以教學(xué)效果為中心的鋼結(jié)構(gòu)連接教學(xué)研究

劉占科 孫偉

摘要：基于“以教學(xué)效果為中心”的教學(xué)思想，采用表格對(duì)比、圖例對(duì)比等多種方法，開(kāi)展鋼結(jié)構(gòu)連接的教學(xué)研究。教學(xué)實(shí)踐表明，此次探討的講授方法可以促進(jìn)學(xué)生深刻理解《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）中的相關(guān)條文，較為扎實(shí)地掌握課堂上講授的知識(shí)，為今后從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工等工作奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)連接;設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn);焊縫連接;螺栓連接;教學(xué)效果

中圖分類號(hào)：G6420;TU391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2019）01-0073-10

歷經(jīng)了“以教師為中心”到“以學(xué)生為中心”的教學(xué)思想轉(zhuǎn)變后，中國(guó)很多高校已著手革新課程教學(xué)方式，且取得了良好的教學(xué)效果[1]。筆者認(rèn)為，無(wú)論是“以教師為中心”還是“以學(xué)生為中心”，其目的都是以教學(xué)效果為中心，即通過(guò)參與課堂的主體和客體，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的傳遞、思想的傳播以及文明的傳承。

鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是土木工程專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課[2-4]，其教學(xué)內(nèi)容包含了連接、構(gòu)件、構(gòu)造等諸多知識(shí)，蘊(yùn)含了中外學(xué)者的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，凝聚著鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的現(xiàn)代文明。鋼結(jié)構(gòu)連接的教學(xué)內(nèi)容由焊縫連接、螺栓連接等幾部分組成，由于鋼結(jié)構(gòu)連接的種類多，計(jì)算公式量大，在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生完成連接的學(xué)習(xí)后，仍存在較多問(wèn)題。此外，由于教科書(shū)對(duì)與其對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的每一條都“奉為圭臬，只能遵守，不能違反或質(zhì)疑”[5]，也不利于學(xué)生質(zhì)疑精神和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

為解決學(xué)生學(xué)習(xí)鋼結(jié)構(gòu)連接中存在的問(wèn)題，基于“以教學(xué)效果為中心”的教學(xué)思想，采用了“回頭看”、“向前看”、表格對(duì)比、圖例對(duì)比等多種方法，開(kāi)展了鋼結(jié)構(gòu)連接的講授。其中，“回頭看”是指通過(guò)對(duì)比新舊版本《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)于同一內(nèi)容的規(guī)定，了解相關(guān)內(nèi)容的歷史沿革。而“向前看”則是通過(guò)對(duì)比中國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，培養(yǎng)學(xué)生的國(guó)際視野，或通過(guò)引入國(guó)內(nèi)外最新的研究成果，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣。通過(guò)以上教學(xué)方式，可以幫助學(xué)生更好地掌握鋼結(jié)構(gòu)連接的教學(xué)內(nèi)容，取得良好的教學(xué)效果。

一、焊縫連接的教學(xué)方法

（一）焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度

鋼結(jié)構(gòu)的焊縫連接分為對(duì)接焊縫和角焊縫兩種形式，其中對(duì)接焊縫的計(jì)算相對(duì)簡(jiǎn)單，需要給學(xué)生強(qiáng)調(diào)的是使用或不使用引弧板時(shí)焊縫計(jì)算長(zhǎng)度的問(wèn)題。然而，部分學(xué)生學(xué)習(xí)了角焊縫計(jì)算長(zhǎng)度的相關(guān)規(guī)定后，發(fā)現(xiàn)對(duì)接焊縫和角焊縫在不使用引弧板的情況下計(jì)算規(guī)定不一樣，甚至有的學(xué)生經(jīng)?；煜齼蓚€(gè)規(guī)定，導(dǎo)致在計(jì)算焊縫承載力時(shí)誤用。

為講解焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度，采用了“回頭看”與圖例對(duì)比相結(jié)合的方法。首先介紹《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ 17—88）[6]（簡(jiǎn)稱“88規(guī)范”）第7.1.1條的內(nèi)容“當(dāng)對(duì)接焊縫無(wú)法采用引弧板時(shí)，每條焊縫的長(zhǎng)度計(jì)算時(shí)應(yīng)各減去10 mm”和第7.1.2條規(guī)定“每條角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度取其實(shí)際長(zhǎng)度減去10 mm”。而后給出《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50017—2003）[7]

通過(guò)對(duì)比新舊版《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)焊縫計(jì)算長(zhǎng)度的規(guī)定，并解釋其變化原因，學(xué)生即可了解由88規(guī)范的10 mm到03規(guī)范的2t或2hf這一變化是為了更準(zhǔn)確地考慮焊接起落弧的影響。

