钢结构设计课程实验教学的实践与研究

安毅　程欣　章敏

[摘要]论文针对钢结构设计课程内容繁杂、公式复杂、概念抽象、采用单一的课堂教学方式难以收到良好的教学效果的现状，对开展钢结构设计课程配套教学实验进行了探索与实践。探讨了开展教学实验的指导思想，并就课程教学实验的选题提纲给出了相关建议。结合缩尺多层钢框架的振动台实验案例，对教学实验开展的方法、步骤、教学效果及注意事项等进行了讨论。实践证明，将抽象难懂的理论知识与具体的教学实验相结合，可有效提高钢结构设计的教学效果。

[关键词]钢结构设计;实验教学;教学实践;多层钢框架

[中图分类号]G642.0[文献标识码]A[文章编号]2095-3437（2019）11-0054-03

一、引言

钢结构设计是土木工程学科的一门专业主干课程，开设的主要目的是使学生在学习专业基础课程钢结构基本原理后，进一步学习钢结构的设计、制作和建造等[1]，包括轻型门式钢架结构、重型厂房结构、大跨度屋盖结构及多高层房屋钢结构等具体内容，是一门实践性非常强的综合性课程，是引导学生从理论基础到工程实际的纽带，有着承上启下的重要作用。

钢结构设计课程的特点是知识点多而散、计算公式复杂，且对细节构造要求高，与工程实际联系紧密，需要很强的空间想象能力。然而学生接触实际工程的机会往往较少，他们对于各类结构体系的感性认识原本就不足，对于与工程实际相关的细节和构造内容更是难以理解，如果仅仅听课堂讲解会显得非常抽象，容易降低他们的学习兴趣，也难以收到良好的教学效果[2-3]。

实验教学可实现抽象的理论知识与具体的实验现象融合，给予学生更为立体的感官认识，具有课堂理论教学不可替代的重要作用。钢结构课程如果将抽象难懂的关键知识点与相应的课程实验教学相结合，使学生获得直观的体会认知，可有效加深学生对相应知识点的理解，同时也可培养学生的动手能力和创新意识，提高课程教学质量[4]。目前钢结构课程实验教学的实践主要集中在钢结构基本原理课程上[5-7]，对于钢结构设计课程实验教学的探索还较为有限。因此，构建钢结构多功能教学实验平台，建设和钢结构设计课程相配套的实验课程，已经成为当前土木工程专业教学改革的重点。

为了更好地培养学生的工程素质，提高学生的创新意识，激发学生学习钢结构的兴趣，除了采用传统的教学手段之外，更需通过丰富的教学方法来培养学生的实践能力，因此开展钢结构设计课程教学实验具有深远的意义。本文就如何在钢结构设计课程中开展配套教学实验，形成“课堂教学+配套教学实验”的多元化教学模式，展开了初步的探索性研究与实践，探讨了这种教学模式的指导原则和选题，并就已开展的实验教学实践活动进行了梳理。

二、课程教学实验的方法研究

（一）教学实验指导思路

1.要与课堂教学密切相关

课程教学实验作为课堂教学的辅助手段，其开展的一个主要目的是帮助学生更好地理解课堂教学中抽象难懂的理论知识。因此，教学实验的开展应与课堂教学的进展保持密切的相关性，包括教学内容的相关性及开展时间的相关性。首先，教学实验的选题应充分考虑钢结构设计课程内容的特点，与教学大纲中的重点难点紧密贴合。其次，教学实验的开展时间应与课堂教学的进度相统一，最好选在学生对该知识点记忆最深刻好奇心最强的时候开展。过早开展教学实验，学生对于该知识点缺乏先期认知，难以准确体会教学实验设置的目的和传递的含义;过晚开展教学实验，学生对课程知识点的记忆淡化，求知欲退化，也会大大降低教学实验的效果。

2.要有利于提高学生的参与积极性与创新性

教学实验的开展过程中应重视增强学生的动手能力与参与感，激发学生的创新性。教学实验的设置宜采用演示实验与自主实验相结合的方式，实验过程中应充分调动学生的探索积极性。例如，在保证安全的前提下，可以让学生参与到试件的安装与加载等过程中，使学生了解结构的实验方法，体会从理论到实验转换的过程。实验完成后可增加一节综合讨论课，让学生结合课堂理论知识与工程实际进行分组讨论。鼓励提出尽可能多的不同意见，让学生在讨论中加深对所学知识的理解。

