結構力學求解器在《建筑力學與結構》教學中的應用探索

結構力學求解器在《建筑力學與結構》教學中的應用探索結構力學求解器在?建筑力學與結構》教學中的應用探索

1結構力學求解器簡介

結構力學求解器是清華大學結構力學教研室研制的，它是一個面向學生、教師及項目技術人員的計算機輔助軟件，可以幫忙學生解題、驗算，可以輔助教師演示結構的受力和位移狀態(tài)，也可以輔助項目技術人員進行設計。[1]

求解器主要適用于平面桿系結構，所以只要簡化為平面桿系結構的實際結構便可通過結構力學求解器求解。它能夠分析結構的幾何構造、內力、位移、影響線、自由振動、彈性穩(wěn)定和極限荷載等。[2]

求解器雖然小巧，但是可以解決多種項目結構，如梁、拱、框架和桁架，求解器分析和解決問題的過程為：建立結構模型――輸入荷載――求解，結構力學求解器能很好的人機交互，使用者可以通過各種菜單進行命令輸入，也可以直接在編輯窗口內輸入各種命令，特別適用于初學者。

求解器強大的求解功能為結構提供了一個計算機數(shù)值實驗平臺，可幫忙學生進行力學計算，特別是針對根底單薄，同時學習能力較差的專科院校的學生，這個軟件很有必要推廣使用。求解器推出的最大意義是對教學改革的推動作用。傳統(tǒng)的結構力學根本上是面向手算的，內容體系上明顯的受到計算伎倆的限制。示例：幾何組成分析的三角形法那么、位移計算的圖乘法、力法中取靜定結構為根本體系、力矩分配法等。這些辦法、很難應用到項目中大型結構的分析當中，這就使得學生很難對大型結構的受力性能有較直觀的感受和切實的體驗，求解器的出現(xiàn)為打破這種局面提供了可能性。

2結構力學求解器的應用

很多的職業(yè)院校越來越注重實踐教學、培養(yǎng)學生的技能和塑造實用型的人才。在建筑項目技術領域，盡管更多的學生會選擇施工方面的工作，進入設計院的很少，但必要的力學計算能力和構造知識是必不可少的?？梢赃@么說，能掌握內力的分布和必要的構造知識，對提高施工質量很有幫忙。然而，構造知識容易查找，即使在學生畢業(yè)以后，也可以通過各種標準查找到相關的要求，但是，力學的分析和計算是通過自學完成有一定的難度，即便是在課堂上花了很多的時間講解，相當一局部學生還是不能很好的理解，有的當時能理解，等不到畢業(yè)就全部忘記。相比擬而言，學生對計算機的掌握要容易得多，也有學習興趣，通過實踐教學發(fā)現(xiàn)，在課堂上講解內力計算，學生學習的積極性不高，一方面是因為根底單薄，對一般平面力系不會分析，不會深刻的理解平衡的原理，通過列平衡方程來求解，另一方面，學生本身對計算有“恐懼〞心理，數(shù)字再麻煩些，學生就根本不愿意動手計算了。然而，在機房給學生講解力學求解器，根本所有的學生都會跟著操作，也會很積極的提出問題，學習積極性很高，特別是能成功求解以后，學生會有成就感，這對后面的學習非常有益。運用學生在計算機方面的特長，借助結構力學求解器軟件，幫忙學生順利完成力學計算向項目應用的過渡。近幾年的教學實踐證明，力學求解器是一個很好的教學伎倆。下面以一根外伸梁的設計為例講解結構力學求解器在?建筑力學與結構》課程教學上的應用。

題目：某鋼筋混凝土外伸梁設計

資料：某支承在磚墻上的鋼筋混凝土外伸梁〔圖1〕，擬采用混凝土強度等級C25，縱向受力鋼筋HRB400，箍筋HPB235，構造鋼筋HRB400，試設計該梁并繪制其配筋詳圖。有關數(shù)據(jù)詳見下表，不考慮抗震因素。

