王廣利

（黎明職業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，福建泉州 362000）

“建筑結(jié)構(gòu)”教學(xué)中生動(dòng)實(shí)例探究

王廣利

（黎明職業(yè)大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，福建泉州 362000）

總結(jié)了一些在建筑結(jié)構(gòu)教學(xué)中通俗易懂的講課實(shí)例，活躍了課堂氣氛，既能激發(fā)學(xué)生對所學(xué)理論的學(xué)習(xí)興趣，有益于學(xué)生理解建筑結(jié)構(gòu)，也可以為從事建筑結(jié)構(gòu)教學(xué)的教師提供一定的參考.

建筑結(jié)構(gòu)；教學(xué)；實(shí)例

建筑結(jié)構(gòu)是高職土建類專業(yè)核心課程之一，在建筑結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)時(shí)，由于對工程實(shí)際中的許多問題不了解，加上課程的理論知識(shí)抽象，公式繁多，不少學(xué)生對教師的講解似懂非懂，因此普遍存在厭學(xué)和恐懼心理，難以從結(jié)構(gòu)理論本身把握并建立起結(jié)構(gòu)概念．作為一位長期從事建筑結(jié)構(gòu)教學(xué)的教師，本文總結(jié)了一些在建筑結(jié)構(gòu)教學(xué)中通俗易懂的講課實(shí)例，這些實(shí)例來之于生活實(shí)際，通俗易懂，可以活躍課堂氣氛，既能激發(fā)學(xué)生對所學(xué)理論的學(xué)習(xí)興趣，有益于學(xué)生理解建筑結(jié)構(gòu)，也可以為從事建筑結(jié)構(gòu)教學(xué)的教師提供一定的參考．

實(shí)例1 講述建筑結(jié)構(gòu)課程的緒論時(shí)，可把結(jié)構(gòu)比作人類的骨骼系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)即建筑的骨骼系統(tǒng)[1]3-27．人類有自己的骨骼系統(tǒng)，世上千千萬萬的動(dòng)物，大多都要依靠自己的骨骼系統(tǒng)承托著自身的重量．對建筑而言，其造型、空間等內(nèi)容也都依賴它的骨骼系統(tǒng)，也就是結(jié)構(gòu)承載著．與不同的生命體有著不同的骨骼系統(tǒng)一樣，不同的建筑也有著不同的結(jié)構(gòu)．復(fù)雜的結(jié)構(gòu)都是由簡單的結(jié)構(gòu)演化而來，任何一個(gè)建筑結(jié)構(gòu)都可看做插在地面上的一根懸臂構(gòu)件（圖1）．這樣的開場白，會(huì)給學(xué)生留下深刻的印象．

圖1 建筑結(jié)構(gòu)與懸臂構(gòu)件的關(guān)系

實(shí)例2 講述結(jié)構(gòu)中基本構(gòu)件時(shí)，可舉人提一桶水，當(dāng)手臂自然下垂?fàn)顟B(tài)時(shí)，手臂受拉，并不感覺吃力，而彎起手臂將水桶掛于前臂，此時(shí)手臂受彎，頓時(shí)倍感吃力，進(jìn)而再轉(zhuǎn)動(dòng)手臂，使手臂受扭，人便受不住，以此說明拉壓對材料來說是“最舒服”的受力模式．換言之，軸力產(chǎn)生的應(yīng)力較小，彎扭產(chǎn)生的應(yīng)力較大．由梁到桁架，再發(fā)展到拱，均可理解為將彎矩轉(zhuǎn)化為軸力，降低了材料所受到的應(yīng)力，提高了結(jié)構(gòu)的承載力，所以桁架和拱從受力角度來看是合理結(jié)構(gòu)．進(jìn)而講述鋼框架中支撐的合理性，即通過設(shè)置支撐將鋼梁鋼柱的受彎部分轉(zhuǎn)化為支撐的拉壓，大大提高鋼框架的承載力和剛度．

