韓云山，耿少波

（中北大學(xué)，山西 太原 030051）

1 引言

為了適應(yīng)我國高等教育擴(kuò)招改革及就業(yè)方向的多樣性，同時(shí)借鑒國外主流土木工程專業(yè)培養(yǎng)模式，1998年教育部頒布的《普通高等學(xué)校本科專業(yè)目錄》中，明確了土木工程應(yīng)“強(qiáng)基礎(chǔ)、寬口徑、多方向、大土木、大工程”的培養(yǎng)思路。因此國內(nèi)土木工程本科專業(yè)制定培養(yǎng)方案時(shí)增設(shè)了基礎(chǔ)課程比重，普遍將數(shù)學(xué)和力學(xué)基礎(chǔ)課程設(shè)置在最初環(huán)節(jié)，進(jìn)而開設(shè)土木工程材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理等課程，最后完成相關(guān)方向的課程設(shè)計(jì)及畢業(yè)設(shè)計(jì)。這種設(shè)置使各?；A(chǔ)力學(xué)課程的學(xué)時(shí)數(shù)占到了總學(xué)時(shí)的10%以上[1]，課程安排靠前，盡管力學(xué)授課時(shí)力求精煉與生動(dòng)活潑，教材種類也逐漸多樣化，但仍是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)[2]，且難于建立該課程內(nèi)容與土木工程專業(yè)的直觀聯(lián)系。

土木工程是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的學(xué)科，為了使學(xué)生掌握工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)、橋梁與隧道結(jié)構(gòu)、巖土工程等各種實(shí)際結(jié)構(gòu)的力學(xué)受力特征，能從實(shí)際結(jié)構(gòu)中抽象出力學(xué)模型，將枯燥的力學(xué)分析與實(shí)際結(jié)構(gòu)較為緊密聯(lián)系起來，國內(nèi)外各高校做了深入探索，嘗試增加學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐與獨(dú)立思考能力的環(huán)節(jié)。在這種背景下，1994年由清華大學(xué)土木系組織的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽理念，逐步擴(kuò)展到其他高校，進(jìn)而形成了全國性的高校聯(lián)賽，2005～2013年共完成了七屆全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽。由于該賽事只是各代表學(xué)校中學(xué)生中的遴選，人數(shù)比例在院校土木類學(xué)生總?cè)藬?shù)中很小，因而受眾面較小[3]；且賽事題目提前在官網(wǎng)公布，部分賽題偏難，如第五屆大賽求竹片制作的帶水箱多層建筑的抗震性能，涉及到研究生階段才學(xué)習(xí)的β控制，本科生理解很吃力，力學(xué)分析及有限元分析學(xué)生很難掌握，過分倚重教師的指導(dǎo)，轉(zhuǎn)變成了衡量土木專業(yè)教師師資的標(biāo)尺。我們認(rèn)為，賽事期間高水平指導(dǎo)教師的指導(dǎo)作用固然不可忽視，但之前學(xué)生前期的系統(tǒng)訓(xùn)練也更加重要。如果在平時(shí)的學(xué)習(xí)過程中有所訓(xùn)練、有所積累，在參與選拔時(shí)也就能脫穎而出，也能從容應(yīng)對賽事的前期高強(qiáng)度訓(xùn)練。因而，在大學(xué)期間，開展受眾面較大的類似實(shí)踐課程的建設(shè)和教學(xué)改革顯得十分重要。

為突出結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)等力學(xué)課程的基本原理在結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用，且能使每位土木類學(xué)生都在自己的興趣及能力范圍內(nèi)參與，使學(xué)生掌握獨(dú)立分析能力，我們借鑒了力學(xué)理論授課及大賽的優(yōu)點(diǎn)，在大三第一學(xué)期中開設(shè)了力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限選課進(jìn)行教學(xué)改革的探索。

2 課程的組織和架構(gòu)

課程總共學(xué)時(shí)為32學(xué)時(shí)，分四階段組成。

第一階段設(shè)置8學(xué)時(shí)，為介紹有限元與結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)的聯(lián)系及軟件使用環(huán)節(jié)。采用結(jié)合實(shí)例進(jìn)行課堂授課，主要將結(jié)構(gòu)分析中涉及到的力學(xué)知識做一梳理，同時(shí)將結(jié)構(gòu)力學(xué)中矩陣位移法與有限元的概念及求解過程不同之處講清楚。由于ANSYS軟件具有良好的界面操作及邏輯表達(dá)清晰的命令流，且為歷年全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽中超過65%的團(tuán)隊(duì)使用，因此主要結(jié)合該軟件進(jìn)行授課。教學(xué)中，以一個(gè)靜定簡單的桁架上節(jié)點(diǎn)作用集中力，采用手算結(jié)合有限元軟件分析，使學(xué)生掌握有限元分析的基本思路，掌握前處理、邊界施加、內(nèi)力求解及圖形繪制的基本功能。并布置一榀簡單框架進(jìn)行均布力作用下的有限元內(nèi)力求解作為作業(yè)，并讓學(xué)生在課堂上講解其命令流的編制及如何判斷計(jì)算結(jié)果的正確性，以此考核是否掌握。

