结构力学

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结构力学范文第1篇

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摘要：结构力学是土木工程专业的重要基础课程，它具有逻辑性强、方法技巧性要求高等特点。如何激发学生学习结构力学课程的兴趣，让学生从被动学习变为主动学习，是结构力学教学过程亟待解决的问题。文章根据结构力学课程的特点，从教学理念、教学手段、教学方法3个方面展开论述，探讨了提高结构力学课程教学效果和教学质量的方法与措施。

教师应对结构力学教学理念有最基本的定位，通过多样化的教学手段提高学生学习的兴趣，合理使用教学方法，因材施教，提高教学质量。

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关键词：结构力学；教学理念；教学手段；教学方法

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中图分类号：TU311；G642.4 文献标志码：A 文章编号：

1005-2909(2012)01-0081-03

结构力学是土木工程及相关专业的一门重要专业基础课程。结构力学知识掌握的好坏，不仅关系到后续专业课程的学习，而且对今后的工作也具有深远影响。结构力学是在先行修完理论力学、材料力学课程的基础上继而深化力学知识的一门课程。由于该课程内容多、综合性与逻辑性强、方法技巧要求高，学生真正掌握结构力学知识比较困难。如何提高学生学习兴趣，培养他们的学习能力、综合运用知识能力和创新能力是结构力学授课过程中亟待解决的问题。笔者从教学理念、教学手段和教学方法3个方面探讨了提高结构力学课程教学效果和教学质量的方法与措施。

一、教学理念的确立

（一）注重基本知识的讲授

结构力学课程概念多、内容多、求解技巧多，要想将结构力学知识融会贯通，必须掌握基本概念、基本理论与基本计算方法。基础知识和基本求解方法的掌握是培养结构力学素质，提高力学分析能力的基础，因此，教师在结构力学教学过程中，对基本概念和基本理论要讲清楚，讲透彻，让学生理解这些计算方法、计算理论，掌握分析过程中每一步求解过程的物理含义。只有掌握了力学知识和规律，学会举一反三，才能到达活学活用的境地。

（二） 重视能力的培养

学生能力的培养是现代高等教育的一个重要特征。在教学过程中，应当将知识传授与能力培养融于一体。不仅要帮助学生打好扎实的理论基础，更要注重对学生能力的培养，包括自主学习能力、分析与运用知识的能力和创新能力的培养。自主学习能力包括对经典静定结构与超静定结构的分析与求解能力，对

计算结果进行定量校核或定性判断的能力[1]，以及利用学习资源进行自主学习的能力；分析与运用知识的能力主要是指在学习过程中发现问题、分析问题、对知识灵活运用和解决综合性问题的能力，包括对各种计算方法的掌握，对不同结构选用恰当的方法进行计算的能力；创新能力指对复杂问题的分析与求解能力，以及将理论知识与实际应用结合起来，对实际工程问题进行抽象、分析、对比的能力。

（三）重视结构力学与工程实践的结合

与其他基础力学类课程相比，结构力学与工程实际的结合更加紧密，结构力学知识不仅可以解答书本中的力学题目，而且与建筑结构设计与分析、建筑结构施工、结构的加固与改造等土木工程实践密切联系。

在教学过程中，应尽可能地将理论知识与实际工程项目结合起来，及时地向学生介绍结构力学知识在实际工程中的应用，充分调动他们的学习积极性，培养他们的工程意识、解决工程问题的能力与实际动手能力。例如：在拱类结构的计算时，可以和实际工程中的拱桥结构进行对照；在桁架结构分析时，可以与单层工业厂房的桁架屋顶等桁架体系进行对比分析；计算超静定多层多跨框架结构时，将多高层结构作为工程背景。通过工程实例教学，培养学生学以致用意识、主动认知能力和实践创新能力。

二、教学手段多样化

（一）传统教学方法与多媒体有机结合

传统的结构力学教学以板书、教科书为载体，并采取口授方式进行教学[2]，这种教学方法便于师生之间感情交流与课堂节奏的把握。教师从学生在课堂的反应中能及时了解学生的学习情绪、对教学内容的理解程度以及解决遇到的问题，能根据实际情况及时采取对策，控制授课节奏，使学生与教师的思维同步，达到提高教学效果的目的。虽然传统板书教学方法存在诸多优点，但也存在着不可克服的缺陷：在承载信息的种类和能力上存在着较大的局限性，难以适应现代教学的要求；教学模式枯燥单调，推导公式过程繁琐，重复性、机械性工作较多，效率低下。