細(xì)心的學(xué)生至此可能會(huì)提出疑問(wèn)，為什么對(duì)接焊縫與角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度公式不一致，難道還有其他考慮？事實(shí)上，只要分析式（1）中t的本質(zhì)即可獲知兩個(gè)公式是完全一致的。對(duì)于對(duì)接焊縫的高度，03規(guī)范規(guī)定應(yīng)取被連接板件中的較小值，因此，式（1）中t是用被連接板件的厚度指代對(duì)接焊縫的厚度，而角焊縫與被連接板件相接的厚度為hf（圖1），故角焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度應(yīng)按式（2）計(jì)算。也就是說(shuō)，式（1）和式（2）是完全一致的，都為焊縫的幾何長(zhǎng)度l減去2倍的與被連接板件相接的焊縫高度。

或許學(xué)生并不滿意這一解釋，其理由為對(duì)接焊縫的受力面積為lwt，而角焊縫的受力面積為lwhe，式（2）中的hf應(yīng)替換為he。持有這種意見(jiàn)的學(xué)生是因?yàn)榛煜擞?jì)算長(zhǎng)度與焊縫承載力計(jì)算的概念。計(jì)算長(zhǎng)度考慮了起落弧的影響，而焊接時(shí)起落弧發(fā)生在被連接板件上，故考慮其影響時(shí)應(yīng)以焊縫與被連接板件相接的高度為準(zhǔn)。按照這種思路給學(xué)生講授焊縫的計(jì)算長(zhǎng)度，學(xué)生能較為深刻地理解相關(guān)規(guī)定，避免計(jì)算時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。

（二）直角角焊縫的基本計(jì)算公式

直角角焊縫的基本計(jì)算公式是角焊縫承載力計(jì)算中最為重要的公式，但由于焊縫有效截面上同時(shí)有正應(yīng)力σ⊥和剪應(yīng)力τ⊥、τ∥[8]，推導(dǎo)過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。講授時(shí)可先講側(cè)面角焊縫承載力公式的推導(dǎo)（圖2（a）），再講正面角焊縫承載力公式的推導(dǎo)（圖2（b）），最后給出圖2（c）所示的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的角焊縫并推導(dǎo)其計(jì)算公式，可實(shí)現(xiàn)較好的教學(xué)效果。

（三）角鋼連接的內(nèi)力分配系數(shù)

（四）角焊縫拼接連接的內(nèi)力分析

對(duì)于由板Ⅰ、板Ⅱ、板Ⅲ和板Ⅳ通過(guò)焊縫1～12組成的拼接連接（圖8），教學(xué)中發(fā)現(xiàn)部分學(xué)生雖然能通過(guò)計(jì)算得到準(zhǔn)確的承載力設(shè)計(jì)值，但是計(jì)算對(duì)象的選擇上卻有誤。圖8中“板Ⅲ”表示圖8（a）中可見(jiàn)的板件，“（板Ⅳ）”表示圖8（a）中不可見(jiàn)的板件。同樣， “1”表示板Ⅲ的焊縫，“（4）”表示板Ⅲ的對(duì)面即板Ⅳ上的焊縫。

計(jì)算對(duì)象選擇有誤表現(xiàn)為：表2中正確的a方案計(jì)算編號(hào)為1～6焊縫的承載力或編號(hào)為7～12焊縫的承載力，b方案計(jì)算的是1～3和7～9，或4～6和10～12。顯然，錯(cuò)選b方案是由于學(xué)生對(duì)傳力概念和傳力路徑概念不清晰。

在學(xué)生對(duì)焊縫進(jìn)行準(zhǔn)確分類后，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)圖8的連接進(jìn)行傳力分析并繪制傳力路徑（圖9）。由圖9可以看出，內(nèi)力Nv是從板Ⅰ傳遞至板Ⅱ的，其傳遞依靠的是板Ⅲ和板Ⅳ以及表3中的焊縫，其中板Ⅲ或板Ⅳ傳遞的內(nèi)力均為Nv/2。顯然，表2的b方案是把處于連接兩側(cè)的焊縫混在一起計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果雖然可判定連接是否能安全傳遞Nv，但事實(shí)上與方案b中焊縫相連的板Ⅲ或板Ⅳ傳遞的內(nèi)力僅為Nv/2，因此方案b是有誤的。通過(guò)表3和圖9的深入分析，學(xué)生不但可以從表2中選擇正確的計(jì)算方案a，而且熟悉了傳力路徑的分析。

二、螺栓連接的教學(xué)方法

（一）抗剪連接中螺栓的受力對(duì)比

與焊縫連接類似，受力分析或內(nèi)力分析對(duì)于螺栓連接的講解同樣重要。對(duì)于螺栓抗剪連接（圖10），當(dāng)螺栓的類別不同或連接的類型不同時(shí)，螺栓上的受力是不同的，甚至不同位置的螺栓受力也不同。

圖11給出了圖10中螺栓①的受力圖，圖12給出了圖10中螺栓④的受力圖。因?yàn)槠胀菟辜暨B接中螺栓不受預(yù)拉力P，僅承受被連接板件的擠壓力，但螺栓①與螺栓④由于位置不同，其受力情況分別如圖11（a）和圖12（a）所示。對(duì)于高強(qiáng)度螺栓承壓型連接，由于螺栓上有預(yù)拉力P，故螺栓①與螺栓④上還作用有這一內(nèi)力（圖11（b）和圖12（b）），而螺栓受到的栓孔擠壓力則與普通螺栓相同。

