李會(huì)軍　李宗利　李寶輝

摘 要：結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論是鋼結(jié)構(gòu)、大跨度空間結(jié)構(gòu)和橋梁工程等課程的重要理論基礎(chǔ)。文章針對(duì)目前鋼結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)存在的問(wèn)題，提出在課堂教學(xué)中采取理論教學(xué)和實(shí)際工程案例相結(jié)合、理論推導(dǎo)和有限元數(shù)值計(jì)算相結(jié)合等措施進(jìn)行課程教學(xué)改革。實(shí)踐表明，通過(guò)上述舉措，加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的感性認(rèn)識(shí)、提高了學(xué)生的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算能力，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，大大提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論；教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1002-4107（2018）02-0055-03

結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論是鋼結(jié)構(gòu)的核心內(nèi)容。通過(guò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的學(xué)習(xí)，學(xué)生理清了穩(wěn)定與強(qiáng)度問(wèn)題的區(qū)別和聯(lián)系，掌握了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基本分析方法，了解其在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，培養(yǎng)了靈活運(yùn)用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定知識(shí)解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。鋼結(jié)構(gòu)主要先修課程為“高等數(shù)學(xué)”、“理論力學(xué)”、“材料力學(xué)”和“結(jié)構(gòu)力學(xué)”，是“大跨度空間結(jié)構(gòu)”和“橋梁工程”等專業(yè)課程及課程設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的重要基礎(chǔ)。實(shí)踐證明，學(xué)生具備扎實(shí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論知識(shí)，有利于對(duì)其他相關(guān)專業(yè)課內(nèi)容的掌握與理解。

與混凝土、磚石和木結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)度高、重量輕、構(gòu)件截面小的特點(diǎn)，因此結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工中最為重要的問(wèn)題之一。與強(qiáng)度問(wèn)題相比，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定更加抽象，公式更為復(fù)雜，穩(wěn)定問(wèn)題是鋼結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一，鋼結(jié)構(gòu)中桿、梁、柱、支撐的計(jì)算與設(shè)計(jì)主要圍繞構(gòu)件穩(wěn)定問(wèn)題展開(kāi)。目前大多院校鋼結(jié)構(gòu)的課時(shí)為32—64學(xué)時(shí)。該課程具有理論性強(qiáng)、公式推導(dǎo)煩瑣等特點(diǎn)，在校學(xué)生與已從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的人員普遍感覺(jué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定難度大。如果材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)不扎實(shí)、學(xué)習(xí)方法不當(dāng)，要熟練掌握并靈活運(yùn)用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論知識(shí)確實(shí)不易。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論教學(xué)狀況不容樂(lè)觀，學(xué)生上課積極性不高，教學(xué)效果不甚理想。

在卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃啟動(dòng)的背景下，很多院校對(duì)鋼結(jié)構(gòu)課程進(jìn)行了課程改革與探索，取得了一定的成效，但仍有一些問(wèn)題亟待解決。筆者結(jié)合教學(xué)經(jīng)歷，談?wù)劚鹃T(mén)課程的幾點(diǎn)教學(xué)體會(huì)。

一、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論教學(xué)現(xiàn)狀

（一）重視程度不夠

學(xué)生對(duì)鋼結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論部分尚未有客觀、全面的了解，學(xué)習(xí)過(guò)程比較茫然，自己無(wú)獨(dú)立的想法與見(jiàn)解，對(duì)該門(mén)課程重視程度不夠。教師講授課本的哪部分學(xué)生就學(xué)哪部分，不會(huì)主動(dòng)學(xué)習(xí)未講授部分，課后也不主動(dòng)去學(xué)習(xí)相關(guān)文獻(xiàn)資料。還有不少學(xué)生認(rèn)為，目前數(shù)值計(jì)算方法趨于成熟，各種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定設(shè)計(jì)與分析軟件風(fēng)靡市場(chǎng)，用數(shù)值仿真軟件能解決的問(wèn)題，不必徒手進(jìn)行復(fù)雜的公式推導(dǎo)與計(jì)算，而忽略了基礎(chǔ)理論知識(shí)的重要性。