随着现代教育技术的发展，多媒体教学方法得到了广泛的应用。多媒体教学具有传统教学方法所不具备的优点：多媒体课件图、文、声、像并茂，能给学生的感官提供不同角度的刺激[3]；多媒体教学使抽象枯燥的教学内容生动化、具体化、形象化，有助于学生掌握基本概念、理解规律；课件包含的信息量大，是解决教学内容多、教学课时少的一种有效途径。但是，如果多媒体教学方法运用不当，会产生相反的作用：信息量过多会导致学生产生迷航现象，学习失去重点，无所适从，只能顺应教师的思维，被动接受，知识想象和思维空间受到限制；教师成为多媒体的放映员和解说员，缺乏激情，影响教学效果。

在教学过程中，多媒体与传统教学的优势互补是激发学生学习兴趣，提高教学质量的一种有效途径。教学过程中实现两种教学方法的有机结合，不仅可以发挥多媒体教学的优势，培养学生的思维能力，教师的主导作用也得以很好地体现。笔者认为，需要展示力学与工程实际相结合的内容，以及基本概念的介绍可采用多媒体教学方法；需要学生重点理解和重点掌握的知识点、典型例题的求解过程、综合结构的分析过程等应尽量采用板书的形式，让学生对所讲的知识充分理解，增强学生学习的主动性。

（二）积极开展并组织课外力学实践活动

学生能力的培养，以及知识的内化仅靠课堂讲授是不够的，需要搭建一个理论知识与实际应用相结合的平台来促进学生对知识的掌握，这个平台就是课外实践活动。通过这个平台，充分调动学生的学习积极性和主动性，加深学生对结构力学课程内容的理解，强化学生的力学分析能力与力学逻辑思维能力，巩固学生力学知识体系的整体把握和综合应用能力。为此，北京建筑工程学院结构力学教研组积极组织学生参加学校和学院组织的各种竞赛，包括学院每年举行结构力学大赛、结构承载力大赛以及国家结构力学大赛。比赛过程中，学生的积极性非常高，自己设计制作结构模型、建立分析模型，形成最后分析结果，并通过实验验证模型与力学分析过程的正确性。通过这些课外活动增强了学生的学习主动性与自主学习的能力，对开阔学生思维，提升学生的创新能力具有良好的效果。

三、教学方法的合理使用

（一）合理安排教学内容，分层次授课

教师除了向学生传授课程

的基本概念、基本思路之外，更重要的是培养他们科学的思维方法，加强他们计算能力、分析能力与创新能力的培养。在实际教学中，应根据学生的实际情况，分层次教学。笔者在教学过程中将课程内容划分为3个层次：第一个层次是基本知识层次，这个部分的内容是所有学生都应当掌握的内容，即结构力学的基本原理、基本方法、基本求解过程；课堂中学生应够理解结构的求解过程的物理含义，并能正确求解力学问题。第二个层次为提高分析能力层次，主要是培养学生分析问题的能力。授课过程中可以选择难易程度不同的例题，从分析思路着手，结合基本原理，把对问题的分析方法和本质的把握等要领融合到课堂中去；授人以“鱼”，也同时授人以“渔”，在课堂中训练学生把握、分析、处理问题的能力，使学生学会自主学习，从而培养学生分析问题的能力。这部分教学内容要求大部分学生掌握即可。第三个层次为综合应用层次，这部分内容主要是通过课后布置综合应用题和习题课来培养学生解决问题的能力，激发他们的钻研精神，培养他们的创造性思维，提出解决问题的新思路和新方法。这部分内容适用于学习能力强，学有余力的学生。

