開設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的設(shè)想1)

王煥定陳再現(xiàn)

?(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150090)

?(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海),山東威海264209)

開設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的設(shè)想1)

王煥定?,2)王煥定，國家級(jí)教學(xué)名師，教授，博士生導(dǎo)師.陳再現(xiàn)?,3)陳再現(xiàn)，副教授，博士.E-mail:zaixian chen@sina.com.cn

?(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，哈爾濱150090)

?(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海),山東威海264209)

首先指出了目前結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)的現(xiàn)狀與不足，接著論述了目前教學(xué)、設(shè)計(jì)和科研中存在的兩個(gè)問題.為彌補(bǔ)其不足并提升結(jié)構(gòu)力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，提出了開設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的設(shè)想，說明了開設(shè)此課程的已有條件、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和預(yù)期達(dá)到的目的.

結(jié)構(gòu)力學(xué)，計(jì)算模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)，系統(tǒng)識(shí)別

1 目前結(jié)構(gòu)力學(xué)課程之不足

翻開任何一本結(jié)構(gòu)力學(xué)教材[12]，在緒論中都明確指出，其任務(wù)是解決結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題，目的是為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，確保結(jié)構(gòu)的安全性.由此可見，結(jié)構(gòu)力學(xué)作為力學(xué)與結(jié)構(gòu)之間的一門承上啟下課程，在土木、水利、橋梁交通等專業(yè)教學(xué)計(jì)劃中有著極其重要的作用，這是眾所周知的.

那么，結(jié)構(gòu)力學(xué)當(dāng)前的教學(xué)現(xiàn)狀如何呢？大家首先意識(shí)到的是結(jié)構(gòu)力學(xué)目前的教學(xué)不能解決結(jié)構(gòu)的力學(xué)建模問題，計(jì)算簡(jiǎn)圖都是前人很早前根據(jù)當(dāng)時(shí)的計(jì)算條件和技術(shù)水平確定的.因此，許多人試圖在結(jié)構(gòu)力學(xué)課程中增加建模能力的培養(yǎng).此想法無疑是好的.

近年來，幾乎所有結(jié)構(gòu)力學(xué)教材和教師都增加了矩陣位移法，個(gè)別學(xué)校還開設(shè)了有限單元法基礎(chǔ)等，這是與時(shí)俱進(jìn)的表現(xiàn).加之教育部推出的基本要求還有明確規(guī)定，當(dāng)然誰都不能無視矩陣位移法這一教學(xué)內(nèi)容.

此外，隨著教學(xué)改革的深入，清華大學(xué)首先提出除了要重視計(jì)算力學(xué)的電算之外，還必須增強(qiáng)學(xué)生的“腦算”——定性分析能力的培養(yǎng).經(jīng)過多年的努力，在同濟(jì)大學(xué)的配合下開出了《定性結(jié)構(gòu)力學(xué)》講座.這當(dāng)然是一項(xiàng)創(chuàng)新，是有重大意義的.但是，由于學(xué)制計(jì)劃時(shí)數(shù)所限，絕大多數(shù)學(xué)校無法將定性結(jié)構(gòu)力學(xué)納入教學(xué)計(jì)劃.只能在授課過程中盡量注意對(duì)學(xué)生“腦算”——定性分析能力的引導(dǎo).

上述這些教學(xué)改革成果很大程度上提高了結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)質(zhì)量，但也還有許多不盡人意的地方.首先，作為一門承上啟下的專業(yè)基礎(chǔ)課，在學(xué)生尚無專業(yè)知識(shí)的情況下，如何能夠承擔(dān)結(jié)構(gòu)建模之任務(wù)？至今未見有人給出被大多數(shù)人認(rèn)同的對(duì)策.

其次，建國后土木工程等學(xué)科開設(shè)的力學(xué)課程都是沿襲前蘇聯(lián)的模式，力學(xué)分成三門課程：理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué).在三門力學(xué)課程中，僅僅材料力學(xué)課程有實(shí)驗(yàn)要求.理論力學(xué)(除少量演示性實(shí)驗(yàn)外)和結(jié)構(gòu)力學(xué)都是沒有實(shí)驗(yàn)的.雖然理論力學(xué)近年也增加了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，但結(jié)構(gòu)力學(xué)仍原地踏步，仍然保持沒有實(shí)驗(yàn)的狀態(tài)，教學(xué)仍停留在教師課堂講授，學(xué)生被動(dòng)接受知識(shí)的“填鴨式”狀態(tài)，沒有體現(xiàn)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的先進(jìn)教學(xué)理念.