（二）難學(xué)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高

該課程包含的內(nèi)容較多，涉及的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件類型多樣（如軸心壓桿、梁、單向壓彎構(gòu)件、薄板、剛架等）。由于該門(mén)課具有理論性強(qiáng)、計(jì)算過(guò)程煩瑣的特點(diǎn)[1]，學(xué)生普遍感到學(xué)習(xí)難度大、枯燥，這或許與學(xué)生沒(méi)有正確掌握學(xué)習(xí)方法與技巧有關(guān)。教師可在講授過(guò)程中采用風(fēng)趣的語(yǔ)言、一題多解的算例、適當(dāng)?shù)奶釂?wèn)來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)樂(lè)趣。上課時(shí)教師要盡量營(yíng)造一種熟悉、輕松愉悅的學(xué)習(xí)氛圍，從而提高課堂教學(xué)質(zhì)量。

（三）基礎(chǔ)不扎實(shí)，學(xué)生學(xué)習(xí)困難

學(xué)生對(duì)前期專業(yè)基礎(chǔ)課程（材料力學(xué)等）重視程度不夠，先修課程知識(shí)掌握不扎實(shí)，導(dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論部分的學(xué)習(xí)難度大。針對(duì)此，在學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論相關(guān)章節(jié)之前，可讓學(xué)生課前認(rèn)真復(fù)習(xí)材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和高等數(shù)學(xué)的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，這樣會(huì)大大提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。

（四）知識(shí)點(diǎn)應(yīng)用不靈活

在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論部分的教學(xué)中，模型的分離與約束的等效在求解結(jié)構(gòu)的彈性屈曲荷載時(shí)尤為重要。對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系，為了分析簡(jiǎn)便，常將結(jié)構(gòu)中的單個(gè)構(gòu)件從結(jié)構(gòu)中分離出來(lái)，而后以該構(gòu)件為對(duì)象進(jìn)行穩(wěn)定分析。學(xué)生往往對(duì)構(gòu)件與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系比較模糊，分離出來(lái)的構(gòu)件的兩端約束不知如何處理，思維不夠靈活，導(dǎo)致遇到一些實(shí)際問(wèn)題時(shí)比較茫然，無(wú)從下手。

二、鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論教學(xué)改革的舉措

（一）強(qiáng)調(diào)課程的重要性

穩(wěn)定性是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題。在各種結(jié)構(gòu)形式的鋼結(jié)構(gòu)中，如鋼閘門(mén)、門(mén)式剛架、網(wǎng)架和網(wǎng)殼等，都會(huì)遇到結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)問(wèn)題。若穩(wěn)定問(wèn)題處理不當(dāng)，將會(huì)導(dǎo)致不同程度的財(cái)產(chǎn)與人員損失。另外，正是由于工程事故的發(fā)生，穩(wěn)定問(wèn)題才受到設(shè)計(jì)及科研人員的重視，鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定設(shè)計(jì)才日趨完善。故結(jié)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的特點(diǎn)，教師在課堂上選取典型的失穩(wěn)案例進(jìn)行講解與分析，不但豐富了講課內(nèi)容，使學(xué)生了解了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要性，又增強(qiáng)了學(xué)生的責(zé)任心與工程意識(shí)。

