大跨径桥梁教学中的“求真务实”

胡晓伦 王慧萍

摘要：大跨度桥梁教学中，结构体系和总体布置、结构与构造、计算理论、施工方法和工程实例五部分内容彼此联系，以力学原理为核心。“求真务实”的教学方法抓住了其主体内容，将结构力学植入桥梁工程教学过程中，理论联系实际，更易于理解桥梁工程。

关键词：大跨度桥梁；梁桥；教学案例；求真务实

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）10-0141-02

一、概述

《桥梁工程》是道路、桥梁与渡河工程专业的一门专业必修课。对于这门实践性较强的工程类专业课，要求学生熟悉或掌握桥梁结构体系和总体布置、结构与构造、计算理论、施工方法和工程实例五个方面的知识。如图1所示，结构体系和总体布置是内核，体现了桥梁体系的受力特点和适用范围，可谓“神”；结构形式与构造特点是外形，反映了该桥型在具体场地环境下的结构与构造，可谓“形”。二者之间的联系可以用虚实线表示，虚线表示以结构力学为基础的内力计算和以结构设计原理为基础的设计验算，实线表示桥梁建造的施工方法、技术和机具。工程实例以桥梁实例的方式涵盖了前面四部分内容。

东南大学《桥梁工程》课程主要讲解简支梁桥、拱桥等，在《大跨径桥梁》课程中讲解连续体系梁桥、斜拉桥和悬索桥。中小跨度桥梁教学时，五部分教学内容可以分开进行，彼此之间联系较弱。但大跨度桥梁教学须以“力”为核心，融会贯通地讲解五部分内容，让学生意识到，优秀的大跨度桥梁是神形兼备的佳作，神形兼备的实质是“力”，即受力特点、传力路径和力学计算，违背了力学原理的结构不宜用于大跨度桥梁。

教学内容和教学方法改革是教学永恒的话题。如何培养学生从力学角度来思考问题，尤其是跨度变大以后桥梁受力形态发生哪些变化，是大跨度桥梁教学的精髓所在。作者根据多年教学实践，摸索出了“求真务实”的教学方法。求真即寻根索源，从力学角度来理解桥梁结构体系、结构构造甚至施工方法；务实即是对抽象的、静态的教材内容进行实践化、形象化。务实是手段，求真是目的。“求真务实”的实质就是理论联系实际，相得益彰。本文结合几个教学案例，讨论下“求真务实”的教学方法。

二、“求真”教学案例

1.梁桥结构体系。“求真”教学表现为桥梁工程五个方面知识在讲解时相互渗透，均从力学角度来思考问题，尽可能探究出结构中的力学原理来。根据承重结构的受力特点，梁式桥可划分为简支梁桥、悬臂梁桥、连续梁桥、T型刚构桥和连续刚构桥。现有教材中把梁式桥的五种体系分散在几节中介绍，这不利于培养学生从力学角度来理解梁式桥静力体系演变的过程和内在原因。简支梁桥是构造最简单的桥梁，也是梁式桥体系演变的基础。简支梁桥在自重作用下的恒载弯矩沿跨径分布为二次抛物线形状，跨中截面承受最大正弯矩，支点处弯矩为零。由于简支梁桥的截面尺寸和跨度完全受跨中截面正弯矩控制，因此，要减小截面尺寸或增大跨度，必须设法减小跨中截面的最大正弯矩。一种方法是将简支梁梁体伸长，越过支点，形成1.x跨（x<1.0）的悬臂梁或2～N跨的连续梁，利用支点截面的负弯矩对跨中截面的正弯矩卸载，内力重分布，梁高也相应减少。第二种方法是将桥墩和主梁固接，让桥墩参与主梁受力，增大结构体系的刚度，于是悬臂梁桥演变为T型刚构桥，T型刚构和连续梁结合在一起演变为连续刚构桥，连续刚构和连续梁结合在一起演变为刚构—连续组合体系桥梁。第三种方法是不等跨布置和变截面梁高。当跨度超过70m以后，若连续梁桥采用等跨布置，边跨跨中截面正弯矩控制了结构设计，且梁端转角位移较大，不利于行车平顺。在大跨度梁桥中应采用不等跨布置和变截面梁高的形式，以满足内力变化的需求。通过上述推演，学生理解了梁式桥体系的演变过程，比较了受力特点和适应范围。若进一步“求真”，可以发现，桥梁设计的使命是用较经济的材料（一般表现为梁高）来达到尽量大的跨度，即减少跨中截面的正弯矩，办法是利用支点负弯矩和墩顶弯矩对跨中正弯矩卸载。