（二）教学内容前后连贯，形成结构力学知识体系

结构力学概念多、内容多、知识点零散，学生学了后面的知识忘了以前所学的知识，学习不能形成有效的系统的整体。学生在面对综合性问题时，总是一筹莫展，不知如何分析，如何求解。针对这个现象，教师在讲授课程时，应注意前后知识的连贯性，要善于引导学生利用先导内容中建立起来的知识结构来构筑新的知识体系，教会学生把零散的知识点融会贯通，使学生构成清晰、稳定、整合的新的认知结构。例如：利用图乘法求解静定结构指定截面的位移时，需熟练绘制静定结构的弯矩图；在采用力法求解超静定结构时，用到了图乘法的相关知识；在采用位移法求解超静定结构时，利用力法等获得截面直杆的转角位移方程；在力法与位移法讲授完毕之后，超静定结构可根据结构的特点采取力法、位移法与混合法等方法进行求解；矩阵位移法用到了两端固定等截面直杆的转角位移方程；结构动力学中刚度系数与柔度系数可通过力法或位移法求得；求解超静定结构指定截面位移时，可采用位移法或图乘法。这样弯矩图的绘制、力法、位移法、矩阵位移法和结构动力学知识的整合，使整个结构力学体系形成一个有机整体。

（三）形成反馈机制，提高教学水平

根据香农传播理论[4]，在信源和信宿之间存在着反馈通道，受者通过反馈通道将情况反馈给传者，传者根据反馈的情况重新设计或修改传播内容，使之更适合受者的需要，从而提高传播效果。在教学过程中，反馈通道包括课外答疑、课后作业、习题讨论和学习效果考核。课外答疑是课堂教学的有益补充和延伸[5]，通过课外答疑情况可以了解课堂教学过程中遗漏的、讲述不清的内容，及时解决由于讲授方法不当导致学生理解不足的问题；课后作业是学生学习动态和对知识掌握情况的真实反映；习题讨论是培养和提高学生分析能力、计算能力的有效手段。通过总结课外答疑、课后作业和习题讨论中出现的情况，及时发现学生中普遍存在的问题，帮助教师有的放矢地改进教学方法，提高教学水平。考核是教学过程中的一个重要环节，是检查教学效果、评价教学质量的重要途径之一。通过考核，能将教学过程中的各方面情况曝光，获得教学反馈信息。正确利用教学过程中的反馈信息，不断调整教师的教学手段与教学方法，能有效激发学生学习兴趣、培养学习能力。

参考文献：

［1］ 刘京红,何洪明,高宗章,等.结构力学教学中培养学生可持续发展能力研究［J］.河北农业大学学报（农林教育版），2008,10(1):56-58.

［2］ 杨从娟.结构力学多媒体教学的问题与思考［J］.理工高教研究,2007,26(1):131-132．

［3］ 卿静.多媒体与传统教学在结构力学课堂中的应用［J］.山西建筑,2007,33(9):195-196．

［4］ 吴疆.现代教育技术教程［M］.北京:人民邮电出版社，2003.

［5］ 刘青.关于结构力学课程教学三类重要问题的探讨［J］.中国青年科技,2008(4):19-23.

Teaching methods of structural mechanics

LI Guo-hua, LUO Jian, DONG Jun, QI Cheng-zhi

(School of Civil and Transportation Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beinjing 100044, P. R. China)

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Abstract：

结构力学范文第2篇

【关键词】结构力学；教学方式；教学优化

【Abstract】The treatise expound some problems which exits in structural mechanics course.By comparing the status of structural mechanics teaching reform at home and abroad，and combine with the learning characteristics of students，analyzing the teaching content and teaching method in connection with these problems.In order to improve the interest in structural mechanics of students and deepen the rational understanding of this course，this paper make a suggestion from different aspects to optimize teaching，by way of optimizing teaching content，taking advantage of education resources and strengthening practical teaching.

【Key words】Structure mechanics；Teaching methods；Optimizing teaching

1 结构力学课程教学改革的目标

目前，许多的二、三类本科院校正在过渡为应用型本科，将培养重点放在教育出具有实践操作能力的应用型人才。因此要达到该目标的重要举措之一就是进行专业实践教学的改革。

现代科学技术的发展对土建类人才的要求越来越高。随着我国城镇化进程的飞速发展，无论房屋还是桥梁的结构形式都日趋复杂，计算机辅助设计与有限元分析已成为工程实践中必不可少的应用手段。在以往的结构力学教学过程中，过度强调学生计算能力的培养方式已不能满足用人单位的需求。特别对于独立院校的学生，毕业后进入生产一线的比重很大，部分学生认为结构力学的学习无益于今后的工作，导致对着门课程兴趣不大、轻视了对结构力学的学习，致使学生缺乏在解决实际工程中相关结构问题的能力。因此，在许多以培养应用技术型人才的独立院校中，如何将以理论授课为核心的《结构力学》课程与实践结合起来，探索一条符合时代需求的教学实践化改革道路，已成为我们必须要思考的问题。