3.要保證教学过程完整

教学实验的开展应具有连贯性与完整性。教学实验应含有理论知识的回顾、实验过程的有序开展、实验结果的整理分析及教师对学生实验结果的有效评价这样一个完整的过程。

教师在组织开展实验之前，应当首先复习相关理论知识，选取和实验相关的基本概念和重要知识点进行讲解，并采用启发式、讨论式的教学方式调动学生的学习积极性。在实验准备阶段，可指导学生配合安装试件、粘贴应变片和位移计等、调试加载装置等。在正式实验阶段即加载阶段，可让学生仔细观察实验现象，配合数据采集装置理解试件破坏的过程。实验完成后主要对实验数据进行分析讲解，并要求每个学生独立完成实验报告。最后组织教学讨论，进一步加深学生对钢结构构件及体系的破坏过程的理解。

4.要保证实验过程安全

由于钢结构课程的大部分教学实验为破坏性实验，在设计实验时，应合理利用实验室资源，充分考虑加载过程可能造成的潜在危险，并对可能存在的危险提前充分做好防护措施。

（二）教学实验选题提纲

为提高课堂教学质量，应依据钢结构设计课程内容的核心理论，包括轻型门式钢架结构、重型厂房结构、多高层房屋钢结构及大跨度屋盖结构，组织开展相应的教学实验，形成“演示实验+自主实验”的多元化教学模式。现基于2.1节的教学实验开展的指导思想初步设计了6项教学实验项目，如表l所示。根据每学期实验课时的设置，选取不同类型的项目开展教学实验。

（1）门式钢架设计。门式钢架是目前钢结构在中国应用最为广泛的一种轻钢结构体系。制作缩尺模型，让学生动手组装，组装过程即可了解轻型门式钢架的构造及组成方式;通过对缩尺门式钢架进行挂载实验，监测各构件的传力模式及轻型钢结构的破坏机理;掌握门式钢架的设计方法。

（2）重型厂房肩梁设计。重型厂房的肩梁构造复杂，传力机理难以理解，是教学的难点之一。该实验为自主实验，可让学生分成若干小组，自行购买材料，设计制作肩梁，并完成加载。让学生亲自动手，使其充分了解重型厂房肩梁的构造及组成方式，掌握其传力机理。

（3）梯形钢屋架设计。梯形钢屋架是钢结构设计及钢结构课程设计的重点部分，各杆件（上弦杆、下弦杆及腹杆）的截面选取方式，节点部位的连接方式如果仅通过课堂教学往往较为抽象，可引导学生针对此部分内容开展自主实验。让学生分成若干小组，自行购买材料，设计制作一梯形钢屋架，并完成挂载实验。学生通过亲自动手可充分了解梯形钢屋架的构造及组成方式，掌握其传力机理。

（4）钢框架抗震特性。多层钢框架结构的抗震设计是重点也是难点。通过水平振动台实验系统对多层缩尺钢框架施加水平振动激励，確定框架的基本频率和自振特性，以及不同振动频率下框架的动力响应。了解钢框架的自振特性及动力响应特点，掌握钢框架结构抗震设计方法。

（5）隔震支座设计。减震隔震作为钢结构设计的拓展内容，将其列在提纲中是为了提高学生的创新能力。可在课堂讲授减震隔震装置的基本理论基础上，让学生自行设计与缩尺钢框架配套的减震装置，并完成振动台实验，以检验隔震装置的有效性。该实验可充分体现学生的自主创新性。

（6）大跨度屋架设计。大跨度结构是钢结构设计的主要内容之一，其形式多种多样。让学生自行选择一种大跨度形式，设计并制作完成一大跨度屋架模型，并完成加载实验。学生通过亲自动手可充分了解大跨度结构的构造及组成方式，掌握其传力机理。

