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【摘要】
隨著鋼橋應用的推廣，鋼橋課程教學越來越受到重視，鋼橋課程設計是課程重要的實踐教學環節。由于目前鋼橋課程設計參考較少，為了配合新版教材和規范的教學和應用，對鋼橋課程設計教學進行了設計和實踐。實踐過程充分考慮學生專業背景和知識結構，結合鋼橋課程的特點，既考慮課程的共性，也兼顧學生個體的差異性。方案的設置和難點問題的解決，充分鍛煉了學生解決問題的能力。文章總結了實踐過程中的問題，提出了改進措施。
【關鍵詞】
土木工程;課程設計;方案設置;改進措施
0引言
近年來，國內外大跨度橋梁大多以鋼橋為主，中小跨進橋梁的鋼橋應用也在逐步推廣。隨著鋼橋應用推廣和實際工程增多，鋼橋的知識教育受重視程度也逐漸增高。《鋼橋》是橋梁工程專業學生從事橋梁設計施工必須掌握的課程，是一門要求學生理論知識與認識實踐相結合的橋梁工程類專業課?！朵摌颉氛n程近幾年在各大高校教學中越來越受到重視，經歷了無專門課程到設置為選修課的過程。近幾年，越來越多的高校已將《鋼橋》課程設置為專業必修課，并設置了《鋼橋課程設計》的實踐環節。課程設計是將課程理論轉化為課程實踐的“橋梁"，同時也是實踐教學和大學本科教學中的一個重要環節［1，2］。由于《鋼橋》課程正處于起步階段，目前，《鋼橋》課程設計參考資料較少。河海大學《鋼橋》課程已經開設多年(包括選修課階段)。在選修課階段，由于課時較少，學習要求較低，應用目前已有的相關教材基本能滿足教學需求。但自2012版教學大綱將其調整為必修課后，目前教材的適應性存在一些問題。而新鋼橋規范的頒布，也必須對原有鋼橋教材內容進行變更。為了適應當前的教學需要，河海大學橋梁工程研究所編寫了《鋼橋》教材［3］。為了配合新教材的教學，設置了課程設計實踐環節。由于《鋼橋》課程設計教學經驗缺乏，在參考了相關資料的基礎上，進行了該課程的課程設計實踐，并基于實施情況，進行了一些反思，提出了改進思路。
1鋼橋課程設計方案設置
1．1設計思路
在開展《鋼橋》課程設計之前，對《鋼橋》課程設計資料進行調研，發現《鋼橋》課程設計主要以鋼桁架鐵路橋為主，個別采用鋼箱梁的課程設計也是采用計算軟件進行分析，對于尚未學習有限元軟件的本科生來說較為困難。基于以上情況，嘗試采用土木工程類基本軟件可計算的連續梁鋼箱梁橋的《鋼橋》課程設計。課程設計采用三跨連續鋼箱梁橋，重點設計為橋面系部分。由于課時限制，不關注基礎與橋墩的計算，內容由其他課程設計進行。鋼箱梁設定為單箱鋼箱梁，內容主要包括基本設計資料與截面擬定、主梁的內力計算、結構剛度驗算、結構應力計算、橋面系計算、次要構件計算以及設計圖和材料表繪制。計算內容與橋梁工程課程設計和鋼結構課程設計存在交叉，并緊密銜接鋼橋知識點。主要內容為橋面系的計算，重點突出鋼橋相關計算，包括加勁肋的驗算、橫隔板的驗算、剛度與應力驗算。與最新出臺的《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTGD64－2015)相結合，強化設計過程中的規范應用。
1．2設計方案
課程設計時長為8天，要求學生在較短的時間內完成從查閱相關資料、基本資料設計、界面擬定到應力、剛度等驗算內容，時間較為緊迫。對此，我們對《鋼橋》課程設計方案進行了如下安排。因本次課程設計對象為本科生，學生所掌握的求解方法與應用軟件較少。遇到的較大的問題有超靜定結構的求解、加勁肋的驗算與橋面系的內力計算三個方面。
1．3問題解決方案
1．3．1超靜定結構求解
