概念结构力学教学研究与实践.docx

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1、概念结构力学教学研究与实践 农业水利工程等专业的一门特别重要的专业基础课。其任务是驾驭杆件结构分析计算的基本概念、原理与方法，了解梁、桁架、刚架、排架、组合结构和拱的受力性能与应用，主要培育结构分析、计算等方面的实力，为今后结构设计奠定力学基础。随着社会的发展与结构设计与分析软件的广泛运用，经典结构力学已不能满意市场的需求，于是在全国非力学专业力学基础课程专业指导委员会年会上提出了“概念结构力学”。 概念结构力学亦称“定性结构力学”、“感知结构力学”、“结构的哲学”。概念结构力学的出现一方面由于很多建筑师对结构受力原理理解不太透彻，另一方面是由于结构工程师“精于计算而疏于推断”，不能快速对建筑

2、师的设计进行评价、批判。结构力学在土木、水工等专业占有特殊重要的位置。经典结构力学的学习，为各专业奠定了良好的基础1-2。 随着结构计算软件的广泛运用，结构力学的一些手算方法已失去原有的重要性。与过去的教化理念不同，现在注意学生应用学问解决问题的实力。不少单位要求本科毕业生具备娴熟运用某种计算软件的实力，市场的需求干脆推动了计算结构力学的快速发展。 结构计算软件功能强大，满意了学生计算困难结构的要求，但也带来了困惑：如何推断计算结果好坏？如何优选设计方案？如何理解力流传递路径？这些问题催生了概念结构力学的产生。概念结构力学主要是为“创建一个优秀的结构”服务的，而经典结构力学、计算结构力学则偏向

3、“很好地计算一个结构”。计算结构力学、概念结构力学须建立在经典结构力学的基础之上，概念结构力学则需计算结构力学的结果来检验人的推断，三者不能独立发展。目前，经典结构力学已经相当成熟，计算结构力学逐步完善，而概念结构力学刚刚起步3。 瑞士闻名结构大师Prod. Gertrude Stein曾说过：“即使在电子计算机时代，设计人员仍应运用自身的结构概念、阅历、推断力和最新观念来主导设计。”功能强大的结构计算软件满意了学生、设计人员计算困难结构的要求，但往往由于上机算题的学生、设计人员对程序的理论假定、适用范围和限制条件等尚未完全吃透，或有时由于人为的输入数据有误，特殊是结构边界条件的拟定与实际不符

4、，均会导致计算结果不正确。因此，应对程序计算结果进行正确的推断与把握。 概念结构力学的两大任务：对结构受力规律与变形趋势进行推断;为构造协同工作实力强的结构供应概念服务。课堂上，在经典结构力学的基础之上应辅以概念结构力学的内容。概念结构力学强调趋势的推断，提高、训练推断力，将学生的精力主要集中在事物的因果关系上，而不是消耗在困难的运算之中。 一、概念结构力学的教学策略 受弯构件的理解 钢筋混凝土梁是典型的受弯构件，应用很广，主要承受弯矩、剪力，其下部纵筋主要用来承受弯矩产生的拉力，箍筋、弯起钢筋主要承受剪力。可把设有弯起钢筋的钢筋混凝土梁设想为带有下斜腹杆的平行弦桁架。受拉纵筋为下弦，上部受压

5、混凝土为上弦，箍筋为竖向腹杆，而弯起钢筋则是斜腹杆。理解上述钢筋混凝土梁的受力状态，可加深对受弯构件的理解。反过来，亦加深了学生对桁架结构的理解，理清了各部分杆件所起的作用。在静定桁架部分，课堂上不仅要讲清节点法与截面法，还要结合受均布荷载作用的单跨静定梁的弯矩图和剪力图，补充上下弦杆、腹杆的内力沿跨度的改变趋势，使学生彻底理清每根杆件在桁架结构中所起的作用。 实际工程结构的总体估算 在结构方案设计阶段需对结构模型、边界条件及所作用的荷载进行简化处理与计算，推断设计方案在结构承载力与变形等方面的可行性。这种估算可较粗略地进行，以求快速简捷。采纳概念设计方法可在方案的对比与优选中选择出更为优秀的