三、课程教学实验的实践

在钢结构设计教学中，多层钢框架结构的抗震设计是重点也是难点。其概念抽象，内容繁多，公式复杂，仅通过有限的课堂理论教学难以让学生有深刻的理解，最后往往只能让学生记住设计公式，以使其会套用计算公式作为教学目标。多层钢框架结构的抗震设计是钢结构设计的基础问题，是教学的重中之重。因此，本文以多层钢框架结构振动台实验作为案例讲述钢结构设计配套教学实验的实践过程。让学生根据整体框架结构体系，分析各构件之间的传力关系，建立正确的力学计算模型，结合已有的钢结构基本原理知识进行正确的分析，从而理解与掌握枯燥的理论。

（一）实验教学过程

1.确定实验方案

在水平振动台实验系统中，通过钢接柱脚对一个四层的缩尺钢框架施加水平振动激励，监测缩尺钢框架的柱顶水平位移及动力加速度，如图1所示。实验的加载过程主要包括两大部分：首先通过扫频确定框架的基本频率和自振特性，其次通过设置三组不同频率下的驻频实验考察不同振动频率下框架的动力响应。

2.讲解理论

教师在进行正式加载前需要针对实验相关事宜讲解以下三方面的内容：①回顾多层钢框架抗震设计的理论知识。②讲述实验原理、实验方案及实验步骤。③介绍加载装置及数据信号的采集和分析。在讲解过程中交代清楚实验过程中需重点关注的内容，有助于基础较差的学生跟上实验进程。

3.实验加载和测试

教师在实验开始前指导学生将缩尺钢框架通过螺栓安装在振动台上，并将载荷挂件安装在缩尺钢框架的梁上。标定传感器，调试振动台系统和测试装置能否正常工作。对缩尺钢框架实施扫频与驻频实验，记录各项测试数据。

4.分析实验结果

从实验现象、位移及加速度数据、振动台数据等方面对钢框架的自振特性及动力特性进行分析，归纳总结钢框架的抗震特性。通过与实验结果进行对比，验证理论计算公式的正确性，分析两者存在差异的原因。整理分析结果，撰写实验报告。

5.分组讨论

实验结束后增加一节讨论课。结合理论、实验及工程实际，让学生进行分组讨论，并由学生登台讲解，鼓励发表不同的见解，让学生通过讨论进一步加深对知识的理解。

（二）实验教学效果

缩尺钢框架的振动台实验是一个观赏性较强的演示实验，实验充分调动了学生学习的热情和积极性，使学生了解了多层钢框架的自振特性和动力响应特点，认识了多层钢框架抵抗地震作用的影响因素及计算方法，同时锻炼了学生的动手及创新能力。

实验教学是土木工程专业本科教学和人才培养的关键环节，它具有其他教学环节不可替代的重要作用。实验课程的开设完善了钢结构设计的教学模式，将基本原理和实验有机结合起来。学生通过参与实验，可以身临其境般地观察钢结构的破坏模式，并通过对实验现象的分析和思考，加深对钢结构设计相关概念和理论的理解，培养对钢结构及土木工程的兴趣，开阔学术视野，培养动手能力和创新能力，加快从书本走向工程实践和科学研究的步伐。

四、小结

本研究通过将钢结构设计核心内容相配套的教学实验融入钢结构设计的教学进程中，对钢结构设计的多元化实验教学进行了有益的尝试。

课程实验教学是人才培养的关键环节，受资助经费和实验条件所限，我们仅开展了部分试点实验。今后将建立与钢结构课程相关的更为细致、形式更为多元化的实验项目，以进一步提升实验教学效果。

[参考文献]

[1]沈祖炎，陈以一，陈扬骥.钢结构基本原理[M].3版.北京：中国建筑工业出版社，2018.

[2] 李方慧，田春竹.钢结构设计课程实践教学方法探讨[J].高等建筑教育，2011（1）：135-137.

[3]高鹏，赵根田，陈明，等.钢结构设计课程实践教学模式探索[J].中国冶金教育，2014（4）：56-57.

[4]王伟，赵宪忠，郭小农，等.钢结构多功能教学实验平台的研制与实践[J].高等建筑教育，2009（2）：102-104.

[5]郭小农，王伟，蒋首超，等.钢结构基本原理实验教学探索[J].高等建筑教育，2011（1）：149-154.

[6]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）：46-48.

[7]程欣，雷宏刚，章敏.钢结构基本原理课程实验教学的探索与实践[J].高等建筑教育，2017（2）：124-126.

[责任编辑：庞丹丹]