結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器在中職《土木工程力學(xué)基礎(chǔ)》課程中應(yīng)用與思考

歐永健 （江蘇省盱眙中等專業(yè)學(xué)校，江蘇 淮安 211700）

0 前言

《土木工程力學(xué)基礎(chǔ)》是中等職業(yè)學(xué)校等建筑施工技術(shù)相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)核心課程，是學(xué)習(xí)建筑施工技術(shù)相關(guān)專業(yè)學(xué)生未來能夠達到從事施工員、監(jiān)理員、安全員、鋼筋工、材料試驗工等職業(yè)崗位必備的需求、獲取相關(guān)職業(yè)資格證書所必修的課程。因此，學(xué)習(xí)好本門課程對于中等職業(yè)學(xué)校學(xué)生顯得尤為重要。借助結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器計算機軟件，可以彌補力學(xué)基礎(chǔ)課程缺乏試驗平臺設(shè)置空缺，從日常教學(xué)過程來看，可以調(diào)動中職學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)基礎(chǔ)的主動性，從職業(yè)發(fā)展長遠來看，能提高中職學(xué)生在今后工作、考職業(yè)資格證等方面的處理基礎(chǔ)力學(xué)問題能力，對提高施工質(zhì)量有益處。

1 結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器基本介紹

結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器（SM-Solver）是由清華大學(xué)土木系結(jié)構(gòu)力學(xué)教研室研制，這款計算機軟件初衷就是面向教育教學(xué)改革而設(shè)計開發(fā)，主要面向教師、學(xué)生及工程技術(shù)人員，協(xié)助他們輔助分析計算問題。該軟件的精髓是“將繁瑣交給求解器，我們留下創(chuàng)造力！”。該軟件打開之后包含兩方面：觀覽器與編輯器。該軟件界面內(nèi)容、功能完整通用、交互性強，可為教師設(shè)題、改題等，可為學(xué)生做題、校驗等，貫徹工程技術(shù)人員設(shè)計、計算以及驗算等全過程?？傊?，該款軟件能在我們職業(yè)教育教學(xué)中發(fā)揮其獨特的作用。

2 學(xué)生分析

中職學(xué)校學(xué)生有著十分愿意動手去嘗試新鮮事物的天然優(yōu)勢，在動手的過程中能夠發(fā)現(xiàn)問題并善于在教師幫助下尋求解決問題方法。學(xué)生對計算機熟悉、操作本領(lǐng)也強，在學(xué)校計算機房教授學(xué)生使用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器解決課程中簡化的工程問題，所有學(xué)生都能夠跟著老師去操作，并能在實踐中提出問題。當(dāng)學(xué)生能夠獨立解決求解出結(jié)果后，學(xué)生都倍感興奮，掌握構(gòu)建內(nèi)力分布也對他們后續(xù)學(xué)習(xí)其他專業(yè)課程有益。一句話，借助結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器能夠使中職學(xué)生在學(xué)習(xí)力學(xué)基礎(chǔ)課程中真正實現(xiàn)“做中學(xué)”。

3 結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器在《土木工程力學(xué)基礎(chǔ)》課程中應(yīng)用舉例

受彎構(gòu)件是土木工程中最常見的構(gòu)件之一，主要是以彎曲變形為主。在實際工程中，需要對受彎構(gòu)件實際情況進行簡化，抓住受彎構(gòu)件基本特點，忽略其次要的細節(jié)，用一個簡化圖形來代替實際的結(jié)構(gòu)，構(gòu)建力學(xué)計算簡圖。

在工程中，熟練掌握繪制與應(yīng)用受彎構(gòu)件沿著梁軸線分布的剪力和彎矩是一個教學(xué)重點與難點，讀取受彎構(gòu)件剪力與彎矩的最大值、以及最大值所在的橫截面位置，有助于一線施工人員理解圖紙的設(shè)計意圖，從而指導(dǎo)人員采用正確施工方法等。

接下來，以一個案例來說明如何使用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器在中職《土木工程力學(xué)基礎(chǔ)》課程中具體應(yīng)用與思考。

例題：如圖所示鋼結(jié)構(gòu)外伸梁，已知F=5kN，q=4kN/m，材料為熱軋工字鋼36a（質(zhì)量按缺省計算），試著繪制該梁的內(nèi)力圖。