實(shí)例3 講述結(jié)構(gòu)中受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)的穩(wěn)定問題，以舉重運(yùn)動(dòng)為例，舉重運(yùn)動(dòng)員大多體型矮壯，通俗地認(rèn)為他們的重心低，容易站穩(wěn)（圖2）．這其實(shí)是穩(wěn)定問題，臨界力與長度的平方成反比，所以矮壯運(yùn)動(dòng)員有利于出成績．受壓構(gòu)件穩(wěn)定設(shè)計(jì)原理與此相同，由于矮胖構(gòu)件的臨界力大于細(xì)長構(gòu)件的臨界力，因而其穩(wěn)定性好，承載力也較高，因此受壓構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意長細(xì)比不能過大．

圖2 受壓穩(wěn)定示意

實(shí)例4 講述結(jié)構(gòu)中樓層的概念及梁柱設(shè)計(jì)，舉自然界中的竹子為例，竹子有竹節(jié)，竹節(jié)即為竹子的“樓層”，這些“樓層”不僅能增強(qiáng)竹子的抗彎強(qiáng)度，也能提高竹子橫向抗剪切的能力．在竹節(jié)的幫助下，竹子具有了良好的抗風(fēng)性能，才使竹子成為植物界中的“高層結(jié)構(gòu)大師”．竹子內(nèi)部是空心的，表面被強(qiáng)度高、韌性好的竹皮包裹著（竹皮常用來編織籃筐，足見其強(qiáng)度、韌性非同一般），這種結(jié)構(gòu)保證了竹子不增加自身重量的前提下，大大提高其抗彎、抗扭強(qiáng)度．這一點(diǎn)也可以在人類和動(dòng)物的骨骼上得到體現(xiàn)，空心的骨骼重量較輕，但具有極強(qiáng)的抗彎能力和抗斷能力，假如骨骼是實(shí)心結(jié)構(gòu)，無疑會(huì)導(dǎo)致人體和動(dòng)物身體笨重，造成行動(dòng)遲緩，也會(huì)大大增加骨折的危險(xiǎn)性．由此來解釋梁柱設(shè)計(jì)時(shí)往往把鋼筋布置在構(gòu)件外圍，其原理如出一轍．并進(jìn)一步說明結(jié)構(gòu)布置時(shí)，有效抗側(cè)力構(gòu)件應(yīng)放在結(jié)構(gòu)的外圍，而不應(yīng)是在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部[2]27-35．

實(shí)例5 講述結(jié)構(gòu)中樓梯的設(shè)計(jì)，可用登高時(shí)使用的木板和竹梯子為例，木板和竹梯子分別是板式樓梯和梁式樓梯的原始模型（圖3）．可讓學(xué)生利用木板和竹梯子登高，使其直觀感受木板和竹梯子的受力及變形，再來講解樓梯的設(shè)計(jì)，從而加深學(xué)生對樓梯受力、傳力的理解．這些結(jié)構(gòu)原始模型也能使學(xué)生進(jìn)一步體會(huì)到結(jié)構(gòu)來源于生活實(shí)踐．此時(shí)也可以提一下汶川地震中樓梯的破壞情況，汶川地震造成了大量樓梯破壞，甚至樓梯板斷裂而使得逃生通道被切斷．可見，結(jié)構(gòu)中樓梯雖不起眼，但其重要性卻不容忽視．

木板

圖3 樓梯及其原始模型

實(shí)例6 落水之人為保命必朝最近的岸邊游去，其理同于荷載按最短路徑傳遞的原則．而荷載按剛度分配的原則，正是我們常提起的“能者多勞、能者多得”的社會(huì)理論．此時(shí)可以提一下剛度的概念，可舉人手握樹枝，使樹枝處于水平，當(dāng)樹枝伸出長度較短時(shí)基本感覺不到其彎曲，隨樹枝伸出長度的增加其彎曲程度越來越明顯，以此來說明等截面構(gòu)件長度越長，其抗彎剛度越小，彎曲變形越大．其實(shí)，結(jié)構(gòu)中四邊支承的矩形樓板是單向板還是雙向板，表面看起來是取決于兩個(gè)方向的跨度比，實(shí)際上是由兩個(gè)方向剛度比決定，兩個(gè)方向跨度相等或接近（實(shí)質(zhì)是兩個(gè)方向剛度相當(dāng)），則荷載沿雙向傳遞；兩個(gè)方向跨度相差較多（實(shí)質(zhì)是兩個(gè)方向剛度相差懸殊），則荷載主要單向傳遞（沿短向傳遞很多，沿長向傳遞很少）．此外，在超靜定結(jié)構(gòu)中“能者多勞、能者多得”體現(xiàn)為“哪里剛度大，哪里內(nèi)力大”，結(jié)構(gòu)剛度猶如一個(gè)內(nèi)力的“指揮棒”，指揮著內(nèi)力的傳遞和分布．