可能有人要說結(jié)構(gòu)力學(xué)雖然沒有實(shí)驗(yàn)，但還有一門結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)課程，因此不能說沒有結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn).筆者沒有進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，因此可能不夠準(zhǔn)確.可據(jù)我們所知，目前只有少數(shù)學(xué)校土木工程教學(xué)計(jì)劃中把它作為必修課仍然保留該課程，而絕大多數(shù)都把它作為選修課或者根本不開.即便像筆者學(xué)校,教學(xué)計(jì)劃中雖然仍開設(shè)此課程，但是由于其實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?比較大型的模型)所限，一個(gè)實(shí)驗(yàn)小組的人數(shù)恐怕也要多到二位數(shù)甚至以班為單位.因此，該課程一般只能進(jìn)行一些演示性的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生僅僅作為旁觀者觀看實(shí)驗(yàn)而已，不能很好地解決目前教學(xué)中存在的問題.

綜上所述，雖然結(jié)構(gòu)力學(xué)的教師都在勤勤懇懇地為提高學(xué)生質(zhì)量而努力，但是還有許多問題需要大家一起共同努力來克服.

2 兩個(gè)明顯的問題

任何一本《結(jié)構(gòu)力學(xué)》的緒論都會(huì)指出，為解決結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題，要將結(jié)構(gòu)進(jìn)行抽象簡(jiǎn)化，即要將復(fù)雜的實(shí)際結(jié)構(gòu)變成能用結(jié)構(gòu)力學(xué)原理、方法和技術(shù)進(jìn)行計(jì)算的“計(jì)算簡(jiǎn)圖”.并且指出確定計(jì)算簡(jiǎn)圖的原則是“既要盡可能接近實(shí)際，又要確保能夠計(jì)算”.

但遺憾的是，雖然給出了這個(gè)正確無疑的原則，卻沒有與時(shí)俱進(jìn)地介紹應(yīng)該如何利用這一原則確定某個(gè)實(shí)際結(jié)構(gòu)的計(jì)算簡(jiǎn)圖.在教學(xué)中以及實(shí)際工程設(shè)計(jì)中至今所用的計(jì)算簡(jiǎn)圖無不都是科技水平遠(yuǎn)不如當(dāng)前的前人所遺留下來的計(jì)算模型.

最具代表性的是所謂“桁架”計(jì)算簡(jiǎn)圖，限于前人當(dāng)時(shí)的計(jì)算技術(shù)水平，為滿足確保能夠計(jì)算，設(shè)計(jì)桁架結(jié)構(gòu)時(shí)要求相互連接的桿件軸線(指延長(zhǎng)線)交于一點(diǎn)，要求載荷作用在桿件相交的結(jié)點(diǎn)處.在此條件下為解決桿件的主要受力特征計(jì)算，建立了“直桿鉸結(jié)”的桁架計(jì)算簡(jiǎn)圖，幾百年來一直承襲至今沒有任何變化.

那么實(shí)際所謂桁架結(jié)構(gòu)的構(gòu)造又是如何的呢？在保留軸線交于一點(diǎn)、載荷作用于結(jié)點(diǎn)的前提下，鋼結(jié)構(gòu)桁架的桿件是通過所謂節(jié)點(diǎn)板連接的，桿件與節(jié)點(diǎn)板之間或?yàn)殂T接，或?yàn)楹附?，或?yàn)槁菟ㄟB接,哪種構(gòu)造都和計(jì)算簡(jiǎn)圖的理想鉸鏈相距甚遠(yuǎn)！鋼筋混凝土的屋架一般是整體澆筑的，同樣不存在理想化的鉸鏈連接.那么在現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)飛速發(fā)展的情況下，按“既要盡可能接近實(shí)際，又要確保能夠計(jì)算”的原則確定計(jì)算簡(jiǎn)圖，更好的計(jì)算簡(jiǎn)圖該是如何的呢？至今無人考慮，當(dāng)然也就無法回答！

可能有人根據(jù)力學(xué)知識(shí)推斷應(yīng)該是彈性連接，無疑這一推斷是正確的！但接踵而來的問題又使得提出這種推斷的人束手無策了.那就是要能計(jì)算就必須要有彈性連接的力學(xué)特征(彈性剛度)，它該如何確定呢？至今未見有人研究并提出確定它的方法.無法確定彈性連接的力學(xué)特征，當(dāng)然就無法進(jìn)行計(jì)算，也無法建立計(jì)算模型——計(jì)算簡(jiǎn)圖！

上面所說還僅僅是問題的一個(gè)方面.另一方面，隨著計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)在幾千元錢一臺(tái)的計(jì)算機(jī)無論是速度還是能解決問題的規(guī)模都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過20世紀(jì)70年代時(shí)的大型計(jì)算機(jī).隨著軟、硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，目前又出現(xiàn)了另一種傾向，那就是迷信通過計(jì)算機(jī)的計(jì)算能解決一切力學(xué)問題.

