劉占科　何子奇　楊遠(yuǎn)龍

摘要：文章首先分析了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程的特點(diǎn)，然后從未來(lái)土木工程師的從業(yè)要求和我國(guó)培養(yǎng)卓越工程師的要求等方面分析了開(kāi)設(shè)該課程的必要性，最后結(jié)合筆者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)為例對(duì)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程的教學(xué)方法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)；課程特點(diǎn)；教學(xué)探討

中圖分類號(hào)：G642-3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2016）01-0092-04

壓型鋼板組合樓板、鋼-混凝土組合梁、鋼管混凝土結(jié)構(gòu)以及型鋼混凝土結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)類型可統(tǒng)稱為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。目前，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)已成為國(guó)內(nèi)超高層建筑、超大跨度橋梁的首選結(jié)構(gòu)類型。然而，與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程或鋼結(jié)構(gòu)課程作為必修課且學(xué)時(shí)多不同的是，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程或作為選修課，或?qū)W時(shí)量較少[1-2]。

早在1999年，國(guó)內(nèi)已有高校為土木工程專業(yè)本科生開(kāi)設(shè)了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)選修課[1]。2002年，李國(guó)強(qiáng)等[3]則把鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)納入結(jié)構(gòu)工程的課程體系。蘭州大學(xué)于2002年開(kāi)辦土木工程專業(yè)，在辦學(xué)之初即為土木工程專業(yè)本科生開(kāi)設(shè)54學(xué)時(shí)的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)選修課。但2011年頒布的《高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》[4]仍未對(duì)這一結(jié)構(gòu)類型的教學(xué)提出要求，顯然與這一結(jié)構(gòu)類型蓬勃發(fā)展的現(xiàn)狀不甚相符。

文章首先分析鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程的特點(diǎn)，繼而對(duì)這一課程的重要性和開(kāi)設(shè)的必要性進(jìn)行分析，最后結(jié)合筆者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)探討課程的教學(xué)方法。

一、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程的特點(diǎn)

（一）授課內(nèi)容多，涉及標(biāo)準(zhǔn)多

土木工程專業(yè)課程的主要授課內(nèi)容與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)方法、構(gòu)造措施等密切相關(guān)。在鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程中，與壓型鋼板組合樓板相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有CECS 273： 2010《組合樓板設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》，YB9238—92《鋼-混凝土組合樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程》和JGJ99—98

《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》三部標(biāo)準(zhǔn)，與鋼-混凝土組合梁相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，與鋼管混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)為GB 50936—2014《鋼管混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》，而與型鋼混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)是JGJ 138—2001《型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》或YB 9082—2006《鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》。這門(mén)課程與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程或鋼結(jié)構(gòu)課程相比，涉及的標(biāo)準(zhǔn)多，而且部分內(nèi)容并沒(méi)有相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。因此，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程的第一個(gè)特點(diǎn)是授課內(nèi)容多。

（二）與已修專業(yè)課程既緊密聯(lián)系，又自成體系

一般認(rèn)為，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)與鋼結(jié)構(gòu)屬同一范疇，而型鋼混凝土結(jié)構(gòu)與鋼筋混凝土屬同一范疇，這表明鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的部分授課內(nèi)容與先修課程聯(lián)系緊密。例如，鋼管混凝土格構(gòu)柱，無(wú)論是整體穩(wěn)定計(jì)算還是單肢穩(wěn)定計(jì)算，計(jì)算理論與鋼結(jié)構(gòu)格構(gòu)柱都基本一致；型鋼混凝土構(gòu)件，若不考慮型鋼腹板則其計(jì)算理論與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)幾乎一致。

但是，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)的部分計(jì)算理論又與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論不同。如受壓構(gòu)件的極限荷載計(jì)算，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)采用等效長(zhǎng)度法[5]，而鋼結(jié)構(gòu)采用等效彎矩法。

鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程具有如上特點(diǎn)，故講授難度較大。

二、開(kāi)設(shè)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程的必要性

盡管鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程的授課內(nèi)容多，講授難度較大，但筆者認(rèn)為有必要為土木工程專業(yè)本科生開(kāi)設(shè)這一課程。

