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，然后從未來土木工程師的從業(yè)要求和我國培養(yǎng)卓越工程師的要求等方面分析了開設(shè)該課程的必要性，最后結(jié)合筆者的教學(xué)經(jīng)驗，以型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)為例對鋼-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；教學(xué)探討

中圖分類號：G642-3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：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時量較少[1-2]。

早在1999年，國內(nèi)已有高校為土木工程專業(yè)本科生開設(shè)了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)選修課[1]。2002年，李國強等[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)本科生開設(shè)54學(xué)時的鋼-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，繼而對這一課程的重要性和開設(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

（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)容與國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的設(shè)計理論、設(shè)計方法、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)計與施工規(guī)范》，YB9238—92《鋼-混凝土組合樓蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(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)容并沒有相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)。因此，鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程的第一個特點是授課內(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，無論是整體穩(wěn)定計算還是單肢穩(wěn)定計算，計算理論與鋼結(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)的部分計算理論又與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)或鋼結(jié)構(gòu)的計算理論不同。如受壓構(gòu)件的極限荷載計算，鋼管混凝土結(jié)構(gòu)采用等效長度法[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，故講授難度較大。

二、開設(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)本科生開設(shè)這一課程。

（一）未來土木工程師的從業(yè)要求

美國ASCE學(xué)會于2007年發(fā)布了《2025土木工程遠(yuǎn)景規(guī)劃實施綱要：專業(yè)規(guī)劃實施路線圖》[6]（以下簡稱《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)用趨勢可以預(yù)見，這一結(jié)構(gòu)必將在未來土木工程建設(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)生遇到的第一個工程項目很有可能就是鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)。

（二）培養(yǎng)卓越工程師的要求

我國已成為世界最大規(guī)模高等教育的國家，我國的工程技術(shù)人員不但要解決國內(nèi)的工程技術(shù)問題，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“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”（簡稱“卓越計劃”）， 該計劃旨在促進(jìn)高等教育面向社會需求培養(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)與時俱進(jìn)，適時設(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關(guān)的構(gòu)件計算，當(dāng)對構(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，同時通過對比法教學(xué)可促進(jìn)不同結(jié)構(gòu)類型知識點的融會貫通，提升學(xué)生歸納問題能力，加深學(xué)生對結(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)越來越多地應(yīng)用于工程實踐，因此，在 “卓越計劃”的教育背景下， 土木工程專業(yè)開設(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。通過歷年授課，積累了些許教學(xué)經(jīng)驗，以型鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)為例，對本課程的教學(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)類型時首先通過多媒體課件把型鋼混凝土梁的材料一一標(biāo)示出來（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算公式。通過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)建立計算模型理清思路。

因為型鋼混凝土梁的極限荷載計算需要確定各種材料合力作用點的位置，故在圖3的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步展示合力作用點到梁近表的距離（圖4）。

盡管以上幾何關(guān)系非常簡單，但當(dāng)這種關(guān)系較多時學(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，則可請學(xué)生根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的知識推導(dǎo)出極限彎矩的計算公式。

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)過程會更為清晰。

以上建立型鋼混凝土梁極限彎矩計算公式的過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)了特殊問題特殊處理的思路。教學(xué)實踐表明，學(xué)生能較為快速地掌握講授內(nèi)容。

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

四、結(jié)語

文章首先分析了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)課程的特點，然后揭示了開設(shè)這一課程的必要性，最后結(jié)合筆者的教學(xué)經(jīng)驗，對這一課程的教學(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)容的計算理論和計算方法差異較大。

（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，加深對結(jié)構(gòu)的理解。無論從未來土木工程師的從業(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)本科生開設(shè)這一課程。

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

參考文獻(xiàn)：

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[7]ASCE. Civil engineering body of knowledge for the 21st century： preparing the civil engineer for the future [M]. 2nd ed. Virginia：American Society of Civil Engineers，2008.

（編輯 周 沫）