一位研究機(jī)場(chǎng)路面的美國朋友跟筆者提起，美國和其他國家一批研究機(jī)場(chǎng)路面的頂級(jí)專家，試圖通過計(jì)算力學(xué)的計(jì)算來得到機(jī)場(chǎng)路面在大型飛機(jī)載荷下任意一點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)力！然后以此為依據(jù)來建立設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(或稱規(guī)范).

但這些所謂頂級(jí)專家似乎忘記了一點(diǎn)，不管是剛性路面還是柔性路面都是多種材料組分混雜而成的，各種組分在路面中的位置是隨機(jī)分布的.以剛性的混凝土路面為例，混凝土由骨料、水泥、砂子、添加劑和水混雜而成，對(duì)機(jī)場(chǎng)路面來說還配有鋼筋，目前所用的所謂鋼筋混凝土的力學(xué)性質(zhì)是由混合體的宏觀力學(xué)特征統(tǒng)計(jì)值來確定的.這一力學(xué)特性對(duì)整體宏觀受力和變形響應(yīng)來說能較好反應(yīng)實(shí)際情況(當(dāng)然是指在恰當(dāng)?shù)挠?jì)算模型前提下的結(jié)果).但是這一結(jié)果絕對(duì)不是混凝土中“任意一點(diǎn)處的實(shí)際受力和變形”！如果某次實(shí)驗(yàn)所研究的點(diǎn)正好是骨料，而另一次實(shí)驗(yàn)位置卻可能是砂漿、也可能是空隙、也可能是鋼筋，即使計(jì)算機(jī)計(jì)算速度再快、你所用計(jì)算理論精度再高，結(jié)果顯而易見是不可能一樣的！因?yàn)槲覀儾豢赡苤澜M成混合體的各種組分在整體中是如何分布的(而且組分的形態(tài)還是隨機(jī)的)，也不可能使?jié)仓膬蓧K路面板的組分具有完全相同的形狀和分布位置.可是，力學(xué)計(jì)算要用到材料每點(diǎn)處的本構(gòu)關(guān)系，對(duì)混凝土類的結(jié)構(gòu)物來說是不可能得到它們的，因此是不可能獲得所需計(jì)算簡(jiǎn)圖的，當(dāng)然也是不可能計(jì)算的.

綜上所說，在目前的教學(xué)、研究和設(shè)計(jì)中存在兩大問題：(1)認(rèn)為前人所建立的計(jì)算模型是不需要改變的，按此模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果是精確的；(2)認(rèn)為結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)分析計(jì)算是萬能的，通過所謂“精確化”分析可以得到任何結(jié)構(gòu)任何一點(diǎn)的真實(shí)受力和變形.

3 開設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)的設(shè)想和目的

為了解決上述問題，本文提出了配合結(jié)構(gòu)力學(xué)現(xiàn)有教學(xué)內(nèi)容，增設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的設(shè)想.實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)是結(jié)構(gòu)力學(xué)的補(bǔ)充，但也是一項(xiàng)創(chuàng)新.它彌補(bǔ)了結(jié)構(gòu)力學(xué)沒有實(shí)驗(yàn)和多數(shù)學(xué)校不開結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)課程的不足，同時(shí)也為本科生架起了“計(jì)算簡(jiǎn)圖”通向“實(shí)際結(jié)構(gòu)”的橋梁，為其課外科研活動(dòng)和拓展性學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)，培養(yǎng)了其最為缺失的創(chuàng)新意識(shí).

為了體現(xiàn)以學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)的先進(jìn)教學(xué)理念，我們經(jīng)多方征詢意見和反復(fù)摸索，首先發(fā)明了用于開展結(jié)構(gòu)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[3](專利號(hào)：ZL 2011 1 0266352.8).該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)取名為“積木式平面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯耆蓪W(xué)生自主設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)布置完全由學(xué)生自主確定，做實(shí)驗(yàn)的時(shí)間學(xué)生自主聯(lián)系(以避免沖突)確定的做法，教師只指導(dǎo)每一次實(shí)驗(yàn)的基本要求，這就大大提高了學(xué)生的參與意識(shí)，充分體現(xiàn)學(xué)生是學(xué)習(xí)主體的思想，因而取得了事半功倍之效果.此外，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了小型化，可彌補(bǔ)大多數(shù)土木工程教學(xué)計(jì)劃中即使有也是選修課或者根本沒有結(jié)構(gòu)檢驗(yàn)課程，因?yàn)樵O(shè)備和實(shí)驗(yàn)費(fèi)用昂貴、占用場(chǎng)地大、無法大家動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的缺陷.