第二階段設(shè)置6學(xué)時(shí)，為結(jié)構(gòu)選型及概念設(shè)計(jì)，在土木工程結(jié)構(gòu)開放實(shí)驗(yàn)室完成。在此之前，作為主講教師，需要事先在實(shí)驗(yàn)室制作或委托工廠進(jìn)行小尺寸的材料制作?？紤]到實(shí)驗(yàn)成本、取材便利、易于切割等因素，本課程購買了尺寸為1000mm×150mm×15mm、1000mm×15mm×9mm、1000mm×20mm×7mm及1000mm×8mm×8mm的竹材，1.5mm截面的尼龍繩，直徑1mm的釘子作為結(jié)構(gòu)選材。并且告知學(xué)生，可以將竹材切割，但應(yīng)該盡量減少材料的浪費(fèi)。學(xué)生看到實(shí)際材料后，應(yīng)獨(dú)立構(gòu)思自己想做的結(jié)構(gòu)類型。作為授課講師，筆者將每位學(xué)生的草圖構(gòu)思收集完畢后向?qū)W生集中展示，如將收集到的桁架橋、懸索橋、框架結(jié)構(gòu)、花籃、輸電塔、拱橋等結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行點(diǎn)評，讓學(xué)生進(jìn)行3～4人的小組組合，即在自由選擇的情況下，盡量將興趣相同的學(xué)生歸為一組便于小組討論及方案修訂。經(jīng)過方案可行性討論，尤其是對構(gòu)件匯交處節(jié)點(diǎn)的處理是否合理可行、薄弱位置是否優(yōu)化加強(qiáng)進(jìn)行討論后，各小組經(jīng)過匯報(bào)，領(lǐng)取所需要的竹材尺寸、繩子長度、釘子數(shù)目。

第三階段設(shè)置16學(xué)時(shí)，進(jìn)行模型制作及力學(xué)分析。各小組需要將最終確定的方案首先進(jìn)行有限元建模，由于竹材的彈性模量與生長周期、濕度、品種批次等因素有關(guān)系，無法取得實(shí)際精準(zhǔn)的數(shù)值，此參數(shù)輸入會(huì)影響計(jì)算結(jié)果，而若對每一竹片進(jìn)行彈性模型標(biāo)定，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且失去本課程訓(xùn)練及力學(xué)分析的主要目標(biāo)。因此，將從廠家購買竹子時(shí)獲得的平均彈性模量數(shù)值作為標(biāo)準(zhǔn)值，成為有限元模型參數(shù)的初調(diào)值。在有限元模型上對位移響應(yīng)比較明顯的位置施加一個(gè)集中力，同時(shí)在實(shí)際的結(jié)構(gòu)模型對應(yīng)構(gòu)件位置上施加相同集中力（采用釣鉤懸掛砝碼完成），并采用千分表量測對應(yīng)的位移，與有限元模型計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行對比，然后微調(diào)彈性模量，完成有限元模型的參數(shù)校對。之后便可以在結(jié)構(gòu)有限元模型中進(jìn)行各個(gè)工況的荷載施加，分析構(gòu)件的應(yīng)力及位移，完成力學(xué)分析。

第四階段設(shè)置2學(xué)時(shí)，進(jìn)行實(shí)體模型荷載加載及有限元對比實(shí)驗(yàn)，記錄兩者位移差別、分析影響因素，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并進(jìn)行相關(guān)問題答辯。在此環(huán)節(jié)中，教師主要就結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程、材料力學(xué)中相關(guān)應(yīng)力分析、結(jié)構(gòu)力學(xué)中節(jié)點(diǎn)鉸接及固接約束設(shè)置、結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征是否超出彈性范圍等問題進(jìn)行提問。通過此環(huán)節(jié)，學(xué)生可以掌握結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本概念，采用有限元進(jìn)行前期結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并深刻理解約束支撐等作用，如對比結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用一個(gè)釘子連接構(gòu)件與采用三個(gè)釘子連接構(gòu)件下結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)不同。

3 力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)目標(biāo)