（一）未來(lái)土木工程師的從業(yè)要求

美國(guó)ASCE學(xué)會(huì)于2007年發(fā)布了《2025土木工程遠(yuǎn)景規(guī)劃實(shí)施綱要：專業(yè)規(guī)劃實(shí)施路線圖》[6]（以下簡(jiǎn)稱《2025遠(yuǎn)景綱要》），隨后又提出了21世紀(jì)土木工程師的知識(shí)體系[7]?！?025遠(yuǎn)景綱要》指出：“學(xué)院和大學(xué)必須檢查相關(guān)課程是否與未來(lái)土木工程師教育的要求相符，這樣才可以促進(jìn)遠(yuǎn)景規(guī)劃的實(shí)現(xiàn)?！庇射?混凝土組合結(jié)構(gòu)在高層建筑和超大跨度橋梁中的應(yīng)用趨勢(shì)可以預(yù)見(jiàn)，這一結(jié)構(gòu)必將在未來(lái)土木工程建設(shè)中得到更為廣泛的應(yīng)用。因此，為土木工程專業(yè)本科生開(kāi)設(shè)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程，可以幫助學(xué)生更早地熟悉這一結(jié)構(gòu)類型。土木工程專業(yè)的本科畢業(yè)生遇到的第一個(gè)工程項(xiàng)目很有可能就是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。

（二）培養(yǎng)卓越工程師的要求

我國(guó)已成為世界最大規(guī)模高等教育的國(guó)家，我國(guó)的工程技術(shù)人員不但要解決國(guó)內(nèi)的工程技術(shù)問(wèn)題，還需要參與世界范圍內(nèi)的工程建設(shè)。教育部于2010年啟動(dòng)“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”（簡(jiǎn)稱“卓越計(jì)劃”）， 該計(jì)劃旨在促進(jìn)高等教育面向社會(huì)需求培養(yǎng)人才，全面提高工程教育人才培養(yǎng)質(zhì)量，具有十分重要的示范和引導(dǎo)作用。筆者認(rèn)為，為強(qiáng)化培養(yǎng)學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新能力，本科生的培養(yǎng)方案應(yīng)與時(shí)俱進(jìn)，適時(shí)設(shè)置與行業(yè)發(fā)展主流方向?qū)?yīng)的課程，為土木工程本科生開(kāi)設(shè)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程即是這一思想在土木工程專業(yè)本科生教育上的體現(xiàn)。

（三）溫故知新的作用

按照課程開(kāi)設(shè)的先后順序以及先修課程是后修課程基礎(chǔ)這一思路，繪制土木工程專業(yè)材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和彈性力學(xué)等基礎(chǔ)課程，以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)專業(yè)課程的金字塔式關(guān)系。如圖1所示，從左到右、從下到上表示課程開(kāi)設(shè)的先后順序，從下到上還表示先修課程是后修課程的基礎(chǔ)。

圖1體現(xiàn)了土木工程專業(yè)課程體系的“一般—特殊—一般”的關(guān)系，即力學(xué)課程講授的是與材料無(wú)關(guān)的構(gòu)件計(jì)算，當(dāng)對(duì)構(gòu)件賦予具體材料后根據(jù)材料不同可分為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)，故體現(xiàn)的是“一般與特殊”的關(guān)系。而前已述及，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)或型鋼混凝土結(jié)構(gòu)在某些特殊情況下分別與鋼結(jié)構(gòu)或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論相似或一致，故體現(xiàn)了“特殊與一般”的關(guān)系。為土木工程專業(yè)本科生開(kāi)設(shè)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程，可達(dá)到溫故知新的作用，同時(shí)通過(guò)對(duì)比法教學(xué)可促進(jìn)不同結(jié)構(gòu)類型知識(shí)點(diǎn)的融會(huì)貫通，提升學(xué)生歸納問(wèn)題能力，加深學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)的理解。

