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【摘要】

隨著鋼橋應(yīng)用的推廣，鋼橋課程教學(xué)越來越受到重視，鋼橋課程設(shè)計是課程重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。由于目前鋼橋課程設(shè)計參考較少，為了配合新版教材和規(guī)范的教學(xué)和應(yīng)用，對鋼橋課程設(shè)計教學(xué)進(jìn)行了設(shè)計和實踐。實踐過程充分考慮學(xué)生專業(yè)背景和知識結(jié)構(gòu)，結(jié)合鋼橋課程的特點，既考慮課程的共性，也兼顧學(xué)生個體的差異性。方案的設(shè)置和難點問題的解決，充分鍛煉了學(xué)生解決問題的能力。文章總結(jié)了實踐過程中的問題，提出了改進(jìn)措施。

【關(guān)鍵詞】

土木工程;課程設(shè)計;方案設(shè)置;改進(jìn)措施

0引言

近年來，國內(nèi)外大跨度橋梁大多以鋼橋為主，中小跨進(jìn)橋梁的鋼橋應(yīng)用也在逐步推廣。隨著鋼橋應(yīng)用推廣和實際工程增多，鋼橋的知識教育受重視程度也逐漸增高。《鋼橋》是橋梁工程專業(yè)學(xué)生從事橋梁設(shè)計施工必須掌握的課程，是一門要求學(xué)生理論知識與認(rèn)識實踐相結(jié)合的橋梁工程類專業(yè)課。《鋼橋》課程近幾年在各大高校教學(xué)中越來越受到重視，經(jīng)歷了無專門課程到設(shè)置為選修課的過程。近幾年，越來越多的高校已將《鋼橋》課程設(shè)置為專業(yè)必修課，并設(shè)置了《鋼橋課程設(shè)計》的實踐環(huán)節(jié)。課程設(shè)計是將課程理論轉(zhuǎn)化為課程實踐的“橋梁"，同時也是實踐教學(xué)和大學(xué)本科教學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié)［1，2］。由于《鋼橋》課程正處于起步階段，目前，《鋼橋》課程設(shè)計參考資料較少。河海大學(xué)《鋼橋》課程已經(jīng)開設(shè)多年(包括選修課階段)。在選修課階段，由于課時較少，學(xué)習(xí)要求較低，應(yīng)用目前已有的相關(guān)教材基本能滿足教學(xué)需求。但自2012版教學(xué)大綱將其調(diào)整為必修課后，目前教材的適應(yīng)性存在一些問題。而新鋼橋規(guī)范的頒布，也必須對原有鋼橋教材內(nèi)容進(jìn)行變更。為了適應(yīng)當(dāng)前的教學(xué)需要，河海大學(xué)橋梁工程研究所編寫了《鋼橋》教材［3］。為了配合新教材的教學(xué)，設(shè)置了課程設(shè)計實踐環(huán)節(jié)。由于《鋼橋》課程設(shè)計教學(xué)經(jīng)驗缺乏，在參考了相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了該課程的課程設(shè)計實踐，并基于實施情況，進(jìn)行了一些反思，提出了改進(jìn)思路。

1鋼橋課程設(shè)計方案設(shè)置

1．1設(shè)計思路

在開展《鋼橋》課程設(shè)計之前，對《鋼橋》課程設(shè)計資料進(jìn)行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)《鋼橋》課程設(shè)計主要以鋼桁架鐵路橋為主，個別采用鋼箱梁的課程設(shè)計也是采用計算軟件進(jìn)行分析，對于尚未學(xué)習(xí)有限元軟件的本科生來說較為困難。基于以上情況，嘗試采用土木工程類基本軟件可計算的連續(xù)梁鋼箱梁橋的《鋼橋》課程設(shè)計。課程設(shè)計采用三跨連續(xù)鋼箱梁橋，重點設(shè)計為橋面系部分。由于課時限制，不關(guān)注基礎(chǔ)與橋墩的計算，內(nèi)容由其他課程設(shè)計進(jìn)行。鋼箱梁設(shè)定為單箱鋼箱梁，內(nèi)容主要包括基本設(shè)計資料與截面擬定、主梁的內(nèi)力計算、結(jié)構(gòu)剛度驗算、結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算、橋面系計算、次要構(gòu)件計算以及設(shè)計圖和材料表繪制。計算內(nèi)容與橋梁工程課程設(shè)計和鋼結(jié)構(gòu)課程設(shè)計存在交叉，并緊密銜接鋼橋知識點。主要內(nèi)容為橋面系的計算，重點突出鋼橋相關(guān)計算，包括加勁肋的驗算、橫隔板的驗算、剛度與應(yīng)力驗算。與最新出臺的《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTGD64－2015)相結(jié)合，強化設(shè)計過程中的規(guī)范應(yīng)用。