在已知載荷(也即作用)和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的情況下，能否確定產(chǎn)生此載荷下如此響應(yīng)的系統(tǒng)模型呢？回答當(dāng)然是可以的，這是力學(xué)的一種“反問題”——模型修正，或稱系統(tǒng)識(shí)別[45].但是，其涉及的知識(shí)儲(chǔ)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出本科生的教學(xué)內(nèi)容.為此，我們開發(fā)了配套的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)分析軟件，在我們的教材中，只介紹本科生能接受的、“反問題”中一種解法的基本思想，而將“反問題”解法的具體內(nèi)容屏蔽掉，通過軟件作為“黑盒子”供學(xué)生使用.

基于上述考慮，我們認(rèn)為開設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程可以達(dá)到如下目的：

(1)使每個(gè)學(xué)生都能在材料力學(xué)(材料力學(xué)性能，單根桿件拉壓、彎、剪、扭轉(zhuǎn)等實(shí)驗(yàn))的基礎(chǔ)上進(jìn)一步掌握桿件結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的相關(guān)儀器設(shè)備的應(yīng)用；

(2)由于實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基本涵蓋結(jié)構(gòu)力學(xué)基本要求(包含有靜定結(jié)構(gòu)受力變形實(shí)驗(yàn)、“互等定理”實(shí)驗(yàn)、超靜定結(jié)構(gòu)受力變形實(shí)驗(yàn)——力法和位移法、影響線實(shí)驗(yàn)、動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)等)，使學(xué)生在直觀、感性認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上更好地掌握結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本原理、方法和技巧，為學(xué)習(xí)土木工程專業(yè)課程打下更為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；

(3)通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生深刻體會(huì)到現(xiàn)有的“計(jì)算簡(jiǎn)圖”僅是一定前提下的抽象化簡(jiǎn)化模型，它與實(shí)際模型的受力變形等的測(cè)量結(jié)果是存在顯著差異的，從而為今后的工作或深入學(xué)習(xí)打下必要的基礎(chǔ)；

(4)知道在現(xiàn)代科技水平下，已知結(jié)構(gòu)作用和響應(yīng)，可以獲得更接近真實(shí)的結(jié)構(gòu)模型——“系統(tǒng)”.這里的關(guān)鍵是如何獲得足夠可靠的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果.同時(shí)也能扭轉(zhuǎn)在對(duì)計(jì)算力學(xué)核心知識(shí)一知半解情況下，亂用大型商用軟件做毫無意義工作的亂象.實(shí)測(cè)結(jié)果是最寶貴的，計(jì)算力學(xué)的計(jì)算結(jié)果正確與否要由實(shí)測(cè)結(jié)果來檢驗(yàn).

4 教學(xué)實(shí)踐

經(jīng)過多年的教學(xué)研究[67]，我校已經(jīng)將實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)正式納入了教學(xué)計(jì)劃，在大二春季學(xué)期結(jié)束后的小學(xué)期(夏季學(xué)期)完成，已經(jīng)在威海校區(qū)完成了兩輪興趣小組和2輪教學(xué)大綱教學(xué)實(shí)踐.學(xué)生最后完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告后，同時(shí)寫了上課的心得，可以看出獲得了較好的教學(xué)效果.

總之，通過我們近二年多的開課實(shí)踐表明，利用三學(xué)期制的短學(xué)期，開設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)課是適宜和可行的.加上我們發(fā)明的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和開發(fā)的“實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)軟件V.1.0”，為開設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，應(yīng)該完全可以達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目的.

1龍馭球，包世華.結(jié)構(gòu)力學(xué)教程.北京:高等教育出版社，2000

2王煥定，章梓茂，景瑞.結(jié)構(gòu)力學(xué).北京:高等教育出版社，2000

3陳再現(xiàn)，王煥定，王瑞.積木式平面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能萬能實(shí)驗(yàn)臺(tái)架:201110266352.8.2013-04

4 Zhang SL,Chen SF,Wang HD,et al.A model updating method for truss structure using stepwise uniform design schemes considered primary factors.Latin American Journal of Solids and Structures,2014,11(1):19-34

5 Zhang SL,Chen SF,Wang HD,et al.Model updating with a neural network method based on uniform design.Advances in Structural Engineering,2013,16(7):1207-1221

6陳再現(xiàn),王煥定,王瑞等.《實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)》教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)探究.力學(xué)與實(shí)踐，2015,37(3)：383-388

7陳再現(xiàn)，王煥定.實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)教學(xué)改革初探.力學(xué)與實(shí)踐，2015,37(6)：543-548

(責(zé)任編輯:胡漫)

O342

A

10.6052/1000-0879-15-073

2015–03–30收到第1稿，2015–05–26收到修改稿.

1)黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目、哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)校精品課程建設(shè)項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51208150)資助.

王煥定,陳再現(xiàn).開設(shè)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的設(shè)想.力學(xué)與實(shí)踐,2017,39(2):196-198 Wang Huanding,Chen Zaixian.Ideas for the teaching of experiment structure mechanics.Mechanics in Engineering, 2017,39(2):196-198