圖1 力學(xué)計算簡圖

3.1 結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器設(shè)置過程

（編輯器點擊菜單“命令”）問題定義→變量定義→結(jié)點設(shè)置→單元→支座約束→荷載條件→材料性質(zhì)。求解內(nèi)力過程為：（編輯器點擊菜單“求解”）內(nèi)力計算。求解位移過程為：（編輯器點擊菜單“求解”）位移計算。主要設(shè)置過程：

①結(jié)點定義：結(jié)點碼為 1，2，3，4 分別對應(yīng) A、B、C、D，結(jié)點 1 坐標為原點（0，0），結(jié)點 2 坐標為（2m，0），結(jié)點 3 坐標為（8m，0），結(jié)點 4 坐標為（10m，0）。結(jié)點設(shè)置完成。

②單元定義：單元1～單元3（對應(yīng)AB、BC、CD），連接方式均為剛結(jié)。

③支座約束：結(jié)點2處支座類型為（3）鉸支2，支座性質(zhì)為剛性，其他默認。結(jié)點3出支座類型為（1）支桿，支座性質(zhì)為剛性，其他默認。

④荷載條件：結(jié)點1處類型為（1）集中力，大小為5kN，方向為-90°。結(jié)點4出類型為（1）集中力，大小為5kN，方向為-90°。單元2類型為（3）均布荷載，沿桿軸方向，大小為4kN，方向為90°，起點距桿端為0，終點距桿端為1。

⑤材料性質(zhì)：單元1～單元3抗彎剛度EI=32548kN×m×m，其他默認。

3.2 編輯器內(nèi)交互式命令說明行自動生成步驟內(nèi)容

①TITLE，外伸梁探究；

②變量定義，EI=32548；

③結(jié)點，1，0，0；

④結(jié)點，2，2，0；

⑤結(jié)點，3，8，0；

⑥結(jié)點，4，10，0；

⑦單元，1，2，1，1，1，1，1，1；

⑧單元，2，3，1，1，1，1，1，1；

⑨單元，3，4，1，1，1，1，1，1；

⑩結(jié)點支承，2，3，0，0，0；

[11]結(jié)點支承，3，1，0，0；

[12]結(jié)點荷載，1，1，5，-90；

[13]結(jié)點荷載，4，1，5，-90；

[14]單元荷載，2，3，4，0，1，90；

[15]單元材料性質(zhì)，1，3，-1，EI，0，0，-1；

[16]END。

3.3 觀覽器自動生成彎矩與剪力圖

圖2 觀覽器——M圖（kN·m）

圖3 觀覽器——Fs圖（kN）

3.4 內(nèi)力計算輸出表

桿端1外伸梁內(nèi)力計算 表1

桿端2外伸梁內(nèi)力計算 表2

見表1、表2所示。

4 使用結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器注意點

①在編輯器中設(shè)置時要統(tǒng)一單位，如kN、m、kN·m 等。如點A到B距離為2m，集中荷載力為5kN。

②結(jié)點設(shè)置。在支座處、在集中荷載力處、桿件端處等要設(shè)置結(jié)點。建議從左向右，從原點（0，0）開始設(shè)置。

③結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器是一種學(xué)習(xí)工具。該軟件能激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)力學(xué)興趣，增強學(xué)生力學(xué)學(xué)習(xí)趣味性，但是在學(xué)習(xí)過程中仍不能完全代替筆與紙運算過程，只有將最基礎(chǔ)知識掌握后，才能對其中的原理加以理解。

5 結(jié)論

上述舉例說明結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器（SM-Solver）是一款簡單易學(xué)的“傻瓜”軟件，能吸引中職學(xué)生的興趣，它將在培養(yǎng)學(xué)生能力素養(yǎng)方面起到很大的幫助作用。借助結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器，學(xué)生可以像在做“游戲”中將抽象的力學(xué)知識以直觀形式表達出來，明白力學(xué)計算簡圖形成原理，感受到“力”的存在。借助結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器，能夠充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)工程力學(xué)的積極性，增強其自信心。借助結(jié)構(gòu)力學(xué)求解器，能夠充分發(fā)揮教師主導(dǎo)作用，指導(dǎo)學(xué)生解決實際問題，提高力學(xué)教學(xué)效率，增強教師授課的生動性。因此，在教授力學(xué)相關(guān)知識過程中，應(yīng)積極推廣使用該軟件，才能使學(xué)生“寓教于樂”、實現(xiàn)在“做中學(xué)”。