2.施工过程对成桥状态恒载内力的影响。桥梁结构从开始施工到成桥必须经历一个复杂的多阶段构件施工安装和体系转换过程，因此，成桥状态的恒载内力和线形必须考虑结构的实际施工过程，逐步叠加而成。桥梁工程教材中，将梁桥的恒载内力与施工过程的关系分为两类：满堂支架施工、逐跨施工（必须选择弯矩零点作为施工接缝）、顶推施工的梁桥，施工过程对成桥状态恒载内力图没有影响，可以按照一次落架法计算；悬臂施工、逐跨施工（非零弯矩处接缝）、先简支后连续施工的梁桥，施工过程对成桥状态恒载内力图有影响，须按照施工过程中的结构体系逐阶段计算截面内力并累加为成桥状态的结构内力。教材中只给出了结论，没有做进一步解释，让学生费解。此处，可以设置一个“求真”的教学环节，让学生课外阅读文献[2]，理解其中的力学原理——无应力状态法。无应力状态法是确定分阶段形成桥梁结构中过程状态与最终状态的关系。在保证结构构件单元无应力长度和无应力曲率的前提下，结构的最终内力和位移与结构的形成过程无关。通过“求真”的教学环节，学生将结构力学知识与桥梁施工计算联系起来，顿时豁然开朗。

三、“务实”教学案例

1.梁桥的边中跨比例。“务实”教学表现为通过具体的影像、工程案例、课程作业、课堂研讨、实践实习等环节，让学生直观地面对桥梁结构和理论，动手解决问题。常见的方法用图片动画的形式展示桥梁结构、施工过程等，让学生有了初步的工程实践经验。下面通过一道研讨式课后作业，了解“务实”的做法。在梁桥总体布置教学中，都会提到不同桥型的边跨中跨长度比例[3-4]，若不加以比较，很难发现彼此之间的联系和区别。譬如，三跨预应力混凝土连续梁桥的L边跨/L中跨=0.50～0.80，最佳值为0.68，但连续刚构桥的L边跨/L中跨多在0.55～0.58，为什么不一样？在此，布置一道“务实”作业，令学生从教材、文献、网络中查找工程实例，收集同类桥梁的L边跨/L中跨数据，罗列在一张表上。基于统计分析，学生可以阐述对梁桥的L边跨/L中跨的认识。若进一步，学生借助结构力学求解器SM solver[5]软件，绘制了三跨预应力混凝土连续梁桥的恒载弯矩图（图2），根据恒载弯矩图总面积越小越经济的原则，验证三跨预应力混凝土连续梁桥的L边跨/L中跨的合理范围。本案例中，从务实中求真，学生明白了梁桥受力特点：梁桥既要通过支点负弯矩对跨中正弯矩卸载，增大跨度，又要恒载弯矩图总面积小（经济）。

2.温度次内力的影响。桥梁结构常遇的温度作用主要有：常年温差、日照温差、砼水化热。常年温差即整体升温或降温，引起构件的伸长或缩短，在连续梁桥中产生伸缩现象，需设伸缩缝，不产生次内力，但在连续刚构桥中产生变形和次内力。日照温差即日出后桥面升温或日落后的梁底降温，以温度梯度的形式作用于主梁上，在连续梁桥、连续刚构桥中均产生变形和次内力。为了让学生理解温度变化对梁桥结构的影响，布置一道研讨式综合作业。如表1所示，相同跨度的三跨连续梁桥和连续刚构桥，在季节温度变化（升温）、日照温度变化（升温）的情况下，绘制结构的变形图、次内力图，简要说明次内力对结构恒载内力的影响、各支座反力的变化情况。学生运用SM solver软件基本解决了问题，然后改变桥墩高度，分析桥墩高度对连续刚构桥的温度次内力的影响，回答了“为什么连续刚构桥比较适用于大跨高墩的情况”的抽象问题。通过这种对比、推进式分析，加深了对教材中抽象理论的理解。借助小软件进行了桥梁结构的力学实验，理解桥梁工程中的抽象理论，是一种有益身心的运动，学生解决问题的过程中掌握了理论知识。此为务实，也可务虚求真，可以根据温度变化情况直观地绘制结构变形图，注意反弯点、边界约束等细节，然后由截面的上下缘的拉压应力情况绘制弯矩次内力示意图，初步地判断温度次内力对结构恒载内力的影响。若结构力学基础扎实，不需计算，学生基本可以直观想象出结构受力的样子，出现质的飞跃。

四、结论

桥梁工程是一门理论与实践相结合的教学过程，其结构体系、结构与构造、计算理论、施工方法和工程实例五部分知识彼此联系。大跨度桥梁教学更需要以“力”为核心，融会贯通地讲解五部分内容。“求真务实”的教学方法抓住了大跨度桥梁教学的主体内容，将结构力学植入桥梁工程教学过程中。从力学角度来理解桥梁结构，是谓求真；布置研讨式作业等方式供学生实践，是谓务实，其目标仍为求真，二者相得益彰，实质就是理论联系实际，学习桥梁结构力学。