钢结构稳定性理论课教学改革的举措论文
摘 要：结构稳定理论是钢结构、大跨度空间结构和桥梁工程等课程的重要理论基础。文章针对目前钢结构课堂教学存在的问题，提出在课堂教学中采取理论教学和实际工程案例相结合、理论推导和有限元数值计算相结合等措施进行课程教学改革。实践表明，通过上述举措，加强了学生对结构稳定的感性认识、提高了学生的结构稳定计算能力，充分调动了学生学习的主动性，大大提高了教学效果。
关键词：钢结构；结构稳定理论；教学改革。
结构稳定理论是钢结构的核心内容。通过结构稳定理论的学习，学生理清了稳定与强度问题的区别和联系，掌握了结构稳定的基本分析方法，了解其在钢结构设计中的具体应用，培养了灵活运用结构稳定知识解决实际工程问题的能力。钢结构主要先修课程为“高等数学”“、理论力学”、“材料力学”和“结构力学”,是“大跨度空间结构”和“桥梁工程”等专业课程及课程设计、毕业设计的重要基础。实践证明，学生具备扎实的结构稳定理论知识，有利于对其他相关专业课内容的掌握与理解。
与混凝土、砖石和木结构相比，钢结构具有强度高、重量轻、构件截面小的特点，因此结构稳定是钢结构设计与施工中最为重要的问题之一。与强度问题相比，结构稳定更加抽象，公式更为复杂，稳定问题是钢结构的重点和难点之一，钢结构中杆、梁、柱、支撑的计算与设计主要围绕构件稳定问题展开。目前大多院校钢结构的课时为 32-64 学时。该课程具有理论性强、公式推导烦琐等特点，在校学生与已从事钢结构设计的人员普遍感觉结构稳定难度大。如果材料力学、结构力学等基础知识不扎实、学习方法不当，要熟练掌握并灵活运用结构稳定理论知识确实不易。结构稳定理论教学状况不容乐观，学生上课积极性不高，教学效果不甚理想。
在卓越工程师教育培养计划启动的背景下，很多院校对钢结构课程进行了课程改革与探索，取得了一定的成效，但仍有一些问题亟待解决。笔者结合教学经历，谈谈本门课程的几点教学体会。
一、钢结构稳定性理论教学现状
（一）重视程度不够。
学生对钢结构中结构稳定理论部分尚未有客观、全面的了解，学习过程比较茫然，自己无独立的想法与见解，对该门课程重视程度不够。教师讲授课本的哪部分学生就学哪部分，不会主动学习未讲授部分，课后也不主动去学习相关文献资料。还有不少学生认为，目前数值计算方法趋于成熟，各种结构稳定设计与分析软件风靡市场，用数值仿真软件能解决的问题，不必徒手进行复杂的公式推导与计算，而忽略了基础理论知识的重要性。
（二）难学，学生学习兴趣不高。
该课程包含的内容较多，涉及的结构及构件类型多样（如轴心压杆、梁、单向压弯构件、薄板、刚架等）。由于该门课具有理论性强、计算过程烦琐的特点[1],学生普遍感到学习难度大、枯燥，这或许与学生没有正确掌握学习方法与技巧有关。教师可在讲授过程中采用风趣的语言、一题多解的算例、适当的提问来激发学生的学习乐趣。上课时教师要尽量营造一种熟悉、轻松愉悦的学习氛围，从而提高课堂教学质量。
（三）基础不扎实，学生学习困难。
学生对前期专业基础课程（材料力学等）重视程度不够，先修课程知识掌握不扎实，导致钢结构中结构稳定理论部分的学习难度大。针对此，在学习结构稳定理论相关章节之前，可让学生课前认真复习材料力学、结构力学和高等数学的相关知识点，这样会大大提高学生的学习效率。
（四）知识点应用不灵活。
在结构稳定理论部分的教学中，模型的分离与约束的等效在求解结构的弹性屈曲荷载时尤为重要。对于复杂结构体系，为了分析简便，常将结构中的单个构件从结构中分离出来，而后以该构件为对象进行稳定分析。
学生往往对构件与结构之间的关系比较模糊，分离出来的构件的两端约束不知如何处理，思维不够灵活，导致遇到一些实际问题时比较茫然，无从下手。
二、钢结构稳定性理论教学改革的举措
（一）强调课程的重要性。
稳定性是钢结构设计的核心问题。在各种结构形式的钢结构中，如钢闸门、门式刚架、网架和网壳等，都会遇到结构或构件的稳定性设计问题。若稳定问题处理不当，将会导致不同程度的财产与人员损失。另外，正是由于工程事故的发生，稳定问题才受到设计及科研人员的重视，钢结构的稳定设计才日趋完善。故结合结构稳定的特点，教师在课堂上选取典型的失稳案例进行讲解与分析，不但丰富了讲课内容，使学生了解了结构稳定的重要性，又增强了学生的责任心与工程意识。
