編程計(jì)算在高職鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

杭振園, 陸森強(qiáng), 談家輝, 王 凱, 范信鑫, 祁麟亞

(浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 杭州 311112)

0 引 言

《鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)》是高職院校鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)必修的一門專業(yè)核心課程，具有理論公式多、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜、設(shè)計(jì)結(jié)果多樣性、工程實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)[1-2]。高職院校中該課程的培養(yǎng)目標(biāo)是使學(xué)生掌握鋼結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)和了解鋼結(jié)構(gòu)的基本原理，能夠應(yīng)用規(guī)范進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)核工作，具備一定解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。然而，一方面，高等職業(yè)院校生源質(zhì)量與高等院校有較大差距，學(xué)習(xí)基礎(chǔ)參差不齊，學(xué)習(xí)積極性不高，接受新知識(shí)能力較差，刻苦鉆研的精神不濃，但高職院校學(xué)生的動(dòng)手能力以及對(duì)運(yùn)用電腦的能力普遍較強(qiáng)，所以教學(xué)模式不能照搬本科院校成熟的方法和經(jīng)驗(yàn)；另一方面，根據(jù)相關(guān)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鋼結(jié)構(gòu)項(xiàng)目中整體結(jié)構(gòu)的分析主要采用PKPM、MIDAS、SAP2000等軟件進(jìn)行計(jì)算，局部構(gòu)件或者節(jié)點(diǎn)的受力分析和復(fù)核以及結(jié)構(gòu)附屬物的安全驗(yàn)算等往往采用手算方式，《鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)》課程教學(xué)中多以局部構(gòu)件的設(shè)計(jì)和驗(yàn)算為主，但鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算公式復(fù)雜繁瑣，手算不僅會(huì)浪費(fèi)學(xué)生大量的時(shí)間和精力，計(jì)算結(jié)果也存在較高的出錯(cuò)率，這大大影響學(xué)生對(duì)鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)信心和鋼結(jié)構(gòu)專業(yè)的認(rèn)可度。因此，如何激發(fā)高職院校學(xué)生對(duì)《鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)》課程的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)他們對(duì)繁瑣知識(shí)鏈的學(xué)習(xí)信心，提高他們對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解以及解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力，這是作為任課教師所關(guān)注的問(wèn)題。

基于此，利用Excel軟件強(qiáng)大的編程及計(jì)算功能，以《鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)》課程中直角角焊縫設(shè)計(jì)和構(gòu)造為例，對(duì)該課課程教學(xué)改革進(jìn)行了初步的探索。通過(guò)對(duì)課堂效果和課后作業(yè)完成情況的觀察，發(fā)現(xiàn)該方法可以大大調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，增強(qiáng)學(xué)生的領(lǐng)悟能力和邏輯能力，可以培養(yǎng)并發(fā)揮學(xué)生的主動(dòng)專研的創(chuàng)造能力，為學(xué)生的頂崗實(shí)習(xí)和工作打下良好的基礎(chǔ)。

1 理論依據(jù)

以規(guī)范《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003[3]和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ99-2015[4]為依據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生編寫了直角角焊縫Excel設(shè)計(jì)表格。直角角焊縫類型主要包括：正面直角角焊縫、側(cè)面直角角焊縫、正側(cè)組合型直角角焊縫以及復(fù)雜受力型直角角焊縫，其承載力計(jì)算和構(gòu)造設(shè)計(jì)可以解決直角角焊縫設(shè)計(jì)和復(fù)核兩類問(wèn)題，本文僅討論直角角焊縫的設(shè)計(jì)，其承載力和構(gòu)造復(fù)核可采用相同的方法解決。

1.1 基本公式

正面直角角焊縫的計(jì)算公式見(jiàn)式(1)：

(1)

側(cè)面直角角焊縫的計(jì)算公式見(jiàn)式(2)：

(2)

復(fù)雜應(yīng)力下直角角焊縫的計(jì)算公式見(jiàn)式(3)：

(3)