因采用三跨連續梁，故需要進行超靜定計算。雖然學生在《橋梁工程》課程設計中有進行內力計算，但是大多數《橋梁工程》課程設計均采用簡支梁橋，內力計算時為靜定結構，學生手算即可。但是對于連續梁橋超靜定結構，雖可采用結構力學方法進行計算，但是計算內容過多且難度很大。因此，在此次課程設計中采用了一種可計算超靜定結構的力學軟件進行計算。學生只需將尺寸、荷載等數據輸入進軟件中，并且確認最不利荷載布置方法即可進行超靜定計算。既完成了對連續梁超靜定結構的內力計算，又讓學生鞏固了結構力學中影響線的概念。
1．3．2加勁肋驗算
加勁肋是鋼箱梁橋的一大特征，所以《鋼橋》課程設計中必然涉及到加勁肋的驗算。《公路鋼橋設計規范》5．1．6中對加勁肋的驗算方法進行了詳細的說明。但是，對于對鋼結構橋梁構造了解較少的本科生來說，對加勁肋進行驗算時，大部分學生在設計中都難以做到綜合考慮和“瞻前顧后"，經常出現設計參數前后矛盾的現象［4］，導致學生將大量的時間浪費在調整尺寸構造上。所以，在進行加勁肋的計算前，筆者將幾座類似橋型的構造參數發給學生，讓學生對加勁肋的構造參數有一個基本的認知，并提供參考。
1．3．3橋面系的內力計算
本次課程設計最大的難點在于橋面系的內力計算。正交異性鋼橋面板剛度在互相垂直的二個方向上有所不同［3］，造成構造上的各向異性因為“加勁肋"鋼箱梁這一特殊構造的存在，使得橋面系的計算變得極其復雜。對于正交異性鋼橋面板的求解通常使用計算機軟件進行求解，采用了很多新的數值法，對于尚未學習有限元軟件分析的本科生驗算是比較困難的。目前橋面系的計算方法主要有兩種，分別是P．E(Pelikan-Esslinger)法與格子梁體系法。對于本科生來說，P．E法求解正交異性鋼橋面板較難理解且利用較多的高等數學的知識，當荷載分布較復雜時難度過大。格子梁法通常采用有效分布寬度的方法計算［5］，仍需配合有限元軟件進行計算。筆者基于以上情況，提出了一種針對閉口加勁肋的簡化箱梁方法，計算分為三個步驟。第一步:簡化為連續梁的荷載的計算。取兩個橫隔板間的加勁肋進行考慮，將橋面板進行簡化，將閉口加勁肋與橋面板焊接部位簡化成為一個剛性支座，在橫隔板處簡化為固定支座。當縱向加勁肋布置的間距較小時，簡化后的連續梁剛性支座過多，作用在其上的彎矩和剪力都很小，所以當縱向加勁肋的間距較小時可不進行縱向加勁肋的驗算，只需要考慮橫向加勁肋的驗算。第二步:將閉口加勁肋簡化為箱梁。閉口加勁肋的形狀與斜腹板箱梁的形狀基本一致，故可以將閉口加勁肋看作是一個小的斜腹板鋼箱梁，但是箱梁存在剪力滯效應，所以閉口加勁肋的翼緣需要根據《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTGD64－2015)進行計算得到翼緣有效寬度。第三步:荷載組合與修正計算。根據前兩步驟的計算可以得到荷載與閉口加勁肋的界面特性。但是針對閉口加勁肋的簡化箱梁方法存在一定誤差，且需要考慮到汽車荷載的沖擊作用，故需要將荷載進行組合和修正。通過該方法，學生利用現有知識即可求解橋面系，加深了對剪力滯效應的理解，并熟悉了新版的《公路鋼結構橋梁設計規范》(JTGD64－2015)。
1．4效果評價機制
為了培養學生的獨立思考能力，避免學生在設計過程中出現抄襲現象，在課程設計中可采用分組設計和一人一題的方法［6］。本次課程設計分為綜合設計計算書與答辯兩個方面對學生課程設計效果進行考察。其中計算設計書要求學生制定詳細的方案，大到橋梁整體布局，小到加勁肋的設計、變截面的尺寸變化。要求學生能完成設計圖紙的繪制與材料表的計算。但是，僅僅依靠設計書對學生課程設計進行評價比較片面，學生可能存在懂得算法卻不懂得原理的現象，因此要真實客觀地反映學生的學習成果，就要綜合考慮各個影響課程設計效果的環節，比如可以借鑒畢業設計考核方式，增設學生的課堂答辯［6］，并要求學生對本次課程設計的方案進行評價與建議。