2 结构力学教学中存在的问题

目前在许多院校中，学生对结构力学的学习不够重视，同时教学也存在着一些不足和欠缺，造成了结构力学成为土木工程专业最难学的基础课之一，主要体现在以下方面：

2.1 教学模式单一与创新意识脱节

结构力学基本教学模式都是以板书和教科书结合为主要授课方式，并采取口授形式进行教学。教学课堂枯燥单调，表述形式太过于抽象，公式推导繁琐、机械工作化较多，教学效率低下[1]。可以适当增加多媒体或软件教学可大大提高学生自主学习能力和开拓创新思维能力。

2.2 内容抽象、复杂

结构力学研究计算的是结构在各种效应作用下的响应，包括内力的计算及位移的计算。由于内力看不见，摸不着，学生在学习的过程中缺乏感性的认识，学生很容易将内力等概念混淆，造成对知识点的模糊。

2.3 缺乏教学实践环节

由于结构力学的理论性非常强，为加强学生对基础知识的理解，教学过程以理论讲解作为重点，实践环节缺失。学生在完成结构力学课程的学习后，纵使掌握了对静定结构和超静定结构的内力计算方法，也不知如何在工程实践中应用。

3 结构力学教学改革探讨

3.1 优化教学内容，提升学习兴趣

结构力学是一门专业基础课，主要研究杆系结构的内力和变形，具有内容较多，理论性强，概念较为抽象，解决问题的思路多样化等特点。这就造成学生在接触到这门课程时容易产生畏难情绪，再者由于学生在学习过程中没有明确的目的性，“怎样去学习”、“知识点该如何运用”、“如何分析力学模型”等问题普遍存在。根据这一情况，在结构力学课程教授过程中，可以将实际工程案例引入到教学中来，授课教师可以对课堂上讲授的每一个章节、每一个知识点都能够找出相对应的工程应用案例，针对实际工程案例，授课教师应着重讲述本章学习内容与实际案例之间的紧密联系，例如在讲授受弯构件时，如何将建筑中的梁、荷载、支座简化为力学模型来进行受力分析，利于学生在思考问题时可以结合实际，将抽象的概念具象化。通过这种方式，潜移默化地让学生意识到结构力学的学习对解决工程实际内容起着至关重要的作用。

3.2 培养学生的力学思维，提升优化结构的能力

随着建筑材料的复杂化，结构形式的复杂化，实际工程中，能通过人们手算的例子变得少之又少，取而代之的是高性能计算机的广泛应用，然而结构设计中，并不是一味的强调运算的准确性与高效性，更多强调如何将复杂的问题简单化，如何在众多结构中选出最合理的结构，这才是工程人员的价值所在。在实际工程中，利用监测数据与力学概念分析，确保在施工过程中不出现安全事故，保证施工顺利有效进行[2]。因此，除了在课堂上培养学生解题的相关思路，还要增强他们在生活中的力学思维，即构建“力学模型”的思维。“力学模型”是连接理论知识与实际问题的纽带，将课堂的知识带到课外实际运用中，才是教学的目的。因此，教师在教学中除了传授基本概念和解题方法，还应该把教学重点放在如何构建力学模型上，将复杂的工程问题精简为力学模型进行分析，从构件尺寸的特点、材料的特点，约束的特点，荷载形式的特点等方面，逐步引导学生把实际问题转化为习题中常见的模型，最后向学生们提出问题，如对于要在不改变材料的前提下提高构件的强度可以从哪些方面着手？怎么样将结构形式进行优化？这些都需要通过学生在日常学习中获得的专业知识经过计算解决，久而久之便使他们养成了抽象概括的能力，加强了对结构力学知识的应用。