當(dāng)圖10為高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接時(shí)，則由于承載中不允許栓桿與孔壁接觸，故栓桿不受孔壁的擠壓力，因此，螺栓①與螺栓④的受力是完全一致的，如圖11（c）和圖12（c）所示。

這種最為直觀的圖示對(duì)比可讓學(xué)生清楚地了解到抗剪連接中因螺栓不同、連接類型不同及螺栓位置不同引起的螺栓受力差異。

（二）抗剪連接中被連接板件的內(nèi)力分析

當(dāng)確定了高強(qiáng)度螺栓承壓型連接和摩擦型連接中單個(gè)螺栓的受力后，即可確定被連接板件的內(nèi)力。

對(duì)于承壓型連接（圖13（a）），內(nèi)力的傳遞依靠的是栓桿與螺栓孔孔壁的擠壓，同時(shí)螺栓孔的直徑比栓桿直徑大1.0～1.5 mm，假定栓桿與栓孔的擠壓力遍布整個(gè)栓孔縱向的1/2范圍，再根據(jù)螺栓平均傳遞所有剪力可知，板Ⅰ的內(nèi)力在螺栓①所在栓孔中部的左側(cè)均為Nv，在螺栓②所在栓孔中部的左側(cè)均為Nv/2，呈矩形階梯狀分布。板Ⅱ中矩形階梯狀的內(nèi)力則分別以螺栓③和螺栓④所在栓孔中部的右側(cè)為界限（圖13（b））。

對(duì)于摩擦型連接，由于內(nèi)力的傳遞依靠的是被連接板件之間的摩擦力，螺栓不直接參與傳遞力。根據(jù)摩擦型連接的“孔前傳力”機(jī)理，同時(shí)依據(jù)作者關(guān)于傳力面積的研究成果，假定在傳力面積范圍內(nèi)摩擦力的傳遞是均勻的，則可得到摩擦型連接中板Ⅰ、板Ⅱ以及板Ⅲ的矩形、梯形、三角形混合的階梯形內(nèi)力圖，如圖14（b）和圖14（c）所示。

在圖14（b）和圖14（c）的內(nèi)力圖中任意截面的內(nèi)力之和均為Nv，亦即由于板Ⅳ的內(nèi)力分布與板Ⅲ的內(nèi)力分布完全相同，2倍圖14（c）所得內(nèi)力與圖14（b）所得內(nèi)力之和均為Nv，因此，圖14（b）和圖14（c）的內(nèi)力圖是正確的。

（三）高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接中的凈截面

高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接中的“孔前傳力”機(jī)理是螺栓連接的又一難點(diǎn)。教科書(shū)中一般直接指出最外側(cè)螺栓處為危險(xiǎn)截面后直接給出相應(yīng)的計(jì)算式。這一論斷從圖14的各個(gè)鋼板內(nèi)力圖中很明顯就可以看出。對(duì)于這一問(wèn)題，還可采用理論分析的方法予以證明。

（四）螺栓連接的其他問(wèn)題

除了以上問(wèn)題外，螺栓連接的其他問(wèn)題有：當(dāng)螺栓孔為大圓孔或槽形孔時(shí)，如何計(jì)算孔型系數(shù);拉-剪作用下單個(gè)螺栓的承載力公式均源自試驗(yàn)研究，目前尚未有較為嚴(yán)格的理論證明;拉-剪作用下高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接螺栓群的計(jì)算尚未有與03規(guī)范中單個(gè)螺栓承載力計(jì)算形式一致的公式等。以上問(wèn)題筆者也結(jié)合自己的分析引入了課堂教學(xué)。此外，美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)ANSI/AISC 360-16[9]包含了國(guó)外有關(guān)鋼結(jié)構(gòu)連接的最新研究成果，亦可適當(dāng)選擇其中的內(nèi)容引入課堂教學(xué)。

三、結(jié)語(yǔ)

鋼結(jié)構(gòu)連接的種類多、計(jì)算公式量大，在“以教學(xué)效果為中心”的教學(xué)思想指導(dǎo)下，可以通過(guò) “回頭看”、“向前看”、表格對(duì)比、圖例對(duì)比等多種方法，開(kāi)展鋼結(jié)構(gòu)連接教學(xué)內(nèi)容的講授。教學(xué)實(shí)踐表明，越是符合認(rèn)知規(guī)律的教學(xué)設(shè)計(jì)就越能獲得良好的教學(xué)效果。同時(shí)，在教學(xué)中通過(guò)“回頭看”可以讓學(xué)生獲知《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中相關(guān)規(guī)定的歷史沿革，通過(guò)“向前看”可以讓學(xué)生了解科學(xué)研究的進(jìn)展和國(guó)外規(guī)范的內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生的科研興趣，也為今后從事結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工，特別是涉外工程的設(shè)計(jì)和施工打下較為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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