为突出结构稳定性在钢结构中的重要性，可在课堂上选取一些因失稳而导致的工程事故典型案例进行讲授与剖析。[2]
比如，1963 年 1 月 30 日罗马尼亚布加勒斯特一个跨度 93.5 m 网壳结构因雪载作用而发生了整体失稳。根据研究，当时雪载仅为设计雪载总重的 30%,因积雪集中于网壳的天窗、支座附近，使得局部荷载过大，网壳首先出现局部节点滑移、个别杆件失稳问题，而后逐渐向四周传播，最终导致网壳发生整体失稳而坍塌。
加拿大圣劳伦斯河上的魁北克桥经历了 1907 年和1916 年两次坍塌，其中 1907 年的第一次坍塌灾难的教训极为深重，用悬臂法架设中跨桥架时，因桥桁中桥墩附近的下弦杆丧失稳定而导致了桥架的倒塌。1978 年美国康涅狄格州的哈特福德市政中心因压杆扭转屈曲（失稳）而坍塌，其屋盖结构形式为网架（90 m×110 m），杆件采用四个等肢角钢组成的十字形截面，其抗扭刚度差，另外压杆的支撑未起到应有的作用，于 01 月 18 日的风雪之夜瞬间坠毁落地。国内因失稳而倒塌的事故也时有发生，如某电厂的 72 m×120 m双层柱面网壳干煤棚，使用过程中因堆煤过高的挤压而使大量杆件发生弯曲，同时钢管、球节点发生了锈蚀，最终引发结构的倒塌。另外，国内外不少弧形钢闸门在启闭过程中因支臂动力失稳而最终酿成事故。
工程事故案例的分析可让学生了解结构稳定问题在钢结构设计中的重要性，强化结构稳定理论在学生心中的重要性。同时，通过工程事故案例分析，学生了解了影响结构稳定的一些控制因素，对结构稳定性有了一定的感性认识。
（二）有计划地选学教材内容。
结合我国高等院校扩招后生源情况，考虑到培养目标从精英教育转向大众教育的形势，在课时压缩的情况下，须提炼课程重点、精简授课内容。目前西北农林科技大学该门课程所采用的教材是戴国欣编写的《钢结构》[3],该教材具有简洁精练、重点突出等特点，适于少课时的'钢结构课程。另外，鼓励学生课后查阅国内其他相关资料[4- 5].国外有不少内容丰富的结构稳定教材与资料可供教师选用与学生自学[6- 7],笔者曾在课堂上选学其中的部分章节，开阔学生的视野，增加学生的专业英文词汇量，为学生后续阅读英文文献及撰写英文学术论文奠定一定的基础。
（三）发挥多媒体、网络教学平台的优势。
因多数学生缺少与实际钢结构工程接触的机会，故需强化学生对结构稳定的感性认识。如今教师大多使用多媒体或与板书相结合的方式进行课堂教学，教师可充分利用多媒体教学信息量大、直观的优点，向学生介绍一些典型工程结构（如梁、拱和刚架等）的失稳事故实例，将图片、视频与文字相配合，可增强学生对失稳的感性认知。比如，将轴心受压构件的三种失稳形式（弯曲屈曲、弯扭屈曲和扭转屈曲）通过动画进行演示，使学生直观理解结构的失稳形式。最后，再对具体的工程结构设计问题做细致的讲解，这样可提高学生对所学知识点的理解。
目前，大多数高校均建立了网络教学综合平台，网络教学综合平台是现代化教学手段的必要补充，教师可将与结构稳定相关的课件、视频材料和相关文献上传于平台之上，供学生学习，亦可在平台上进行答疑、做调查问卷、布置作业等。网络教学综合平台极大地提高了教学质量，丰富了学生的学习途径。
（四）注重启发式教学，培养学生的思维模式。
钢结构中结构稳定部分具有理论性强、技巧性颇高的特点，教师可采用“启发式”教学方法。结合相关知识点进行问题设计，激发学生的求知欲，引导学生深入思考、解决问题。在钢结构课程中，对于复杂的结构体系，为分析简便，常将结构中的某一构件单独从结构中取出进行稳定分析。学生往往对构件与结构之间的关系比较模糊，分离出来的杆件的两端约束不知如何处理与等效。如图 1（a）所示的轴心受压杆 ab[3],a 端为铰接，b 端为水平弹性支承，其水平线刚度为 s,试求解该压杆的临界荷载。有学生对该弹簧的物理模型摸不着头脑，其实该弹簧可以看成是图 1（b）中的二力杆 bc,假定其长度为 l,则只需令杆件的线刚度等于弹簧的刚度 s 即可，此时图 1（a）和图 1（b）所求得的临界荷载一致，还有其他等效方式，这里不再赘述。灵活应用构件的约束等效，可加深学生对问题的理解；一题多解，可开阔学生的视野与培养其思维模式。笔者曾在该方面做了大量尝试，收到了良好的教学效果。
