桥梁工程专业钢结构课程教学探讨

2022-03-26赫中营康帅杜文风张建伟韩长玉

高教学刊 2022年5期

赫中营　康帅　杜文风　张建伟　韩长玉

摘要：随着钢结构桥梁需求的日益增长，钢结构对本科教育阶段桥梁工程专业的学生愈发重要。目前的钢结构教材对桥梁工程专业的针对性不强，对钢结构桥梁规范涉及不多，应予以完善。通过增加桥梁钢结构标准（规范）、钢结构桥梁构造和钢结构桥梁工程算例等内容，提高钢结构教学内容对桥梁工程专业的针对性;理清课堂教学中钢结构理论（包括构造）与实践的关系，确定各部分内容的合理教学方式，确保教学效率及教学效果;考虑不同层次学生的需求，适当增加部分高阶内容的讲解，引导学生进行科研探索。

关键词：桥梁工程;钢结构;教学内容;教学方式

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2022）05-0094-05

Abstract： With the increasing demand of steel structure bridges， steel structure course is becoming more and more important to bridge engineering students in undergraduate education. At present， the Steel Structure textbook contents are not targeted to the bridge engineering specialty， and does not involve too much about the steel structure bridge specification， so the teaching content of steel structure should be improved for bridge engineering major. By adding the steel structure standard （specification） of bridge engineering， steel bridge structural requirement， steel bridge engineering calculation examples and other content， make the steel structure teaching content pertinent to the bridge engineering specialty. Clarifying the relationship between steel structure theory（including structural requirement） and the project practice in classroom teaching， the reasonable teaching mode of each part can be determined， and the teaching efficiency and teaching effect can be ensured. Taking into account the needs of students at different levels， some explanations of higher-order content should be added appropriately， and exploring scientific research of students can be guided.

Keywords： bridge engineering; Steel Structure; content of courses; teaching mode

随着我国交通基础设施建设的大力持续投入，我国的道路、桥梁、隧道和市政等工程快速发展，截至2019年底，我国公路总里程达到501.25万公里，其中高速公路14.96万公里;全国铁路营运里程突破13.9万公里，其中高速铁路达到3.5万公里，高速铁路桥占比普遍达50%以上，沪杭高铁桥占比达87%，京津城际铁路桥占比达88%，广珠城际铁路桥占比更是高达94%;全国公路桥梁87.83万座、6 063.46万米，公路隧道19 067处、1 896.66万米。然而，虽然我国公路桥梁建设成就卓著，但其中钢桥占比不足1.0%，铁路桥梁结构形式也主要以中小跨径混凝土简支梁为主。

2016年7月13日，交通运输部发布了《交通运输部关于推进公路钢结构桥梁建设的指导意见》（交公路发〔2016〕115号）[1]，明确要通过5年的努力，使我国公路行业钢结构桥梁设计、制造、施工、养护技术基本成熟，技术标准更加完备，新建的特大、大跨径桥梁以钢结构为主，新改建工程中的常规桥梁，使用钢结构桥梁的比例获得明显提升。意见提出了加强钢结构专业人才培养的措施，“鼓励高校、科研、设计、制造、安装和管养等单位加强钢结构专业人才的引进和培养。各地应积极开展《公路钢结构桥梁设计规范》[2]《公路钢混组合桥梁设计與施工规范》[3]等相关标准规范和知识技能的专项培训，提高钢结构从业人员的技术素质和专业水平”。

高校是专业人才培养的第一站，其培养质量直接影响专业人才的服务效率、价值及再成长。然而，目前国内的钢结构教材[4-9]主要偏重于建筑结构，其中的示例、算例集中在建筑结构构件，内容也主要集中在杆系结构。与结构工程专业相比，桥梁工程专业钢结构的授课内容具有特殊性，应结合钢桥结构构件、钢桥设计规范及钢结构基本设计计算原理进行讲解。何若全教授主编的《钢结构基本原理》（第2版）[6]结合了新规范GB 50017-2017《钢结构设计标准》[10]和JTG D64-2015《公路钢结构桥梁设计规范》[2]的相关内容，谭金华副教授、杨吉新教授等主编的《桥梁钢结构》[11]将钢结构和钢桥内容进行了有机结合。另外，桥梁结构中除了常用的桁架、框架等杆系结构外，大断面箱梁、扁平箱梁等也是常用的结构形式之一，但目前的钢结构课程较少提及。