1．2設(shè)計方案

課程設(shè)計時長為8天，要求學(xué)生在較短的時間內(nèi)完成從查閱相關(guān)資料、基本資料設(shè)計、界面擬定到應(yīng)力、剛度等驗算內(nèi)容，時間較為緊迫。對此，我們對《鋼橋》課程設(shè)計方案進(jìn)行了如下安排。因本次課程設(shè)計對象為本科生，學(xué)生所掌握的求解方法與應(yīng)用軟件較少。遇到的較大的問題有超靜定結(jié)構(gòu)的求解、加勁肋的驗算與橋面系的內(nèi)力計算三個方面。

1．3問題解決方案

1．3．1超靜定結(jié)構(gòu)求解

因采用三跨連續(xù)梁，故需要進(jìn)行超靜定計算。雖然學(xué)生在《橋梁工程》課程設(shè)計中有進(jìn)行內(nèi)力計算，但是大多數(shù)《橋梁工程》課程設(shè)計均采用簡支梁橋，內(nèi)力計算時為靜定結(jié)構(gòu)，學(xué)生手算即可。但是對于連續(xù)梁橋超靜定結(jié)構(gòu)，雖可采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行計算，但是計算內(nèi)容過多且難度很大。因此，在此次課程設(shè)計中采用了一種可計算超靜定結(jié)構(gòu)的力學(xué)軟件進(jìn)行計算。學(xué)生只需將尺寸、荷載等數(shù)據(jù)輸入進(jìn)軟件中，并且確認(rèn)最不利荷載布置方法即可進(jìn)行超靜定計算。既完成了對連續(xù)梁超靜定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算，又讓學(xué)生鞏固了結(jié)構(gòu)力學(xué)中影響線的概念。

1．3．2加勁肋驗算

加勁肋是鋼箱梁橋的一大特征，所以《鋼橋》課程設(shè)計中必然涉及到加勁肋的驗算。《公路鋼橋設(shè)計規(guī)范》5．1．6中對加勁肋的驗算方法進(jìn)行了詳細(xì)的說明。但是，對于對鋼結(jié)構(gòu)橋梁構(gòu)造了解較少的本科生來說，對加勁肋進(jìn)行驗算時，大部分學(xué)生在設(shè)計中都難以做到綜合考慮和“瞻前顧后"，經(jīng)常出現(xiàn)設(shè)計參數(shù)前后矛盾的現(xiàn)象［4］，導(dǎo)致學(xué)生將大量的時間浪費在調(diào)整尺寸構(gòu)造上。所以，在進(jìn)行加勁肋的計算前，筆者將幾座類似橋型的構(gòu)造參數(shù)發(fā)給學(xué)生，讓學(xué)生對加勁肋的構(gòu)造參數(shù)有一個基本的認(rèn)知，并提供參考。