2實踐問題總結
2．1實施效果
課程設計結束后，學生對此次課程設計進行了評價。對于現在少有的鋼箱梁連續梁橋課程設計，網上資料少、計算難度大都是這次課程設計的問題。為了解決超靜定問題與鋼箱梁的截面特性問題同學們搜集了許多資料，試用了許多軟件最終確定計算方法，鍛煉了學生主動學習探索的思維與創新能力。在課程設計答辯中，加入了許多鋼箱梁特性的問題，體現了本次課設的特色，例如剪力滯效應、橋面系簡化算法的思路等。通過答辯發現學生們對剪力滯效應的概念十分清晰，達到了利用所學知識解決問題的效果。本次課程設計囊括了橋梁工程、鋼結構、結構力學的知識。整個課程設計以橋梁工程知識為主線，主梁內力計算需要結構力學知識、加勁肋與頂板的焊縫驗算也需要掌握鋼結構的內容，本次課程設計達到了將知識進行整合利用的效果。課程結束后，學生評價良好，依托《鋼橋》及其課程設計教學，筆者獲得土木與交通學院第四屆“我最喜愛的任課教師"第三名。
2．2存在的問題
(1)本次課程設計雖然每位同學的工況及參數都有所不同，但是計算過程方法相同，計算內容相似，計算結果相差不大，對于不同工況的部分學生為了計算方便采用相同的截面形式，存在雷同現象。繪制圖紙時發現學生將已有做好的圖紙進行修改，并沒有從始至終地繪制一幅完整的設計圖紙，沒有達到讓學生親力親為地設計一座橋梁的效果。(2)本次課程設計為了適應本科生所學知識采用了較多的簡化算法，計算結果誤差可能較大。大多采用簡單易行、功能單一的軟件計算，缺乏使用新技術新軟件的的意識。(3)課程設計的探索過程主要由班里成績較好的學生進行，待其確定計算方法后其余學生再開始計算，缺少了讓每一同學探索、創新的過程。應加強不同層次需求和不同基礎的學生全面鍛煉的訓練［7］。
2．3改進方案
(1)在設計中安排多種工況。例如要求鋼箱梁分為直腹板與斜腹板，對設計車道有所區分等。讓每個學生既要獨立思考，又可以和同學進行交流合作。(2)將邁達斯等計算軟件課程提至鋼橋課程設計之前，讓學生既能夠準確計算又能夠熟悉計算軟件的使用方法，為以后的設計工作奠定基礎。(3)改進反饋答辯機制，答辯時要考察學生理解整個課程設計的設計思路，將學生共同的學習成果全部吸收，增強對知識的理解與認知。(4)定期檢查學生對資料文獻的閱讀情況，結合設計題目進行分析，選擇與題目相適應的內容運用到設計中，培養學生“查－閱－析－用"的自主學習模式［4］。
3結語
本次《鋼橋》課程設計不同于現有《鋼橋》課程設計模板，提出了更適合于學習公路橋梁和知識儲備量較少的本科生。讓學生從提出方案到設計計算，全面體驗設計一座橋梁的過程，為以后步入工作崗位奠定基礎。在課程設計過程中，要求學生查閱文獻、提出計算方法并進行驗算，真正做到回歸工程本質，平衡工程教育課程中“理論"與“實踐"內容，構建集知識、技能和態度“三位一體"的課程目標，優化了課程結構，以應對知識經濟對我國工程人才培養質量的挑戰。
作者：傅中秋 吉伯海 姚悅 單位：河海大學
［參考文獻］
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［3］吉伯海，傅中秋．鋼橋［M］．北京:人民交通出版社，2016．
［4］吳仁倫，楊勝利．《礦山壓力與巖層控制》課程設計教學改革與實踐［J］．教育教學論壇，2016，(6):139－140．
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［6］余衛華，王正中，蔡坤．鋼結構課程設計教學改革與實踐［J］．高等建筑教育，2015，24(1):69－71．
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