随着钢结构桥梁建设的迅速增长，钢结构在桥梁工程专业课程体系中的权重逐步提高。本文结合作者多年的桥梁工程实践经验、钢结构及其他相关课程的教学经验，依据以往钢结构教学效果，分析总结经验教训，在桥梁工程专业钢结构课程的教学任务、教学内容、学时分配和教学方式等方面进行探讨，以期为桥梁工程专业钢结构课程教学提供参考。

一、教学任务

钢结构是桥梁工程专业的学科基础课之一，根据行业发展情况，目前在课程体系中应与混凝土结构具有同等重要的地位，应设置为专业必修课。

学生通过本课程的学习，应较全面地掌握常用桥梁钢结构构件、连接的分析原理及设计计算方法，熟悉桥梁钢结构材料、构件和连接的专业知识，初步获得必备的钢结构桥梁的体系组成、构造要求、基本理论及基本设计能力，了解桥梁钢结构新材料、新技术、新工艺及新结构形式的发展动态，为后续桥梁工程专业课学习、设计奠定理论基础，为最终从事钢结构桥梁的设计、施工及科研工作打下坚实基础。

结合土木工程教指委文件建议、土木工程专业认证要求、行业发展需求，桥梁工程钢结构的课程教学应培养学生以下基本能力：

（1）掌握常用钢结构连接、构件的特点、分析原理及设计计算方法。要求学生掌握焊接和螺栓连接的特点，能正确地选用合理的连接方法，并准确地设计连接。要求学生掌握钢结构基本受力构件（轴心受力构件、受弯构件、拉弯和压弯构件）的计算理论、设计方法。

（2）了解钢结构及材料现状与发展趋势，理解钢结构的相关规范、规程和标准，培养学生钢结构工程构造要求意识，根据桥梁结构的具体使用要求、工作环境和不同种类钢材的性能，正确地选用钢材，考虑构造要求，正确设计构件及连接。

（3）培养学生具备初步运用计算机、专业原理、工程方法及软件分析桥梁钢结构的能力。

除以上基本能力要求外，应考虑部分优秀学生的高阶需求，适当补充教学内容及工程问题，初步培养学生对桥梁工程钢结构的科研兴趣、诱发科研思维及引导科研能力。

二、教学内容

（一）教材概况

目前土木工程钢结构教学所采用的教材，由基本理论和工程结构两部分组成，部分教材包括钢结构耐久性、钢结构塑性设计的内容[5，7]。基本理论的内容主要按构件受力类型划分章节，包括材料性能、连接、轴心受力构件、受弯构件、拉（压）弯构件及节点构造[6-9];部分教材按强度、刚度和稳定等验算内容划分章节，包括材料性能、强度、稳定性、刚度、连接及节点、脆性断裂和疲劳[5]。工程结构部分的内容一般针对单层厂房钢结构、多高层房屋结构、大跨度房屋结构、桁架及屋盖、门式刚架以及钢管结构等[5-9]，陈绍蕃教授等人[5]编著的《钢结构（上册）-钢结构基础》（第4版）列举了桁架桥的桥面系结构设计示例。

综合目前钢结构教材，在基础理论部分内容基本相同，工程结构部分基本都偏于工民建结构，目前作者在教学过程中以张耀春教授[7]编写的《钢结构设计原理》为主线，同时将陈绍蕃教授等人[5]编写的《钢结构（上册）-钢结构基础》（第4版）和何若全教授[6]编写的《钢结构基本原理》（第2版）作为必须参考书。

