概念结构力学教育研究与实践

  关键词：概念结构力学；教学改革；土木工程
 

  结构力学是土木工程、水利水电工程、农业水利工程等专业的一门非常重要的专业基础课。其任务是掌握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，主要培养结构分析、计算等方面的能力，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使用，经典结构力学已不能满足市场的需求，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许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“ 精于计算而疏于判断”，不能迅速对建筑师的设计进行评价、批判。结构力学在土木、水工等专业占有特别重要的位置。 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使用，结构力学的一些手算方法 （ 如力矩分配法、D 值法等） 已失去原有的重要性。 与过去的教育理念不同，现在注重学生应用知识解决问题的能力。不少单位要求本科毕业生具备熟练使用某种计算软件（ SAP2000、ANSYS、PKPM、Midas 等） 的能力，市场的需求直接推动了计算结构力学的快速发展。结构计算软件功能强大，满足了学生计算复杂结构的要求，但也带来了困惑：如何判断计算结果好坏？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“ 创造一个优秀的结构”服务的，而经典结构力学、计算结构力学则偏向“ 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判断，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。瑞士著名结构大师 Prod. GertrudeStein 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、经验、判断力和最新观念来主导设计。 ”功能强大的结构计算软件满足了学生、设计人员计算复杂结构的要求，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（ 包括几何尺寸、物理参数和荷载等） ，特别是结构边界条件（ 刚接、铰接和半刚接等）的拟定与实际不符，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判断与把握。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判断；为构造协同工作能力强的结构提供概念服务。 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判断，提高、训练判断力，将学生的精力主要集中在事物的因果关系上，而不是消耗在复杂的运算之中。

  （ 一） 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变化趋势，使学生彻底理清每根杆件在桁架结构中所起的作用。

  （ 二） 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，判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。 采用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结构设计方案，方案优选不仅仅体现了方案的经济性与可靠性，同时亦有效避免了设计后期的烦琐计算。著名的巴黎埃菲尔铁塔，总高 324 米。 该结构具有造型优美、受力合理、建筑结构完美统一的特点。从受力角度来看，铁塔可看成是嵌固在地上的悬臂梁，风载是其主要控制荷载，因铁塔总体外形与风载作用下的弯矩图（ 见图 1） 十分相似，因此充分发挥了塔身材料的强度与刚度，受力非常之合理。

  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。该建筑是两栋形状 相 似 的 110 层 方 形 塔 楼 ， 高 412m， 平 面 尺 寸 为63.5m×63.5m，采用筒中筒结构，外筒为密柱框筒。 总体高宽比 h/d=412m/63.5m=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：（ 1） 塔楼看作嵌固于地面的悬臂梁；（ 2） 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；（ 3） 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；（ 4） 风载取均值。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/（ 8EI） ，框筒箱形截面柱是变截面柱，底部柱截面大，上截面越小，近似认为柱顶截面为 0 的均匀变截面构件，则变形要比等截面构件大些，顶端侧移△=qh4/（ 2EI） ，根据该式即可判断侧移是否满足相关要求。 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，合理控制结构的高宽比。

  （ 三） 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，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。