劉文洋　楊光　張兆強　鄭鑫　劉少東

摘要：構(gòu)建基于仿真模擬技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)課程實踐教學(xué)新模式，有助于把理論教學(xué)與實踐環(huán)節(jié)有機(jī)地結(jié)合起來，具有低成本、高效率、內(nèi)容豐富等特點。本文介紹了仿真模擬技術(shù)在鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)過程中的應(yīng)用，探討了基于仿真模擬技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革措施。相關(guān)的方法、內(nèi)容和具體措施對培養(yǎng)土木工程專業(yè)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力具有積極作用。關(guān)鍵詞：仿真模擬；鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)；教學(xué)改革中圖分類號：G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-9324（2018）20-0110-02 傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)課程實踐教學(xué)往往采用工廠或工地參觀實習(xí)、部分課程配套驗證性試驗、少量學(xué)生參與科研試驗等方式。但由于目前開設(shè)土木工程專業(yè)的院校眾多，招收的學(xué)生數(shù)量也比較大，因此由于實踐教學(xué)資源和實驗條件不足，傳統(tǒng)的實踐教學(xué)方式和方法已經(jīng)難以適應(yīng)教學(xué)需求。實踐教學(xué)資源的不足直接導(dǎo)致了鋼結(jié)構(gòu)課程除了結(jié)合相關(guān)的課程設(shè)計，培養(yǎng)學(xué)生的知識運用能力以外，主要還是以理論講解為主，缺乏相關(guān)的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)?？菰锏睦碚撏茖?dǎo)、計算公式和規(guī)范條文使學(xué)生對相關(guān)知識的學(xué)習(xí)興趣和理解程度大打折扣。因此，構(gòu)建基于仿真模擬技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)課程實踐教學(xué)新模式、探索切實可行的實踐教學(xué)實施方案就具有十分重要的現(xiàn)實意義。一、鋼結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)現(xiàn)狀與改革趨勢目前，各高校的鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)還是主要以理論講解為主，缺乏實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。而鋼結(jié)構(gòu)課程的特點是理論推導(dǎo)、計算公式和規(guī)范條文多，枯燥的教學(xué)內(nèi)容容易使學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣，影響課程的教學(xué)效果和人才培養(yǎng)質(zhì)量。為緩解這種不利局面，國內(nèi)部分高校探索建立了本科實驗教學(xué)平臺[1，2]，通過實驗平臺輔助鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)，訓(xùn)練學(xué)生對鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件和連接的試驗技能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力。而不具備實驗條件的大部分高校則采用參觀工程項目、觀看視頻資料、設(shè)計制作結(jié)構(gòu)模型并進(jìn)行加載測試等措施來增強學(xué)生對基本構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系受力性能的理解[3]。但參觀工程項目和觀看視頻資料只能為學(xué)生提供對鋼結(jié)構(gòu)的直觀認(rèn)識，對學(xué)生全面深入理解鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的設(shè)計原理幫助有限。因此，部分高校探索建立了仿真模擬實踐教學(xué)平臺[3-5]，利用仿真平臺來展示復(fù)雜節(jié)點構(gòu)造和結(jié)構(gòu)體系的組成，演示鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的受力過程。仿真模擬輔助課程教學(xué)的新模式突破了傳統(tǒng)的板書或多媒體教學(xué)方式，豐富了教學(xué)手段，同時也使課堂教學(xué)更生動，有助于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。二、基于仿真模擬技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)改革措施將有限元仿真模擬技術(shù)與鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)結(jié)合，一方面可以在計算機(jī)軟件中立體展示各類復(fù)雜節(jié)點和結(jié)構(gòu)的構(gòu)造方式與受力機(jī)制，還可通過調(diào)整視角來實現(xiàn)對虛擬模型的立體觀察。另一方面可以利用有限元模擬的方法對鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件及典型結(jié)構(gòu)體系受力過程進(jìn)行仿真模擬試驗，對其受力過程與受力性能進(jìn)行計算機(jī)再現(xiàn)。這些分析利用目前廣泛使用的通用有限元軟件（如ABAQUS、ANSYS等）均可比較容易地實現(xiàn)。