（五）加强结构稳定计算软件的应用。
在钢结构的稳定性分析中，具有扎实的结构稳定理论功底与公式推导能力极为重要。同时，熟练掌握结构稳定计算软件亦不可或缺。课堂上，除了理论知识的讲解与公式的推导外，应适量增加结构稳定计算软件（如SMSolver 和 ANSYS 等）的应用，以进一步提高学生解决实际工程问题的能力。学生熟知的 SMSolver 在结构力学课程中已广泛应用于内力图与支座反力的求解。除上述功能之外，SMSolver 还可用于结构及构件的特征值屈曲分析。比如对于图 2（a）所示结构体系[3],如何求解其屈曲荷载？既可采用手算也可采用电算的方式。为计算方便，手算时可将图 2（a）的复杂结构等效处理为图 2（b）结构体系，根据结构力学的单位荷载法，可求出 b 处弹簧线刚度为 k1=3E1I1/l3,c 处弹簧线刚度为 k2=6E2I2/l3,图 2（b）等效体系的临界荷载即可手算出。但通过手算来计算图 2（a）模型的整体失稳模态比较麻烦，且整体失稳模态很难直观地表达出来。此时，在课堂上教师可采用 SMSolver 求解其整体稳定屈曲荷载。一方面可对手算所得临界荷载进行校核，另一方面 SMSolver 可直接给出整体屈曲模态，直观明了，可加深学生对该问题的理解。其他结构形式亦可采用类似的途径来提高学生的软件应用能力。
对于二维杆系结构的屈曲分析来说，SMSolver 可方便地进行建模、加载与求解，但因功能所限，SMSolver 不具备求解三维空间结构的功能。此时，教师可借助于大型通用有限元软件进行建模、求解。尤其 ANSYS提供了应用方便的参数化设计语言，对于规则的二维和三维结构体系来说，很容易实现参数化建模及求解。有限元软件的讲解与应用，为学生增加了结构稳定分析的工具与手段，同时亦可为以后的科学研究奠定一定的基础。
（六）建立虚拟仿真平台。
培养学生的工程实践能力是工科教育的重要内容，但目前实践教学存在一些问题，比如实验成本高、耗时费力及安全性难以保障；有时没有实验条件，使得学生实验的工作难以开展。[8]基于此，教师可建立结构稳定分析虚拟仿真平台或开发一些软件包，供学生学习与练习。笔者曾基于 ANSYS 软件[9],利用 VB 面向对象程序开发平台，开发了结构稳定分析虚拟实验平台，其中包括轴压构件、受弯构件等屈曲失稳仿真。该平台便于学生操作，极大地降低了实验成本，有利于学生实践操作能力的培养。
（七）结合科研新动态，激发创新精神。
随着钢材强度的不断提高、各种新型结构形式（如树状柱支承体系、各种仿生结构等）的涌现，各类失稳问题亟待科研工作者解决，同时最新的科研成果也不断得到应用与推广[10].但教材内容的更新往往比较慢，新问题与新成果无法在教材中得到体现。针对此，教师可介绍一些相关的学术新动态进行补充，这样利于激发学生的求知欲，有利于培养学生的学习热情。
三、结论
随着新的高强材料及结构形式的涌现，稳定问题在钢结构设计与施工中日益突出。钢结构中结构稳定理论部分亟待进行教学改革，其教学方法在不断探索与发展之中，尚待完善。将课堂所学知识与实际工程相结合，将结构稳定理论与有限元软件的应用相结合，可收到良好的教学效果。优化结构稳定理论的教学内容，改进教学方法，可有效改善钢结构课堂教学的效果。笔者结合钢结构中结构稳定理论部分的教学与科研实践，对目前教学存在的问题及解决方法进行了讨论与探索，希望对钢结构的教学有所裨益。
参考文献：
[1]郭小农，罗永峰，蒋首超等。 钢结构稳定教学研究 [J].高等建筑教育，2011,（2）。
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