3.3 加强实践教学，提升实验效果

结构力学的课程学习中，学生接触到的都是平面问题，面对死板的内容，较多的提高的是学生的解题能力。可是在工程中设计人员所要设计的是三维的实体模型，这就要求学生能从课堂中的二维结构过渡到实际工程中的三维建筑，从纸面上的计算应用到设计中去，所以针对结构力学这类内容抽象，理论性较强的学科，在培养基本知识的灵活应用的基础上，还需要有对应的实验安排，深化学生对结构组成的认识[3]。同时，结构力学课程的实践教学环节可以与结构设计大赛及计算机仿真模拟大赛有机的结合在一起。任课老师在教授完课程内容以后，可以根据学生的掌握情况，按照结构设计大赛的比赛模式出题。考虑到学生们的完成能力，让学生分组合作自行设计，确定结构形式，运用有限元软件计算结构的承载能力，实现将实际问题放到电脑里处理；同时任课教师根据同学们设计的模型样式以及运行结果与同学们讨论，优化结构方案，选定最优的几种方案，再以纸、木、竹为材料进行实体模型制作，并通过加载仪器进行加载。校核学生自己动手做出的结构是否满足要求，实现将电脑或手工计算的结果落实到应用中去。

4 结语

通过对结构力学课程进行上述内容的改革与实践，开阔了教师的视野，拓展了教师的思维，使教师在教授课程中不仅仅局限于书本，而是引用工程实例，真正做到从实际中来，进书本中学，再到实际中去的螺旋式上升的教育理念。在进行结构力学理论授课的同时，增加实践教学环节，实现结构力学与结构设计大赛与虚拟软件模拟仿真的有机融合，充分激发学生的学习兴趣与学习热情，调动学生学习的积极性和主动性。以上是笔者根据在结构力学课程实际教学中发现的一些问题，提出了对课程教学改革的一些肤浅的看法，希望能结构力学这门课程教学质量的提高有所帮助。

【参考文献】

[1]耿翠珍.《结构力学》课程教学改革初探[J].浙江树人大学学报（自然科学版），2012，3：44-48.

结构力学范文第3篇

【关键词】ANSYS；结构力学；三铰拱；内力图

0 引言

结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化的学科。主要研究结构在各种效应(外力，温度效应，施工误差及支座变形等)作用下的响应，包括内力（轴力，剪力，弯矩，扭矩）的计算等，它为学习建筑结构、桥梁、隧道等专业课程提供了必要的基本理论和计算方法。结构力学的教学关键是内力图的绘制，而正确绘制静定结构的内力图是分析超静定结构以及位移计算的基础。ANSYS作为大型通用有限元软件，在世界范围内拥有着大量用户，其精度之高足以满足工程要求，并且ANSYS的可视化窗口及交互式操作，使其成为众多有限元分析软件中最容易学习的一种。鉴于此，本文基于ANSYS平台来绘制结构力学教学过程中的三铰拱的内力图。

1 三铰拱内力的理论解

拱是杆轴线为曲线并且在竖向荷载作用下会产生水力的结构。拱与梁的区别不仅在于杆轴线的曲直，更重要的是由于拱推力的存在，拱结构更能够充分发挥材料的特性。

三铰拱是由两根曲杆与地基之间按三刚片规则组成的静定结构。其内力（图1.1）的计算可等价为相应简支梁（图1.2）的内力计算。

图1.1三铰拱在竖向荷载作用下任意截面 处的内力分析

图1.2等效为相应简支梁的受力分析

用先整体后隔离的方法，很容易能够得出三铰拱在竖向荷载作用下的内力计算公式，如下：

式中： , 分别为等效简支梁任意截面 处的弯矩和剪力；

为水力，。 为拱高， 相应简支梁上与拱的中间铰处对应的截面 处的弯矩。

2 基于ANSYS平台绘制三铰拱内力图的原理

在ANSYS中对梁单元施加荷载只能够施加在有限元上，而对于曲梁（三铰拱）的处理是划分适当的网格划曲为直，用加载斜梁荷载的方法对三铰拱施加荷载。图2.1是加载斜梁的原理。

