關于鋼結構設計教學中的一些思考

周俐俐　沈鵑

摘 要

鋼結構設計課程是土木工程專業的核心專業課，在鋼結構設計教學過程中，對一些問題需要進行辯證理解。本文結合具體實例談談土木工程專業鋼結構設計教學中的一些辯證思考方法，有助于培養學生的獨立思考能力，也為土木工程專業其他結構類課程的教學提供一些參考。

關鍵詞

鋼結構設計;辯證思考方法;教學

中圖分類號： TV34-4? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.03.044

鋼結構設計課程是土木工程專業的核心專業課，在鋼結構設計教學過程中，對一些問題進行深度分析，教會學生們對問題進行深度思考，辯證理解。下文結合具體實例談談土木工程專業鋼結構設計教學中的一些辯證思考方法，同時也為土木工程專業其他結構類課程的教學提供一些參考。

1 梁的最小高度確定

在組合梁的設計中，需要初步選擇梁的截面尺寸，包括初步確定截面高度、腹板尺寸和翼緣尺寸。首先需要確定梁的截面高度，梁的截面高度應根據建筑設計容許的最大高度、剛度要求的最小高度和用鋼量最少的經濟高度三方面條件確定。梁的最小高度是根據剛度要求確定的，即根據正常使用極限狀態的要求，在荷載標準值作用下，梁的撓度不得超過設計規范規定的容許值。比如均布荷載作用下的簡支梁，其相對撓度應滿足：

由得

將綜合荷載分項系數1.4（近似取恒荷載分項系數1.3和活荷載分項系數1.5的平均值），將代入上式，可得：

則（1）

若在梁的撓度達到撓度容許值的同時，梁的抗彎強度亦達到鋼材的抗彎強度設計值f，即令σ=f，這樣可充分利用鋼材強度，則式（1）變成：

（2）

式中：l——梁的跨度，mm;

[vT]——永久荷載和可變荷載標準值產生的撓度（如有起拱應減去拱度）的容許值，mm;

f——鋼材的抗彎強度設計值，N/mm2。

由式（2）可得出不同情況下的最小梁高hmin。《鋼結構設計標準》（GB 50017-2017）規定主梁的允許撓跨比為[vT]/l=1/400，次梁的允許撓跨比為[vT]/l=1/250，此時最小梁高可參考表1。需要說明表1是根據均布荷載作用下的簡支梁推導出的梁高取值，當梁端部是剛性連接或半剛性連接的情況下，梁高可以適當減小，梁的高跨比可以適當放寬到1/20～1/15。

從表1中發現，鋼材厚度越厚，梁的最小高度可以取得越小。而鋼材厚度越厚，強度越低，其力學性能愈差。因為，在鋼材的熱軋成型過程中，厚度越薄的鋼材，其壓縮比越大，隨著壓縮比增大，即鋼材厚度軋制得愈小，其強度、塑性及沖擊韌性性能愈好。因此，我們不能孤立地看問題，需要辯證地分析問題。鋼材厚度較大會降低鋼材的力學性能，但是對梁的最小高度選擇有好處，也即選擇較小的梁高即可滿足要求。我們分析結構問題應該有一種全局的觀念，沒有絕對的優點，也沒有絕對的缺點。結構設計需要考慮各方面的匹配、均衡和協調，做到了各種結構或構件的強度、剛度和穩定性方面的匹配，就是優秀的結構。

2 不同支撐設計方法下支撐框架的破壞模式

鋼框架結構可以布置水平支撐和豎向支撐，水平支撐分為橫向水平支撐和縱向水平支撐，豎向支撐分為豎向中心支撐和豎向偏心支撐。比如對于十字交叉斜桿型的中心支撐，如圖1所示。在確定框架和支撐的相對強弱時，就需要全方面的平衡和考慮，并不是支撐的剛度越強越好，也不是框架的剛度越大越好。

對于弱支撐框架，如圖1（a）所示。支撐先屈服，消減地震響應。弱支撐就是有側移，所以支撐屈服后框架繼續發生側移，框架可以繼續提供抗震能力，設計屬于兩道抗震設防。罕遇地震下鋼材的極限強度（超出屈服強度部分）可以發揮作用。對于強支撐框架，如圖1（b）所示。強支撐就是無側移或者側移很少，屬于無側移屈曲，非常危險，是單一的抗震結構體系;任何鋼材的延性和超出屈服強度的抗拉強度都無法發揮作用。

通過不同支撐設計方法下支撐框架的破壞模式的對比，我們發現，支撐和框架的強弱是相對的，有側移和無側移也是相對的，不能籠統地定性為哪一種情況好，哪一種情況不好。在進行結構設計時，應通過充分的對比和分析，做到協調和匹配的設計就是最優的設計。

（a）弱支撐框架的破壞模式? ? ? ? ?（b）強支撐框架的破壞模式

圖1 不同支撐設計方法下支撐框架的破壞模式

3 結束語

現代應用型工程人才的培養除在注重扎實的理論知識和實踐能力培養之外，還應該培養學生對專業知識進行深度辯證思考和養成重視思考的習慣。以學生為本，對土木工程專業結構課程教學中的專業問題進行思考和探索是一項長期的過程，作為土木工程專業的專業教師，應在不斷總結教學經驗的基礎上，不斷深度思考教學內容，教會學生分析問題和思考問題是非常必要和迫切的，最終可達到提高教學質量的目的。

參考文獻

[1]周俐俐，王汝恒.鋼結構（第三版）[M].北京：知識產權出版社，2019.

[2]童根樹，鋼結構設計方法[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.