6、结构设计方案，方案优选不仅仅体现了方案的经济性与牢靠性，同时亦有效避开了设计后期的烦琐计算。 图1 风载作用下的弯矩图 闻名的巴黎埃菲尔铁塔，总高324米。该结构具有造型美丽、受力合理、建筑结构完备统一的特点。从受力角度来看，铁塔可看成是嵌固在地上的悬臂梁，风载是其主要限制荷载，因铁塔总体外形与风载作用下的弯矩图非常相像，因此充分发挥了塔身材料的强度与刚度，受力特别之合理。 再以原纽约世界贸易中心大楼为例，说明如何对房屋结构进行简化、估算4。该建筑是两栋形态相像的110层方形塔楼，高412m，平面尺寸为63.5m63.5m，采纳筒中筒结构，外筒为密柱框筒。总体高宽比h/d=412m/63.5m

7、=6.49。风载较大，验算风载作用下柱子的附加轴力、塔楼顶部侧移。初步估算时，可将问题作如下简化：塔楼看作嵌固于地面的悬臂梁;筒中筒结构在水平荷载作用下，内筒主要抗剪，其抗弯作用比外框筒小得多，近似估算时先只考虑外框筒的抗弯作用;外框筒结构密柱间有刚性横梁相连，近似看作是共同工作的整体箱形截面;风载取均值。 图2 原世界贸易中心估算简图 首先计算均布风载作用下结构底层最大弯矩及结构总体截面惯性矩，而后计算出边柱由风载引起的最大附加应力，即可计算出单柱由风载引起的附加内力。风载作用下房屋顶端侧移的估算：等截面悬臂梁端挠度=qh4/，框筒箱形截面柱是变截面柱，底部柱截面大，上截面越小，近似认为柱顶

8、截面为0的匀称变截面构件，则变形要比等截面构件大些，顶端侧移=qh4/，依据该式即可推断侧移是否满意相关要求。高宽比对侧移、结构内力影响显著，可增大、减小宽厚比来对比不同方案的计算结果。在高层房屋的方案阶段，设计人员须应用概念设计的理念，合理限制结构的高宽比。 结构与构件的合理搭配 结构与构件的合理搭配可收获得良好的受力效果。以三铰屋架为例，如图3所示，梁同时承受轴压力和非节点横向屋面荷载，斜梁将承受较大弯矩。若在节点构造上稍作处理，做成偏心节点，则可大大降低跨中的弯矩，甚至可减小一半。由此可见，合理的措施，可有效改善此类结构的受力4。 图3 斜梁轴心、偏心受压时的弯矩图 约束对结构内力和变形

9、的影响 结构的内力与约束形式休戚相关。约束类型、数量影响着结构内力分布与变形。以单层单跨无铰、两铰和三铰刚架为示例，三者与图4a排架相比5，刚架受力特性优于排架，因刚架内力分布更匀称，承载力、刚度均高于排架。三铰刚架为典型的静定结构，地基的沉降对其内力没有影响，但刚度较弱，内力较大。无铰刚架刚度大，内力小，但对地基条件要求较高。两铰刚架则介于二者之间。通过以上分析可得如下结论：约束越多，内力越分散且越小;约束越多，刚度越大且变形越小。在结构设计中可通过增加约束的方式，提高结构的承载力与刚度。 图4 不同约束形式下刚架内力的对比 刚度理论在概念设计中的运用 工程结构在设计过程中，各部分构件的布置

10、及结构分析阶段，常较关注外荷载，即注意“力”，而轻视结构及构件抵挡外荷载的实力、不重视影响构件内力和变形的刚度。敏捷应用刚度理论，可消退隐患，获得受力性能优良的结构。工程结构构件的布置、截面的选择，均为寻求合理的刚度。结构、构件的刚度的选择贯穿于设计的整个过程之中。 刚度在结构的设计中占有特别重要的地位，结构中力的平衡、变形的协调、构件的内力均通过构件线刚度及相对刚度的大小来体现7。例如图5a所示门式刚架，柱的线刚度ic=EIc/h，梁的线刚度ib=EIb/l，可通过变更梁柱线刚度比值，让学生直观地体会内力与变形的改变。当由零渐渐增加至很大时，梁端弯矩不断增大，柱的反弯点渐渐降低，且反弯点在柱