1.2 構(gòu)造要求

(2)hf不宜大于較薄焊件厚度的1.2倍(鋼管結(jié)構(gòu)除外)；在板邊緣的直角角焊縫，當(dāng)板厚t≤6mm，hf≤t；當(dāng)t>6mm時(shí)，hf≥t-(1→2)mm。圓孔或槽孔內(nèi)的hf不宜大于圓孔直徑的1/3或槽孔短徑的1/3。

(3)側(cè)縫和端縫的計(jì)算長(zhǎng)度不得小于8hf和40mm；側(cè)縫的計(jì)算長(zhǎng)度也不宜大于60hf。當(dāng)大于上述規(guī)定時(shí)，其超過(guò)部分在計(jì)算中不予考慮。

(4)當(dāng)構(gòu)件用兩邊側(cè)縫連接時(shí)，每條側(cè)縫長(zhǎng)度不宜小于兩側(cè)縫之間的距離，同時(shí)兩側(cè)縫之間的距離不宜大于16t(當(dāng)t>12mm)或190mm(當(dāng)t≤12mm)，t為較薄焊件的厚度。

1.3 計(jì)算流程

直角角焊縫計(jì)算流程如圖1所示，主要包括：第一步，根據(jù)工程或題目要求選擇角焊縫的類型；第二步，確定直角角焊縫設(shè)計(jì)所需的參數(shù)(包括材料，焊條型號(hào)，焊接工藝等)；第三步，進(jìn)行構(gòu)造設(shè)計(jì)和復(fù)核，如不符合構(gòu)造要求，返回第二步；第四步，根據(jù)理論公式進(jìn)行計(jì)算，如滿足要求，整理歸納設(shè)計(jì)結(jié)果，如不滿足要求，返回第二步。

圖1 計(jì)算流程圖

2 Excel編程應(yīng)用和成果

基于設(shè)計(jì)直角角焊縫時(shí)所需的理論公式、構(gòu)造要求和計(jì)算流程，任課教師結(jié)合對(duì)課本例題或?qū)嶋H工程問(wèn)題的講解，基本可以達(dá)到課程教學(xué)的要求。但經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一旦問(wèn)題稍有改變，大多學(xué)生缺乏獨(dú)自思考問(wèn)題的能力，不能靈活掌握及運(yùn)用理論知識(shí)，達(dá)不到課程教學(xué)的目的。

利用Excel對(duì)浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院2015級(jí)的鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)課堂改革進(jìn)行了初步的探索，課后，對(duì)2015級(jí)1班的37個(gè)學(xué)生進(jìn)行了為期4周共20課時(shí)的Excel基礎(chǔ)編程培訓(xùn)，將學(xué)生分為8組，每組4～5人，結(jié)合理論知識(shí)指導(dǎo)學(xué)生編制直角角焊縫的Excel設(shè)計(jì)表格，旨在將相關(guān)知識(shí)點(diǎn)講解透徹，調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生更好地掌握設(shè)計(jì)直角角焊縫的理論知識(shí)和流程。

以下為第5組成員(談家輝、范信鑫、劉東美、金麗娜編寫，王凱復(fù)核)設(shè)計(jì)的直角角焊縫的計(jì)算表格，其中計(jì)算類型1為正面角焊縫，計(jì)算類型2為側(cè)面角焊縫，計(jì)算類型3為正面、側(cè)面角焊縫組合焊縫，計(jì)算類型為4為復(fù)雜應(yīng)力的正面、側(cè)面角焊縫；計(jì)算類型、繞角焊、焊接方式、焊條、邊緣角焊縫、鋼材牌號(hào)、βf、焊縫類別為下拉欄，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇；t1、t2、l、hf等已知、偏心e、b、tw、t等為輸入欄，需手動(dòng)輸入。

2.1 正面直角角焊縫

如表1所示，選擇輸入：計(jì)算類型選1、手工焊、非低氫焊條、Q235、t2=14mm、t1=20mm、N=350kN、l=600mm、βf=1.22、截面模量類別為兩條、e=30mm，根據(jù)構(gòu)造要求取hf=8mm，取l=600mm。計(jì)算結(jié)果：直角角焊縫最大正應(yīng)力為114.76MPa，滿足要求，故hf=8mm是正確的(Excel表中綠底色單元格需要人工輸入?yún)?shù)，下同)。