實(shí)例7 講述結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震能力主要取決于利用其變形能力，即通過延性耗能的能力時(shí)，以人乘公交車為例，人直立在公交車上，公交車突然啟動(dòng)時(shí)（形同地震發(fā)生），如人能有充分的身體變形可站立不倒，如保持立正狀態(tài)，則人體受力較大，有傾覆之虞[3]．《老子》中說：“柔弱勝剛強(qiáng)”，由此，為何世界上不少地震頻發(fā)國家廣泛采用隔震、消能減震結(jié)構(gòu)，其道理也就不難理解．順便也可以讓學(xué)生思考一下結(jié)構(gòu)是越剛越好（變形?。┻€是越柔越好（變形大）？此時(shí)，可介紹一下中國文化的基本特征之一的“剛?cè)嵯酀?jì)”．俗話說，剛中有柔，柔中有剛，二者相互依存，缺一不可．中庸之道強(qiáng)調(diào)，無論是為人處世、人生規(guī)劃、企業(yè)管理都要遵循“剛?cè)嵯酀?jì)”的原則，做到恰到好處．“道”是相通的，將“剛?cè)嵯酀?jì)”的思想運(yùn)用到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，做到結(jié)構(gòu)具備合適的剛度，既要保證變形控制在允許范圍內(nèi)，又要經(jīng)濟(jì)合理．

實(shí)例8 講述建筑結(jié)構(gòu)為何大多為超靜定結(jié)構(gòu)，鮮見靜定結(jié)構(gòu)．可設(shè)想人平躺在床上，如若僅以頭部和腳后跟與床接觸，人體為靜定結(jié)構(gòu)，可人扛不??；隨著與床的接觸點(diǎn)增多，超靜定次數(shù)也增加，人體就會(huì)感覺越舒服，改善了人體受力[4]．以此說明結(jié)構(gòu)的超靜定次數(shù)越多，結(jié)構(gòu)的承載能力越高，結(jié)構(gòu)抵抗破壞的防線越多．進(jìn)而聯(lián)想到懸索結(jié)構(gòu)，如懸索橋，其基本原理就顯而易見．

[1][美]D L.斯科臺(tái)克.建筑結(jié)構(gòu)（第四版）[M].福午，等，譯.北京：清華大學(xué)出版社，2005．

[2]林同炎.結(jié)構(gòu)概念和體系（第二版）[M].北京：建筑工業(yè)出版社，1999．

[3]王廣利．《建筑結(jié)構(gòu)》課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J]．福建建筑，2013（2）：119-120.

[4]方德平.《材料力學(xué)》教學(xué)中的幾個(gè)實(shí)例[J].力學(xué)與實(shí)踐，1996（5）：61.

（責(zé)任編輯：鄭宗榮）

On Impressive Examples in the Teaching Practice of Building Structure

WANG Guangli
(College of Civil Engineering, Liming Vocational University, Quanzhou, Fujian 362000)

This paper elaborates several vivid examples in the teaching practice of Building Structure course. With them the class atmosphere can be enlivened, and students’ interest in theory learning can be stimulated to facilitate their understanding of the structure of buildings and shed light on the teaching practice of this course.

building structure; teaching; examples

G426

A

1009-8135（2015）03-0134-03

2015-02-27

王廣利（1975-），男，山東威海人，福建黎明職業(yè)大學(xué)講師，主要研究建筑力學(xué)與結(jié)構(gòu)學(xué).

2014年福建省高等學(xué)校教學(xué)改革研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：JAS14854）階段性成果