基于以上分析可看出，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)越來(lái)越多地應(yīng)用于工程實(shí)踐，因此，在 “卓越計(jì)劃”的教育背景下， 土木工程專業(yè)開(kāi)設(shè)鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程具有重要意義。

三、 鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程教學(xué)方法初探

筆者自2007年開(kāi)始為蘭州大學(xué)土木工程專業(yè)本科生講授鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)選修課。通過(guò)歷年授課，積累了些許教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，以型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)為例，對(duì)本課程的教學(xué)方法作一探討。

由于型鋼混凝土結(jié)構(gòu)涉及的材料多，故在講授這一結(jié)構(gòu)類型時(shí)首先通過(guò)多媒體課件把型鋼混凝土梁的材料一一標(biāo)示出來(lái)（圖2），讓學(xué)生清晰明了地掌握構(gòu)件的基本材料。

當(dāng)學(xué)生了解型鋼混凝土梁的基本材料后，需要講授型鋼混凝土梁的極限荷載計(jì)算公式。通過(guò)多媒體課件展示受壓鋼筋、受壓翼緣、受拉鋼筋，以及受拉翼緣的定位尺寸（圖3），這樣不僅可幫助學(xué)生復(fù)習(xí)混凝土保護(hù)層厚度的概念，而且能為后續(xù)建立計(jì)算模型理清思路。

因?yàn)樾弯摶炷亮旱臉O限荷載計(jì)算需要確定各種材料合力作用點(diǎn)的位置，故在圖3的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步展示合力作用點(diǎn)到梁近表的距離（圖4）。

盡管以上幾何關(guān)系非常簡(jiǎn)單，但當(dāng)這種關(guān)系較多時(shí)學(xué)生還是容易混淆，而一步步導(dǎo)入圖片可厘清以上幾何尺寸的關(guān)系。有了以上幾何關(guān)系后，則可請(qǐng)學(xué)生根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的知識(shí)推導(dǎo)出極限彎矩的計(jì)算公式。

最后，再給出型鋼腹板的應(yīng)力圖和標(biāo)準(zhǔn)公式，則型鋼混凝土梁的極限彎矩計(jì)算公式較容易被學(xué)生理解和接受。當(dāng)然，在以上推導(dǎo)過(guò)程中如果輔以表格，把各種材料的橫截面面積、合理的大小，以及合力到梁近表的距離一一列出，則推導(dǎo)過(guò)程會(huì)更為清晰。

以上建立型鋼混凝土梁極限彎矩計(jì)算公式的過(guò)程一方面是與已知建立聯(lián)系，仿效已有的方法，另一方面也體現(xiàn)了特殊問(wèn)題特殊處理的思路。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生能較為快速地掌握講授內(nèi)容。

需要說(shuō)明的是，盡管上述方法看似簡(jiǎn)單，但正是由于簡(jiǎn)單才能保證課堂內(nèi)容易被學(xué)生接受，而作為直接面向?qū)W生的教師，能讓課堂簡(jiǎn)單才有可能讓課堂生動(dòng)。

四、結(jié)語(yǔ)

文章首先分析了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程的特點(diǎn)，然后揭示了開(kāi)設(shè)這一課程的必要性，最后結(jié)合筆者的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這一課程的教學(xué)方法進(jìn)行了探討。

（1）鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程涉及的標(biāo)準(zhǔn)多，各教學(xué)內(nèi)容的計(jì)算理論和計(jì)算方法差異較大。

（2）鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程可以促進(jìn)學(xué)生溫故知新，加深對(duì)結(jié)構(gòu)的理解。無(wú)論從未來(lái)土木工程師的從業(yè)角度還是卓越工程師的培養(yǎng)角度都應(yīng)為土木工程專業(yè)本科生開(kāi)設(shè)這一課程。

（3）采用圖示方法并結(jié)合表格，通過(guò)與已修課程建立聯(lián)系并對(duì)特殊問(wèn)題特殊處理，力爭(zhēng)把復(fù)雜的推導(dǎo)過(guò)程簡(jiǎn)單化，是這一課程教學(xué)的有效方法。

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（編輯 周 沫）