表1正面直角角焊縫計(jì)算圖表

2.2 側(cè)面(組合)直角角焊縫

(1)僅設(shè)側(cè)面直角角焊縫

如圖2所示，選擇輸入：計(jì)算類型選2、手工焊、非低氫焊條、Q235、t1=16mm、t2=18mm、N=619.2kN(計(jì)算所得)，根據(jù)構(gòu)造要求取hf=8mm：計(jì)算結(jié)果：lw=691mm，單條l=365mm(取整)，滿足要求。

表2側(cè)面直角角焊縫計(jì)算圖表

(2)設(shè)側(cè)面+正面組合直角角焊縫

如圖3所示，選擇輸入：計(jì)算類型選3、手工焊、非低氫焊條、Q235、t1=16mm、t2=18mm、N=619.2kN(計(jì)算所得)，根據(jù)構(gòu)造要求取hf=8mm，取正面直角角焊縫總長(zhǎng)度l=180mm，計(jì)算結(jié)果：lw=471mm，單條l=245mm(取整)，滿足要求。

表3組合面直角角焊縫計(jì)算圖表

2.3 復(fù)雜應(yīng)力下的直角角焊縫

圖2 復(fù)雜應(yīng)力下直角角焊縫計(jì)算圖

如表4所示，選擇輸入：計(jì)算類型選2、手工焊、非低氫焊條、Q235、t1=16mm、t2=10mm、F=470kN、e=500mm、角度為90°、焊縫類型：“工”428×200×10×14(工字型截面尺寸參數(shù))、lwx=200、lws=200，根據(jù)構(gòu)造要求取hf=8mm。計(jì)算結(jié)果：綜合應(yīng)力為194.2MPa，不滿足強(qiáng)度要求；選擇hf=10mm，綜合應(yīng)力為159.7MPa，滿足強(qiáng)度需要。

表4復(fù)雜應(yīng)力下直角角焊縫計(jì)算圖表

以上為學(xué)生編寫的直角角焊縫在不同受力狀態(tài)下的Excel設(shè)計(jì)程序，改變上述案例中任意初始荷載和焊接工藝以及焊腳構(gòu)造高度等參數(shù)，Excel表格將會(huì)自動(dòng)判斷焊縫是否滿足承載力設(shè)計(jì)要求和構(gòu)造要求或設(shè)計(jì)得到焊縫的長(zhǎng)度，該表格具有計(jì)算效率高、簡(jiǎn)單、精確等優(yōu)點(diǎn)，可以為學(xué)生計(jì)算節(jié)省大量的精力和時(shí)間。

學(xué)生通過(guò)編寫直角角焊縫Excel計(jì)算表格，體會(huì)到了鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)工作的真諦——任何設(shè)計(jì)問(wèn)題需要進(jìn)行全面考慮，復(fù)雜繁瑣、理論性強(qiáng)的工作需要進(jìn)行簡(jiǎn)化、分割和再整和，才能夠樂(lè)在“學(xué)”中、學(xué)在“用”中、舉一反三。因此，在鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)課程中引入Excel編程可以訓(xùn)練學(xué)生的解題能力，還可以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)自分析、解決問(wèn)題以及創(chuàng)新能力。

3 結(jié) 語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)是一門具有很強(qiáng)理論性和實(shí)踐性的專業(yè)核心課程，結(jié)合Excel編程功能進(jìn)行課堂教學(xué)改革，可以激發(fā)學(xué)生在“學(xué)”和“用”中的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)新性，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)課程理論知識(shí)的理解和思考問(wèn)題的全面性以及計(jì)算邏輯能力，對(duì)提高鋼結(jié)構(gòu)原理與設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量起到了很好的推動(dòng)作用，為學(xué)生畢業(yè)后從事鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作奠定良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn):

[1] 張磊,李忠學(xué),趙偉.面向土木工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)班的鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)改革構(gòu)想[J].高等建筑教育,2009,18(2):110-113.

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