图2.1斜梁加载等效荷载

用力的分解原理很容易可导出等效荷载大小的计算公式，如下：

式中： 为斜梁所受竖向均布荷载； 为其等效荷载； , 分别为所分解的沿斜梁方向和垂直于斜梁方向的力。

3 实例分析

试绘制图2.2所示三铰拱的内力图。若采用手算，则须将拱等分为8份，然后对每个截面依次用 进行计算，这样计算量无疑是很大的，不适合复杂结构。若基于ANSYS平台进行计算，则选取BEAM3二维梁单元建立有限元模型（图2.3），将模型划分足够细后即划曲为直可用 公式加载。然后进入后处理器，运行“PLLS,MI,MJ,-1”和“PLLS,QI,QJ,-1”命令即可方便快捷地得出弯矩及剪力图（图2.4）。

图2.2三铰拱分析实例

图2.3有限元模型

图2.4弯矩图（单位kN•m）及剪力图（单位kN）

4 几点说明

1、该结构模型出自文献[1]，且以ANSYS为平台的分析结果和文献[1]给出的结构完全一致，这说明了该方法的准确性，也说明了ANSYS作为大型通用有限元软件在分析问题上的准确性。

2、在ANSYS中关于铰接的处理需用到CP命令，详情请参见ANSYS帮助文件。

3、在ANSYS中关于曲梁的加载需将荷载等效到沿曲梁轴线分布，然后将其再分解为径向和切向两部分分别施加，也可化曲为直即把网格划分足够密。

4、若ANSYS所绘制内力图方向与文献[1]的方向相反，则需把比例因子选项修改为-1。

5 结束语

本文基于ANSYS平台方便快捷地绘制出了结构力学中三铰拱结构的内力图，省去了用手算时的大量计算，且得出了精确解。通过ANSYS在结构力学课程中的运用，能够引起学生对学习的兴趣以及运用ANSYS软件分析结构的好奇，无论是引导学生自主学习还是对学生后续的有限元课程学习都大有裨益。同时，本文的结构模型都是从实际工程中简化而来，这种思想对于分析其他结构也有一定的借鉴意义。

参考文献

[1]李廉锟. 结构力学（上册）第5版[M]. 北京：高等教育出版社，2010.

[2] 王新敏. ANSYS工程结构数值分析 [M]. 北京：人民交通出版社，2007.

[3] 徐永安，王树真. 三铰拱结构内力计算程序[J]. 焦作矿业学院学报，1991（4）：42-46.

[4] 胡曦，唐忠平. 三铰拱内力计算的Excel解法[J]. 浙江工商职业技术学院学报，2006（10）：41-43.

结构力学范文第4篇

关键词：悬索结构；预应力；稳定性；

1引言

悬索结构设计主要包括选择合理的结构形式及与之相匹配的预应力分布，结构的几何形式因工程的需要基本确定，而我们知道一个受力合理的悬索结构它的结构形式与预应力分布是相匹配的。这样，在结构几何形式一定的情况下，合理的设置预应力大小成为悬索结构设计分析的关键所在。

目前，国内外对悬索结构的力学性能分析及理论研究较多，如沈世钊[1]对悬索结构的形式、解析计算方法及有限元分析等进行了精湛的研究， Schek ,H.J.、 Barnes,M.R. 、Haber,R.B. and Abel,J.F.[2]等人对悬索结构的初始形态分析也进行了深入研究，还有很多专家对悬索结构也做了相关的分析研究。可以说，悬索结构的理论研究达到了一定的高度。但对于实际工程，设计者、施工人员往往尽可能的增大索体的预应力，以满足结构的力学性能指标。然而，经计算与试验分析表明，较大的预应力不仅增加了构件的内力，而且结构的稳定性却随着预应力的施加变得复杂多样化。因此，能够合理的设计出预应力大小对悬索结构的设计分析起着至关重要的作用。

力学性能试验分析

试验过程及分析

为了明确预应力大小对结构力学性能的影响，我们从两方面内容进行研究，一是结构的节点位移，另一个是结构的受力状态。

悬索避难帐篷张拉试验采用三组脚手架组成结构的支撑体系，通过横向与斜方向索体的张拉将其稳固与地面，横向与纵向的跨度尺寸可根据需要自行确定。在本次试验中，纵向跨度为5m，横向脚手架底部之间跨度2m，脚手架底部与索基础之间跨度3.4m，此悬索结构以获得实用新型专利授权[4]，具体结构形式如图1所示。