1．3．3橋面系的內(nèi)力計算

本次課程設(shè)計最大的難點在于橋面系的內(nèi)力計算。正交異性鋼橋面板剛度在互相垂直的二個方向上有所不同［3］，造成構(gòu)造上的各向異性因為“加勁肋"鋼箱梁這一特殊構(gòu)造的存在，使得橋面系的計算變得極其復(fù)雜。對于正交異性鋼橋面板的求解通常使用計算機軟件進(jìn)行求解，采用了很多新的數(shù)值法，對于尚未學(xué)習(xí)有限元軟件分析的本科生驗算是比較困難的。目前橋面系的計算方法主要有兩種，分別是P．E(Pelikan-Esslinger)法與格子梁體系法。對于本科生來說，P．E法求解正交異性鋼橋面板較難理解且利用較多的高等數(shù)學(xué)的知識，當(dāng)荷載分布較復(fù)雜時難度過大。格子梁法通常采用有效分布寬度的方法計算［5］，仍需配合有限元軟件進(jìn)行計算。筆者基于以上情況，提出了一種針對閉口加勁肋的簡化箱梁方法，計算分為三個步驟。第一步:簡化為連續(xù)梁的荷載的計算。取兩個橫隔板間的加勁肋進(jìn)行考慮，將橋面板進(jìn)行簡化，將閉口加勁肋與橋面板焊接部位簡化成為一個剛性支座，在橫隔板處簡化為固定支座。當(dāng)縱向加勁肋布置的間距較小時，簡化后的連續(xù)梁剛性支座過多，作用在其上的彎矩和剪力都很小，所以當(dāng)縱向加勁肋的間距較小時可不進(jìn)行縱向加勁肋的驗算，只需要考慮橫向加勁肋的驗算。第二步:將閉口加勁肋簡化為箱梁。閉口加勁肋的形狀與斜腹板箱梁的形狀基本一致，故可以將閉口加勁肋看作是一個小的斜腹板鋼箱梁，但是箱梁存在剪力滯效應(yīng)，所以閉口加勁肋的翼緣需要根據(jù)《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTGD64－2015)進(jìn)行計算得到翼緣有效寬度。第三步:荷載組合與修正計算。根據(jù)前兩步驟的計算可以得到荷載與閉口加勁肋的界面特性。但是針對閉口加勁肋的簡化箱梁方法存在一定誤差，且需要考慮到汽車荷載的沖擊作用，故需要將荷載進(jìn)行組合和修正。通過該方法，學(xué)生利用現(xiàn)有知識即可求解橋面系，加深了對剪力滯效應(yīng)的理解，并熟悉了新版的《公路鋼結(jié)構(gòu)橋梁設(shè)計規(guī)范》(JTGD64－2015)。

1．4效果評價機制

為了培養(yǎng)學(xué)生的獨立思考能力，避免學(xué)生在設(shè)計過程中出現(xiàn)抄襲現(xiàn)象，在課程設(shè)計中可采用分組設(shè)計和一人一題的方法［6］。本次課程設(shè)計分為綜合設(shè)計計算書與答辯兩個方面對學(xué)生課程設(shè)計效果進(jìn)行考察。其中計算設(shè)計書要求學(xué)生制定詳細(xì)的方案，大到橋梁整體布局，小到加勁肋的設(shè)計、變截面的尺寸變化。要求學(xué)生能完成設(shè)計圖紙的繪制與材料表的計算。但是，僅僅依靠設(shè)計書對學(xué)生課程設(shè)計進(jìn)行評價比較片面，學(xué)生可能存在懂得算法卻不懂得原理的現(xiàn)象，因此要真實客觀地反映學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，就要綜合考慮各個影響課程設(shè)計效果的環(huán)節(jié)，比如可以借鑒畢業(yè)設(shè)計考核方式，增設(shè)學(xué)生的課堂答辯［6］，并要求學(xué)生對本次課程設(shè)計的方案進(jìn)行評價與建議。

2實踐問題總結(jié)