為突出結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性在鋼結(jié)構(gòu)中的重要性，可在課堂上選取一些因失穩(wěn)而導(dǎo)致的工程事故典型案例進(jìn)行講授與剖析。[2]比如，1963年1月30日羅馬尼亞布加勒斯特一個(gè)跨度93.5 m網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)因雪載作用而發(fā)生了整體失穩(wěn)。根據(jù)研究，當(dāng)時(shí)雪載僅為設(shè)計(jì)雪載總重的30%，因積雪集中于網(wǎng)殼的天窗、支座附近，使得局部荷載過(guò)大，網(wǎng)殼首先出現(xiàn)局部節(jié)點(diǎn)滑移、個(gè)別桿件失穩(wěn)問(wèn)題，而后逐漸向四周傳播，最終導(dǎo)致網(wǎng)殼發(fā)生整體失穩(wěn)而坍塌。加拿大圣勞倫斯河上的魁北克橋經(jīng)歷了1907年和1916年兩次坍塌，其中1907年的第一次坍塌災(zāi)難的教訓(xùn)極為深重，用懸臂法架設(shè)中跨橋架時(shí)，因橋桁中橋墩附近的下弦桿喪失穩(wěn)定而導(dǎo)致了橋架的倒塌。1978年美國(guó)康涅狄格州的哈特福德市政中心因壓桿扭轉(zhuǎn)屈曲（失穩(wěn)）而坍塌，其屋蓋結(jié)構(gòu)形式為網(wǎng)架（90 m×110 m），桿件采用四個(gè)等肢角鋼組成的十字形截面，其抗扭剛度差，另外壓桿的支撐未起到應(yīng)有的作用，于01月18日的風(fēng)雪之夜瞬間墜毀落地。國(guó)內(nèi)因失穩(wěn)而倒塌的事故也時(shí)有發(fā)生，如某電廠的72 m×120 m雙層柱面網(wǎng)殼干煤棚，使用過(guò)程中因堆煤過(guò)高的擠壓而使大量桿件發(fā)生彎曲，同時(shí)鋼管、球節(jié)點(diǎn)發(fā)生了銹蝕，最終引發(fā)結(jié)構(gòu)的倒塌。另外，國(guó)內(nèi)外不少弧形鋼閘門(mén)在啟閉過(guò)程中因支臂動(dòng)力失穩(wěn)而最終釀成事故。

工程事故案例的分析可讓學(xué)生了解結(jié)構(gòu)穩(wěn)定問(wèn)題在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要性，強(qiáng)化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論在學(xué)生心中的重要性。同時(shí)，通過(guò)工程事故案例分析，學(xué)生了解了影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的一些控制因素，對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性有了一定的感性認(rèn)識(shí)。

（二）有計(jì)劃地選學(xué)教材內(nèi)容

結(jié)合我國(guó)高等院校擴(kuò)招后生源情況，考慮到培養(yǎng)目標(biāo)從精英教育轉(zhuǎn)向大眾教育的形勢(shì)，在課時(shí)壓縮的情況下，須提煉課程重點(diǎn)、精簡(jiǎn)授課內(nèi)容。目前西北農(nóng)林科技大學(xué)該門(mén)課程所采用的教材是戴國(guó)欣編寫(xiě)的《鋼結(jié)構(gòu)》[3]，該教材具有簡(jiǎn)潔精練、重點(diǎn)突出等特點(diǎn)，適于少課時(shí)的鋼結(jié)構(gòu)課程。另外，鼓勵(lì)學(xué)生課后查閱國(guó)內(nèi)其他相關(guān)資料[4-5]。國(guó)外有不少內(nèi)容豐富的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定教材與資料可供教師選用與學(xué)生自學(xué)[6-7]，筆者曾在課堂上選學(xué)其中的部分章節(jié)，開(kāi)闊學(xué)生的視野，增加學(xué)生的專業(yè)英文詞匯量，為學(xué)生后續(xù)閱讀英文文獻(xiàn)及撰寫(xiě)英文學(xué)術(shù)論文奠定一定的基礎(chǔ)。

（三）發(fā)揮多媒體、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

因多數(shù)學(xué)生缺少與實(shí)際鋼結(jié)構(gòu)工程接觸的機(jī)會(huì)，故需強(qiáng)化學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的感性認(rèn)識(shí)。如今教師大多使用多媒體或與板書(shū)相結(jié)合的方式進(jìn)行課堂教學(xué)，教師可充分利用多媒體教學(xué)信息量大、直觀的優(yōu)點(diǎn)，向?qū)W生介紹一些典型工程結(jié)構(gòu)（如梁、拱和剛架等）的失穩(wěn)事故實(shí)例，將圖片、視頻與文字相配合，可增強(qiáng)學(xué)生對(duì)失穩(wěn)的感性認(rèn)知。比如，將軸心受壓構(gòu)件的三種失穩(wěn)形式（彎曲屈曲、彎扭屈曲和扭轉(zhuǎn)屈曲）通過(guò)動(dòng)畫(huà)進(jìn)行演示，使學(xué)生直觀理解結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)形式。最后，再對(duì)具體的工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題做細(xì)致的講解，這樣可提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)點(diǎn)的理解。