（a）（b）

图1 张拉试验

试验中，我们可以通过控制索的伸长量来改变索体中的预应力大小。索的伸长量由紧线器控制，通过紧线器的螺母调节可以任意的改变索的伸长量，进而有效的控制索体中的预应力大小。索体中预应力大小与索的伸长量之间的关系为：。

表1-1 索材料参数

材料 质量密度 弹性模量 泊松比 线膨胀系数

索 78.5 0.3

试验结果

试验中，对索分别施加1kN~50kN大小不等的预应力，分别记录不同预应力作用下节点的位移及构件的内力。结果显示，支柱的内力随着预应力的增大而增大，其分析结果如图2所示。而顶部节点的位移并未随着预应力的增大成线性变化，在节点位移与预应力大小的变化曲线中出现了拐点，结构在先期表现出随着预应力的增大节点的位移逐渐减小，后期随着预应力的增大节点的位移也逐渐增大。以顶部节点J1为例，其位移变化曲线如图3所示。

图2预应力大小对支柱轴力的影响图3预应力大小对节点位移的影响

有限元模拟分析

在sap2000中我们可以通过施加温度荷载的方法来模拟索中的预应力[3]。我们知道杆件的弹性模量E和应变比有如下关系：（1）

其中 ；（2）

； （3）

联立上述公式：（4）

式中，为索的预应力；为应变比；为索的弹性模量；、分别为索的伸长量及原长；为温度变化。

为便于与试验结果对比分析，我们同样对索施加1kN~50kN大小不等的预应力，以5kN为例，结构的变形图及柱的受压内力图如图4、5所示。

图4结构变形图 图5 结构内力图

试验分析与模拟结果对比分析

将上述的实验分析与模拟分析结果进行对比，在相等的设计参数下，对比结构中顶部节点的位移，分析结果如图6所示。分析表明，无论试验分析还是模拟计算分析，结构节点位移并未随着预应力的增大而减小，而是随着预应力的增大，节点的位移曲线表现出先减小后增大的趋势。这是由于先期预应力较小时，结构表现出很强的非线性，结构的稳定性较差，导致节点的位移较大。随着预应力的增大，结构的稳定性并没有提高反而更差，这是由于增大的预应力与结构的整体刚度不相匹配造成的。图6显示试验分析与模拟计算分析的位移曲线走势基本吻合。

（a）（b）

（c）（d）

图6预应力分布对节点位移的影响

5结论

本文通过对工程实例―大跨度悬索避难帐篷进行了静力性能计算分析与试验分析，并总结出下列相关结论：

（1）悬索结构设计中，并不是索的预应力越大，结构的稳定性越好，即合理的设计与结构形式相匹配的预应力大小成为悬索结构设计分析的关键所在。因此，悬索结构设计中，要准确的计算出合理的预应力分布。

（2）结构构件的内力随着预应力的增大而增大。因此，在结构的设计中，要同时考虑构件的受力状态与结构的稳定性要求，达到最合理的结构形式。

6参考文献

[1]沈世钊,徐崇宝,赵臣,武岳.悬索结构设计[M].中国建筑工业出版社,2005,(3):159-163.

[2]H.J.Schek, The Force Density Method for Form-finding and Computation of General Network,[C]. Comp Mech in Appl.Mech and Engr, 1973.

[3]Haug E,Powell GH, Analytical shape finding for cable nets. Tokyo and Kyoto: IASS Pacific Symp. PartⅡ on Tension Structures and Space Frames, 1972: 83-92.

结构力学范文第5篇

关键词：结构力学；土木工程学科；多媒体教学

作者简介：付果（1979-），男，湖南株洲人，长沙理工大学土木与建筑学院，讲师；彭旭龙（1983-），女，湖南湘乡人，长沙理工大学土木与建筑学院，讲师。（湖南 长沙 410114）

基金项目：本文系长沙理工大学教研教改项目（项目编号：CN1204）的研究成果。

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）10-0088-02

“结构力学”是土木工程学科主要的专业基础课之一，其教学目的是使学生掌握杆件体系内力与位移计算的基本原理，了解各类结构体系的受力特点，培养他们结构分析和计算的能力，并为其以后学习有关专业课程、进行各种结构设计及科学研究打下基础，因此“结构力学”在整个专业培养计划中占有重要地位。现代科学技术的发展对土木类人才的要求越来越高。传统“结构力学”课程面临着学时减少，学生学习兴趣不高、对学习该课程不够重视，致使学生在工程实践中提出力学问题及应用结构力学知识分析、解决问题的能力和素质明显不足。针对这些实际情况，从以下几个方面对“结构力学”教学进行改革。

