion

*北京科技大学天津学院《结构力学》优秀课程建设项目(NO.yx201601)。

O342-4；G

A

1006-0049-(2017)16-0010-02

**作者简介：艾海英(1984-)，女，硕士，北京科技大学天津学院土木工程系，讲师，主要从事结构方向的研究。