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注：l1――梁的簡支跨跨度；l2――梁的外伸跨度；q1――簡支跨活荷載設計值；q2――外伸跨活荷載設計值；g――樓面?zhèn)鱽淼挠谰煤奢d設計值〔不包括自重〕。

梁側、梁底抹灰分別為20mm厚的水泥砂漿和石灰砂漿。

以任務引領教學，這在很多院校都已經推廣，這種教學伎倆，以實際的工作過程為導向，鍛煉學生的實踐動手能力，同時讓學生學以致用，領會到知識的作用，體會到學習的趣味性和重要性。在?建筑力學與結構》這門課程中，通過課程整合，將力學與結構結合起來，以梁、板作為典型的受彎構件。以實際的結構設計過程為導向，以一根外伸梁設計為任務，將截面尺寸確實定、荷載計算、內力計算、配筋計算、結構施工圖繪制、鋼筋下料長度計算這六個過程分步講解練習。省去截面尺寸確定和荷載計算這兩步，可以直接來察看力學求解器在內力計算過程中的應用效果。

通過計算，以上給定條件的外伸梁，恒荷載g=42.12kN/m，活荷載有兩種情況，簡支跨q1=30kN/m，外伸跨q2=

100kN/m，荷載組合有三種情況，計算結果見圖2。

通過三種計算結果比擬，求解出最大的彎矩和剪力，用于后面配筋計算。如果手算，會察覺過程比擬復雜，首先要運用平衡的原理計算出支座反力，再運用截面法或者規(guī)律法、面積法等常用的辦法求解彎矩和剪力。數(shù)據(jù)帶有小數(shù)點，增加了計算的難度和準確度。另一方面，有些學生基本不善于手算，在完成外伸梁設計時，可能就卡在這一環(huán)節(jié)，然而，沒有內力計算的數(shù)據(jù)，后面設計步驟也無法完成。同時，這三種組合，對應的計算簡圖只是數(shù)據(jù)上的差異，其他的條件不變，這時，如果運用結構力學求解器就會很簡便。

通過輸入數(shù)據(jù)，熟練操作力學求解器的同學會發(fā)現(xiàn)，只需一次建模，后面只要修改荷載條件中荷載大小這一個數(shù)據(jù)就能很快求解三種組合，而且計算結果準確，快捷。內力計算完成，會使學生有一定的成就感，后面的配筋計算、結構施工圖繪制和鋼筋算量過程，相比而言容易掌握，教學可以持續(xù)下去。

教學實踐說明，在結構力學教學中引入結構力學求解器，提高力學教學效率，激發(fā)學生學習結構力學的興趣，加強了學生對結構力學根本概念和根本原理的理解，大大提高了解題速度。

3結語

運用結構力學求解器對實際結構進行分析時，首先要簡化為理想的計算簡圖，實際結構的受力與計算簡圖吻合，這樣可以很方便快捷的了解實際結構的真實受力狀態(tài)。在實際的教學中，也發(fā)現(xiàn)一些問題。學生在把實際結構繪制成計算簡圖時，對支座的處理，結點之間的連接方式，計算長度的計算，荷載的處理存在問題。比方說結點之間是剛接還是鉸接，兩種不同的連接方式，計算結果會完全不一樣：剛接點肯定有彎矩，而鉸接的地方一般彎矩都為零〔有集中力矩作用除外〕。有的時候建模錯誤，會導致是一個可變體系，基本不能求解。所以，運用求解器計算，前提要正確的建立模型。這些環(huán)節(jié)直接影響到計算結果的準確性。雖然能熟練運用軟件，但是不理解這些力學上最根底的知識，也只能是一個軟件操作者，而不能到達教學上建筑項目技術專業(yè)人才的要求。借助結構求解器對教材上的例題進行分析計算，學生對實際結構由于結點、支座的不同簡化，引起內力的不同，有了深刻的理解，從而掌握實際結構簡化成理想簡圖的辦法。

最后，我們要明白，類似于求解器的一些軟件只是一種學習工具，在學習和工作的過程中，不能代替筆與