將材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)的力學(xué)分析方法引入實(shí)際結(jié)構(gòu)，使學(xué)生能分析給定的材料截面長度及種類，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)和創(chuàng)造熱情，該課程的具體目標(biāo)主要有以下幾點(diǎn)。

3.1 加深力學(xué)知識在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

目前土木類本科學(xué)生進(jìn)行力學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)，大部分的授課集中在理論學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，對力學(xué)的基本原理把握，如不同節(jié)點(diǎn)約束對結(jié)構(gòu)內(nèi)力位移的影響、彈性范圍內(nèi)力學(xué)本構(gòu)關(guān)系、矩陣位移法的適用范圍等知識缺乏直觀的認(rèn)識，開設(shè)此課程可以使學(xué)生回顧和總結(jié)力學(xué)知識，有助于從抽象的力學(xué)理論知識到有限元及具體的模型建立、結(jié)構(gòu)分析再過渡到實(shí)際結(jié)構(gòu)中的認(rèn)識。

3.2 擴(kuò)大動(dòng)手實(shí)踐環(huán)境的學(xué)生受眾面

目前全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽中采用的加載設(shè)備比較昂貴，如發(fā)電機(jī)、激光位移計(jì)、振動(dòng)臺等設(shè)備。這種硬件上的稀缺配置無法較大范圍推廣，同時(shí)競賽采用遴選規(guī)則，帶有競賽的一般殘酷性，影響了部分理論成績較薄弱的學(xué)生參加的積極性。但學(xué)生內(nèi)心又渴望能發(fā)揮自己的想法，實(shí)現(xiàn)學(xué)生和組織對個(gè)人價(jià)值的認(rèn)同，孔子曰“有教無類”，基于這樣的樸素理念，采用靜力加載及測試技術(shù)，希望能使每位學(xué)生都有機(jī)會(huì)在教師指導(dǎo)下完成自己做的模型，并完成結(jié)構(gòu)力學(xué)的分析。

3.3 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考及團(tuán)隊(duì)合作的能力

僅提供材料，讓學(xué)生自己合理構(gòu)思，充分發(fā)揮材料的拉壓彎等力學(xué)性能，架構(gòu)成一個(gè)可以承受荷載的結(jié)構(gòu)，缺乏獨(dú)立思考是無法完成的。在有限元模型的建立及數(shù)值模擬計(jì)算中，正確施加邊界條件，合理選擇單元類型，并進(jìn)行必要的參數(shù)調(diào)整和模型修正，勇于探索、對有限元等有效手段合理應(yīng)用解決問題，再制作實(shí)際模型進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，每一個(gè)環(huán)節(jié)不僅有激烈的爭論和個(gè)體綜合能力的提升，而且更有一個(gè)團(tuán)隊(duì)合作能力的鍛煉，以及合作意識的加強(qiáng)。

3.4 為學(xué)生深造及實(shí)踐提供條件

學(xué)生本科畢業(yè)后或繼續(xù)深造或就業(yè)，計(jì)算機(jī)及有限元的普及已經(jīng)深刻地影響了他們的認(rèn)知，如果本科階段對有限元基本原理及使用有初步認(rèn)識，并輔以真實(shí)結(jié)構(gòu)模型的制作加于驗(yàn)證，不僅有助于培養(yǎng)學(xué)生后期深造時(shí)的科研素養(yǎng)和工程問題抽象簡化能力，同時(shí)對現(xiàn)實(shí)中的問題解決能力的培養(yǎng)能起到有益的鍛煉。

4 結(jié)語

在力學(xué)分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，將有限元基本軟件引入后，通過簡單算例掌握基本原理思路，學(xué)生可以感覺到軟件使用對結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要性。通過提供的竹材，自己構(gòu)思完成結(jié)構(gòu)選型及力學(xué)分析，極大增加了學(xué)生的積極性和對力學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理及有限元課程的綜合認(rèn)識和運(yùn)用，通過最終成果的小組答辯，使他們進(jìn)一步思考了實(shí)際工程結(jié)構(gòu)在力學(xué)模型中的簡化應(yīng)用，培養(yǎng)了理論與實(shí)踐結(jié)合的能力，為參加大型賽事前的高強(qiáng)度訓(xùn)練打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也為進(jìn)一步深造或?qū)嵺`提供了良好的積累。

[1]董事爾，趙渝林，明承林，等.寬口徑土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究[J].高等建筑教育，2002，42（1）：17～19.

[2]謝翠麗，倪玲英.《工程流體力學(xué)》本科課程引入CFD教學(xué)的探討[J].力學(xué)與實(shí)踐，2013（3）：91～93.

[3]徐龍軍，李 洋，許 昊.全國大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競賽賽題分析及建議[J].高等建筑教育，2012，21（3）：148～150.