目前，大多數(shù)高校均建立了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺(tái)是現(xiàn)代化教學(xué)手段的必要補(bǔ)充，教師可將與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定相關(guān)的課件、視頻材料和相關(guān)文獻(xiàn)上傳于平臺(tái)之上，供學(xué)生學(xué)習(xí)，亦可在平臺(tái)上進(jìn)行答疑、做調(diào)查問(wèn)卷、布置作業(yè)等。網(wǎng)絡(luò)教學(xué)綜合平臺(tái)極大地提高了教學(xué)質(zhì)量，豐富了學(xué)生的學(xué)習(xí)途徑。

（四）注重啟發(fā)式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的思維模式

鋼結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定部分具有理論性強(qiáng)、技巧性頗高的特點(diǎn)，教師可采用“啟發(fā)式”教學(xué)方法。結(jié)合相關(guān)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行問(wèn)題設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生的求知欲，引導(dǎo)學(xué)生深入思考、解決問(wèn)題。在鋼結(jié)構(gòu)課程中，對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)體系，為分析簡(jiǎn)便，常將結(jié)構(gòu)中的某一構(gòu)件單獨(dú)從結(jié)構(gòu)中取出進(jìn)行穩(wěn)定分析。學(xué)生往往對(duì)構(gòu)件與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系比較模糊，分離出來(lái)的桿件的兩端約束不知如何處理與等效。如圖1（a）所示的軸心受壓桿ab[3]，a端為鉸接，b端為水平彈性支承，其水平線剛度為s，試求解該壓桿的臨界荷載。有學(xué)生對(duì)該彈簧的物理模型摸不著頭腦，其實(shí)該彈簧可以看成是圖1（b）中的二力桿bc，假定其長(zhǎng)度為l，則只需令桿件的線剛度等于彈簧的剛度s即可，此時(shí)圖1（a）和圖1（b）所求得的臨界荷載一致，還有其他等效方式，這里不再贅述。靈活應(yīng)用構(gòu)件的約束等效，可加深學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解；一題多解，可開(kāi)闊學(xué)生的視野與培養(yǎng)其思維模式。筆者曾在該方面做了大量嘗試，收到了良好的教學(xué)效果。

（五）加強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算軟件的應(yīng)用

在鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析中，具有扎實(shí)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論功底與公式推導(dǎo)能力極為重要。同時(shí)，熟練掌握結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算軟件亦不可或缺。課堂上，除了理論知識(shí)的講解與公式的推導(dǎo)外，應(yīng)適量增加結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算軟件（如SMSolver和ANSYS等）的應(yīng)用，以進(jìn)一步提高學(xué)生解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。學(xué)生熟知的SMSolver在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中已廣泛應(yīng)用于內(nèi)力圖與支座反力的求解。除上述功能之外，SMSolver還可用于結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的特征值屈曲分析。比如對(duì)于圖2（a）所示結(jié)構(gòu)體系[3]，如何求解其屈曲荷載？既可采用手算也可采用電算的方式。為計(jì)算方便，手算時(shí)可將圖2（a）的復(fù)雜結(jié)構(gòu)等效處理為圖2（b）結(jié)構(gòu)體系，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)的單位荷載法，可求出b處彈簧線剛度為k1=3E1I1/l3，c處彈簧線剛度為k2=6E2I2/l3，圖2（b）等效體系的臨界荷載即可手算出。但通過(guò)手算來(lái)計(jì)算圖2（a）模型的整體失穩(wěn)模態(tài)比較麻煩，且整體失穩(wěn)模態(tài)很難直觀地表達(dá)出來(lái)。此時(shí)，在課堂上教師可采用SMSolver求解其整體穩(wěn)定屈曲荷載。一方面可對(duì)手算所得臨界荷載進(jìn)行校核，另一方面SMSolver可直接給出整體屈曲模態(tài)，直觀明了，可加深學(xué)生對(duì)該問(wèn)題的理解。其他結(jié)構(gòu)形式亦可采用類似的途徑來(lái)提高學(xué)生的軟件應(yīng)用能力。