2．1實施效果

課程設(shè)計結(jié)束后，學(xué)生對此次課程設(shè)計進(jìn)行了評價。對于現(xiàn)在少有的鋼箱梁連續(xù)梁橋課程設(shè)計，網(wǎng)上資料少、計算難度大都是這次課程設(shè)計的問題。為了解決超靜定問題與鋼箱梁的截面特性問題同學(xué)們搜集了許多資料，試用了許多軟件最終確定計算方法，鍛煉了學(xué)生主動學(xué)習(xí)探索的思維與創(chuàng)新能力。在課程設(shè)計答辯中，加入了許多鋼箱梁特性的問題，體現(xiàn)了本次課設(shè)的特色，例如剪力滯效應(yīng)、橋面系簡化算法的思路等。通過答辯發(fā)現(xiàn)學(xué)生們對剪力滯效應(yīng)的概念十分清晰，達(dá)到了利用所學(xué)知識解決問題的效果。本次課程設(shè)計囊括了橋梁工程、鋼結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的知識。整個課程設(shè)計以橋梁工程知識為主線，主梁內(nèi)力計算需要結(jié)構(gòu)力學(xué)知識、加勁肋與頂板的焊縫驗算也需要掌握鋼結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，本次課程設(shè)計達(dá)到了將知識進(jìn)行整合利用的效果。課程結(jié)束后，學(xué)生評價良好，依托《鋼橋》及其課程設(shè)計教學(xué)，筆者獲得土木與交通學(xué)院第四屆“我最喜愛的任課教師"第三名。

2．2存在的問題

(1)本次課程設(shè)計雖然每位同學(xué)的工況及參數(shù)都有所不同，但是計算過程方法相同，計算內(nèi)容相似，計算結(jié)果相差不大，對于不同工況的部分學(xué)生為了計算方便采用相同的截面形式，存在雷同現(xiàn)象。繪制圖紙時發(fā)現(xiàn)學(xué)生將已有做好的圖紙進(jìn)行修改，并沒有從始至終地繪制一幅完整的設(shè)計圖紙，沒有達(dá)到讓學(xué)生親力親為地設(shè)計一座橋梁的效果。(2)本次課程設(shè)計為了適應(yīng)本科生所學(xué)知識采用了較多的簡化算法，計算結(jié)果誤差可能較大。大多采用簡單易行、功能單一的軟件計算，缺乏使用新技術(shù)新軟件的的意識。(3)課程設(shè)計的探索過程主要由班里成績較好的學(xué)生進(jìn)行，待其確定計算方法后其余學(xué)生再開始計算，缺少了讓每一同學(xué)探索、創(chuàng)新的過程。應(yīng)加強不同層次需求和不同基礎(chǔ)的學(xué)生全面鍛煉的訓(xùn)練［7］。

2．3改進(jìn)方案

(1)在設(shè)計中安排多種工況。例如要求鋼箱梁分為直腹板與斜腹板，對設(shè)計車道有所區(qū)分等。讓每個學(xué)生既要獨立思考，又可以和同學(xué)進(jìn)行交流合作。(2)將邁達(dá)斯等計算軟件課程提至鋼橋課程設(shè)計之前，讓學(xué)生既能夠準(zhǔn)確計算又能夠熟悉計算軟件的使用方法，為以后的設(shè)計工作奠定基礎(chǔ)。(3)改進(jìn)反饋答辯機制，答辯時要考察學(xué)生理解整個課程設(shè)計的設(shè)計思路，將學(xué)生共同的學(xué)習(xí)成果全部吸收，增強對知識的理解與認(rèn)知。(4)定期檢查學(xué)生對資料文獻(xiàn)的閱讀情況，結(jié)合設(shè)計題目進(jìn)行分析，選擇與題目相適應(yīng)的內(nèi)容運用到設(shè)計中，培養(yǎng)學(xué)生“查－閱－析－用"的自主學(xué)習(xí)模式［4］。

3結(jié)語

本次《鋼橋》課程設(shè)計不同于現(xiàn)有《鋼橋》課程設(shè)計模板，提出了更適合于學(xué)習(xí)公路橋梁和知識儲備量較少的本科生。讓學(xué)生從提出方案到設(shè)計計算，全面體驗設(shè)計一座橋梁的過程，為以后步入工作崗位奠定基礎(chǔ)。在課程設(shè)計過程中，要求學(xué)生查閱文獻(xiàn)、提出計算方法并進(jìn)行驗算，真正做到回歸工程本質(zhì)，平衡工程教育課程中“理論"與“實踐"內(nèi)容，構(gòu)建集知識、技能和態(tài)度“三位一體"的課程目標(biāo)，優(yōu)化了課程結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對知識經(jīng)濟(jì)對我國工程人才培養(yǎng)質(zhì)量的挑戰(zhàn)。

作者：傅中秋 吉伯海 姚悅 單位：河海大學(xué)

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