對于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程，可采用仿真模擬軟件形象地展示各類鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的失穩(wěn)過程，如軸心受壓構(gòu)件的彎曲失穩(wěn)、彎扭失穩(wěn)和扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)、受彎構(gòu)件的整體失穩(wěn)、壓彎構(gòu)件的玩具作用平面內(nèi)和平面外失穩(wěn)、構(gòu)件的局部失穩(wěn)等。還可以提取構(gòu)件的線彈性屈曲臨界荷載和失穩(wěn)模態(tài)以及非線性失穩(wěn)荷載—位移全過程曲線。利用ABAQUS有限元分析軟件構(gòu)建了鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件分析平臺，可實現(xiàn)不同類型、不同截面、不同尺寸和不同約束條件的各類基本構(gòu)件的參數(shù)化分析，完成各類基本構(gòu)件的靜力加載分析、特征值屈曲分析、非線性穩(wěn)定分析等。圖1為利用ABAQUS有限元軟件完成的壓彎構(gòu)件整體非線性穩(wěn)定分析。對于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計課程，可采用仿真模擬軟件形象地展示各類典型鋼結(jié)構(gòu)體系（如門式剛架廠房、鋼桁架屋蓋、鋼框架、網(wǎng)架、網(wǎng)殼等）的空間組成、失穩(wěn)模態(tài)、振動頻率、振動模態(tài)和地震響應(yīng)過程等?；贏NSYS有限元分析軟件構(gòu)建了空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)分析平臺，可實現(xiàn)不同類型、不同平面形狀、不同尺寸和不同組成規(guī)律的空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的參數(shù)化分析，完成各類空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的靜力加載分析、特征值屈曲分析、非線性穩(wěn)定分析、模態(tài)分析、地震響應(yīng)分析和風(fēng)振響應(yīng)分析等。圖2為利用ANSYS有限元軟件建立的單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有限元模型。針對多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)不同類型、不同平面形狀、不同尺寸和不同組成規(guī)律的各類多高層建筑鋼結(jié)構(gòu)的參數(shù)化分析，完成靜力分析、特征值屈曲分析、非線性穩(wěn)定分析、模態(tài)分析、地震響應(yīng)分析和風(fēng)振響應(yīng)分析等。圖3為利用ABAQUS有限元軟件分析得到的鋼框架結(jié)構(gòu)振動模態(tài)。各類鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件及結(jié)構(gòu)體系受力分析的全過程均可提取為視頻文件，用以在課程教學(xué)中進(jìn)行展示介紹。此外，還可以獲取各類鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件和結(jié)構(gòu)體系的相關(guān)分析結(jié)果，并與教材或規(guī)范的理論公式計算結(jié)果進(jìn)行對比。在此過程中提高學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)興趣和深化對關(guān)鍵知識點的理解與掌握，培養(yǎng)學(xué)生初步從事科學(xué)研究的能力。通過科研方法、科研工具與教學(xué)的結(jié)合，有力地支撐教學(xué)工作開展，促進(jìn)教學(xué)質(zhì)量提高。三、結(jié)語為改善鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)效果，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量，提出構(gòu)建基于仿真模擬技術(shù)的鋼結(jié)構(gòu)課程實踐教學(xué)新模式。利用通用有限元分析軟件對鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件及典型結(jié)構(gòu)體系受力性能進(jìn)行仿真模擬，并將研究成果與鋼結(jié)構(gòu)課程教學(xué)實踐相結(jié)合，豐富鋼結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)內(nèi)容，探索切實可行的鋼結(jié)構(gòu)課程實踐教學(xué)實施方案。相關(guān)的方法、內(nèi)容和具體措施不僅對提高鋼結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)質(zhì)量具有積極的作用，還能為土木工程專業(yè)其他課程的教學(xué)提供參考和借鑒，對于培養(yǎng)土木工程專業(yè)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力具有重要意義。參考文獻(xiàn)：[1]王偉，趙憲忠，郭小農(nóng)，等.鋼結(jié)構(gòu)多功能教學(xué)實驗平臺的研制與實踐[J].高等建筑教育，2009，18（2）：102-104.[2]郭小農(nóng)，王偉，蔣首超，等.鋼結(jié)構(gòu)基本原理實驗教學(xué)探索[J].高等建筑教育，2011，20（1）：149-154.[3]劉文洋，張兆強，解恒燕.鋼結(jié)構(gòu)課程實踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革與探索.實驗室科學(xué)，2013，16（3）：168-170.[4]李楠，賈宏俊.基于仿真模擬平臺的土木工程主干專業(yè)課程實踐教學(xué)改革[J].高等建筑教育，2016，25（1）：170-173.[5]陸金鈺，范圣剛.鋼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定原理虛擬仿真平臺開發(fā)探索[J].教育教學(xué)論壇，2015，（47）：127-128.