（二）不同方向钢结构内容整合

结合钢结构的先修课程材料力学[12]、结构力学[13-15]，相关课程结构设计原理[16]及后续课程桥梁工程[17-19]的内容章节，本课程在基本理论部分仍采用按构件受力类型进行讲解，考虑到桥梁工程结构的荷载形式及使用环境，在材料性能部分对比桥梁工程及建筑工程对钢材的性能要求，加强疲劳破坏和验算的相关内容，在基本理论内容讲解部分，紧密结合《钢结构设计标准》[10]《公路钢结构桥梁设计规范》[2]《铁路桥梁钢结构设计规范》[20]三个规范，对比不同受力构件在不同规范中的规定。比如，在讲解主平面内受弯的实腹式受弯构件强度验算时，同时展示三个规范中的相关内容，如图1所示。

（三）教学内容及学时分配

桥梁工程专業钢结构的工程结构部分显然应偏重桥梁工程结构的内容，因此在教学过程中工程案例部分可采用陈绍蕃教授等人编撰教材的中桁架桥桥面系结构。但是这仍然不足以支撑桥梁工程专业对钢结构的讲授，在教学过程中可将《桥梁钢结构》[11]钢梁桥的内容补充进去，教学内容及学时分配见表1。

（四）教学内容扩展

考虑学生的不同能力层次及需求，对教材中的部分内容进行补充完善，形成完备的知识体系，以便照顾有更高需求的学生群体。比如，对于实腹式轴压构件的整体稳定问题，除了教材中的基本概念及规范规定的整体稳定计算方法外，作者在课堂上增加了整体稳定的完备理论，包括能量法推导弯曲失稳临界力、扭转失稳临界力求解过程、弯扭失稳临界力求解过程[21]。补充内容不要求学生掌握，目的是使学生对轴压构件的临界力有更清晰的认识，同时作为对感兴趣学生的引导，更有利于培养高端人才。

三、教学方式

钢结构课程是理论（包括构造）与实践并重的课程，二者之间是相辅相成、相互支撑的，理论内容的最终目的是应用于实践，但在教学过程中实践的认知有利于理论知识的学习与掌握。基于此，作者认为，在钢结构课程教学中，理论内容仍然是重中之重，比如构件的稳定、强度等相关理论及设计方法，是学生必须理解掌握的过程，对这部分内容中的高阶部分，考虑学生进一步学习的可能，可以不要求掌握，但应知其所以然。

工程实践部分在钢结构教学过程中应为理论知识做好服务，这应体现在两个方面：（1）工程认知，便于理论知识的理解、学习;（2）工程设计，作为理论知识的最终应用。从这里也可看出，钢结构内容最重要的部分仍然是理论的掌握和运用。因此，在教学过程中，仍然以理论知识讲解为主，便于理论知识学习掌握，为相应理论部分提供工程认知;设置课程设计教学环节，为理论知识运用提供工程背景;在各章节教学内容结束后，布置相应作业巩固学生所学知识。

理清教学过程中理论与实践的关系，才能制定合理的教学方式，避免本末倒置。具体可采用如下方式：

（1）工程认知可采用图片、视频、动画進行展示。

（2）理论讲解可采用PPT、板书等形式进行讲解推导。

（3）工程设计可要求学生通过手绘、编程，使用绘图软件、计算软件进行设计。

（4）课程作业可要求学生采用自编程序进行计算。

图2为教学过程中展示的桥梁钢结构连接工程认知图，图3为往届学生采用Excel编写的螺栓连接、实腹式轴压构件验算小程序。

四、结束语

根据目前钢结构教材现状及桥梁工程专业钢结构发展趋势，目前钢结构教学内容显然对桥梁工程专业针对性不强，因此，应对桥梁工程专业钢结构内容予以完善，具体如下：

（1）对于桥梁工程专业钢结构教学内容予以补充，增加桥梁钢结构标准（规范）、钢结构桥梁构造和工程算例等内容。

（2）确定课堂教学中钢结构理论（包括构造）与实践的关系，合理确定各部分教学方式。

（3）考虑不同层次学生需求，适当考虑部分学生对高阶内容的需求。

参考文献：