11、上半部分移动。 图5 门式刚架 主次结构的概念分析 绘制图6a多跨超静定梁的弯矩图。铰C处作用一集中荷载，该荷载由AC担当，CD担当，还是二者共同担当？该结构有主次之分，AC为基本部分，CD为附属部分。当集中荷载作用于主次部分相连铰上时，该荷载由基本部分担当7。在这里可打一比方，将杆AC比作父亲，杆CD比作须依靠父亲的扶持才能走路的婴儿，铰C可看为父子手牵着手，而集中荷载可看作二人共同拎的一个包，该包明显由父亲负担，因为婴儿根本无法拎动包。从受力角度上讲，CD得依靠AC才能稳固，若撤去AC，那么CD将成为机构;而撤去杆CD，AC仍为几何不变体系。因此该集中荷载只对AC产生作用，而CD并无内力。

12、这样，BC段可看成是悬臂梁，其弯矩图可轻易绘出，B点弯矩值亦简单计算。AB段无荷载作用，剪力保持不变，且铰A处弯矩为零，弯矩图为始终线，干脆连接B处弯矩值与A处弯矩值即可绘制出弯矩图。 图6 多跨梁 但是，也有例外，如图7a所示，ADB为基本部分，杆BC为附属部分，二者用铰B连接，其上作用集中荷载F/2，该荷载是由基本部分还是由附属部分担当呢？答案是由附属部分BC担当。与以上不同，作用于附属部分上的三个荷载构成平衡力系，整个结构仅BG段有内力。铰B处的集中荷载由附属部分担当，并不是由基本部分担当，其弯矩图如图7b所示。 以上两个结构是有主次之分的，有些结构无主次之分，如图8a所示。由于结构对称

13、，因此集中荷载Fp将平分给两个附属部分，其弯矩图如图8b所示。 图8 结构无主次之分 二、教学反思 传统的结构力学在教学方法与内容上大同小异，主要培育目标是学生驾驭好课本上的基本理论与计算方法，整个封闭的教学活动过程仍属于应试教化，学生独立思索的空间小，不利于人才的培育。在定量传统结构力学教学的手算基础之上，应与建筑结构选型相结合，对常见的梁、刚架、拱、桁架和组合结构等的受力性能、适用范围进行总结与探讨，定性推断计算结果的正误，通过探讨式、问题式教学方法深度融合概念结构力学的内容。对概念结构力学教学方法进行探讨，充分运用现代教学手段，用先进的教学方法给学生传授与时代同步发展的学科学问。概念结构

14、力学主要为创建一个好的结构服务，是结构的灵魂。在结构力学也课堂上，在经典结构力学学问的讲授之上须辅之以概念结构力学学问，通过案例式实例教授概念分析，授课过程中强调趋势的推断，使得教学、练习朝着训练学生推断力的方向发展，摆脱困难的运算，将精力主要集中在事物的因果关系上，努力提升学生的概念分析实力，通过结构的概念分析，激发学生的创建性与乐趣，培育出具有创新实力的人才8。 参考文献： 1许凯，陈朝峰，杨祖权.定性分析在结构力学教学中的应 用探讨J.高等建筑教化，2022，. 2刘永军，宋岩升，王宇.结构力学课程“四模块体系”探究 及实践J.黑龙江教化：高教探讨与评估，2022，. 3黄达海.概念结构

15、力学M.北京：北京航空航天高校出 版社，2022：2-3. 4计学闰.结构概念和体系M.北京：高等教化出版社， 2004：2，13. 5严跃成.结构力学定性分析的探讨与实践J.高等建筑 教化，2022，. 6朱慈勉，尹小明.概念设计的意义和应用分析J.建筑 技术，2022，. 7朱慈勉.结构力学：上册M.北京：高等教化出版社， 2022：35-36. 8刘新柱，王冬，潘佳卉.基于创新实力培育目标的工程力 学教学改革与实践J.黑龙江教化：高教探讨与评估， 2004，. 第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页