對(duì)于二維桿系結(jié)構(gòu)的屈曲分析來(lái)說(shuō)，SMSolver可方便地進(jìn)行建模、加載與求解，但因功能所限，SMSolver不具備求解三維空間結(jié)構(gòu)的功能。此時(shí)，教師可借助于大型通用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等）進(jìn)行建模、求解。尤其ANSYS提供了應(yīng)用方便的參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言（APDL），對(duì)于規(guī)則的二維和三維結(jié)構(gòu)體系來(lái)說(shuō)，很容易實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模及求解。有限元軟件的講解與應(yīng)用，為學(xué)生增加了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析的工具與手段，同時(shí)亦可為以后的科學(xué)研究奠定一定的基礎(chǔ)。

（六）建立虛擬仿真平臺(tái)

培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力是工科教育的重要內(nèi)容，但目前實(shí)踐教學(xué)存在一些問(wèn)題，比如實(shí)驗(yàn)成本高、耗時(shí)費(fèi)力及安全性難以保障；有時(shí)沒(méi)有實(shí)驗(yàn)條件，使得學(xué)生實(shí)驗(yàn)的工作難以開(kāi)展。[8]基于此，教師可建立結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析虛擬仿真平臺(tái)或開(kāi)發(fā)一些軟件包，供學(xué)生學(xué)習(xí)與練習(xí)。筆者曾基于ANSYS軟件[9]，利用VB面向?qū)ο蟪绦蜷_(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其中包括軸壓構(gòu)件、受彎構(gòu)件等屈曲失穩(wěn)仿真。該平臺(tái)便于學(xué)生操作，極大地降低了實(shí)驗(yàn)成本，有利于學(xué)生實(shí)踐操作能力的培養(yǎng)。

（七）結(jié)合科研新動(dòng)態(tài)，激發(fā)創(chuàng)新精神

隨著鋼材強(qiáng)度的不斷提高、各種新型結(jié)構(gòu)形式（如樹(shù)狀柱支承體系、各種仿生結(jié)構(gòu)等）的涌現(xiàn)，各類失穩(wěn)問(wèn)題亟待科研工作者解決，同時(shí)最新的科研成果也不斷得到應(yīng)用與推廣[10]。但教材內(nèi)容的更新往往比較慢，新問(wèn)題與新成果無(wú)法在教材中得到體現(xiàn)。針對(duì)此，教師可介紹一些相關(guān)的學(xué)術(shù)新動(dòng)態(tài)進(jìn)行補(bǔ)充，這樣利于激發(fā)學(xué)生的求知欲，有利于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。

三、結(jié)論

隨著新的高強(qiáng)材料及結(jié)構(gòu)形式的涌現(xiàn)，穩(wěn)定問(wèn)題在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工中日益突出。鋼結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論部分亟待進(jìn)行教學(xué)改革，其教學(xué)方法在不斷探索與發(fā)展之中，尚待完善。將課堂所學(xué)知識(shí)與實(shí)際工程相結(jié)合，將結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論與有限元軟件的應(yīng)用相結(jié)合，可收到良好的教學(xué)效果。優(yōu)化結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論的教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)教學(xué)方法，可有效改善鋼結(jié)構(gòu)課堂教學(xué)的效果。筆者結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論部分的教學(xué)與科研實(shí)踐，對(duì)目前教學(xué)存在的問(wèn)題及解決方法進(jìn)行了討論與探索，希望對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的教學(xué)有所裨益。

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