一、教学内容优化

1.删除与其他课程重复交叉的内容

“结构力学”在专业课与基础课之间起着承上启下的作用。随着新型学科的发展，本科生实践环节和开设的课程越来越多，“结构力学”的学时在不断减少。建议在“理论力学”中已经学过的内容，如桁架杆的内力计算，“结构力学”没有必要再重复讲授。在“材料力学”中学过了静定梁静定刚架的内力图做法，“结构力学”只需简单带过，侧重下不同点。矩阵位移法这一章一般没有足够的课时展开来讲，而这一章的内容在后续课程有限单元法中有详细的介绍，在“结构力学”教学内容中删除不影响与其他知识的衔接，因此可以删除不讲。[1]同时，为了适应新形势下土木工程专业人才培养的要求，需要增加一些新的内容，比如结构动力计算这一章，在“结构力学”72学时的课程设置中是不作为必讲内容的，但是动力计算是现代结构计算中不可或缺的重要部分，也是多数院校考研必考的一章，因此应作为重点讲授内容。

2.增加实践环节

在“结构力学”这门课里学到了多种结构体系的内力和位移计算方法，在理论学习的同时可以增加相关的实践环节，通过采用课程设计或是开放实验的方式，在实验室提供的材料与制作工具的情形下，让学生自由分组做一个同跨度同高度的房屋结构模型或是桥梁模型等，实验并计算模型的承载力和位移。通过实测载重比与位移的方式考核各种模型结构的得分，并折算到学生的“结构力学”课程综合成绩中。这样的实践练习可以使学生更为深刻地理解实际结构的受力特点以及理论计算与实际的差别，培养并提高学生的创新能力、分析与解决问题能力、动手能力和团队协作能力，其结构力学综合测评成绩也能全面反映该学生的综合素质，并能进一步突出结构力学应用于工程实践的重要性。

总之，教学内容的调整在于适用土木工程专业复合型人才培养的需要，长沙理工大学土木工程卓越班的“结构力学”教学内容就已和理论力学、材料力学及弹性力学有机结合，调整了四门课教学计划与大纲，将四门课合为一门大工程力学课分两个学期来讲授，这样减少了重复教学环节，压缩了四门课的总课时，但四门课的教学内容没有减少，压缩的课时用于学生的实践环节。结果证明这样教学方式的效果良好。

二、改进教学手段

1.发挥多媒体教学与网络教学平台优势

“结构力学”课程中所讲授的每一种结构类型都可以在实际的工程中找到，因此，在讲解每一种结构类型之前，可以充分发挥多媒体教学方便、直观、生动的优点。搜集国内外属于此种结构类型的著名结构图片或常见结构照片，并对该结构的设计背景或设计者加以简单介绍，使学生对该种结构形式有直观的感性认识，激发学生的学习兴趣。例如，讲到静定桁架这一章时，笔者介绍了1957年建成的武汉长江大桥和2012年湖南省刚建成通车的矮寨大桥，对这一远一近的桥梁作一个简单扼要的介绍，同学对这一种结构类型有了亲近感和亲切感。

网络教学平台也是现代教学手段的有效补充，教师可以将结构力学教案、教学大纲、教学日历、PPT课件、教学视频等教学资源挂靠在课程的网络教学平台上，供学生预习、复习或自学参考，也可以在网络教学平台中布置修改作业、问卷调查、交流课程学习心得体会等，并在网络教学平台上针对学生提出的各种问题及时进行答疑。网络教学平台增加了师生互动机会，并减少课堂作业讲解所占用的时间，提高课堂利用效率，更好地满足了学生的求知欲，丰富了结构力学的学习途径。

2.重视多媒体教学与传统板书教学的有效结合

多媒体教学与传统板书教学各有优缺点。多媒体教学可以为学生提供集图片、动画、文字和声音于一体的教学信息，但单一采用多媒体教学的缺点是教师容易成为课件的播放员，缺少生动形象的身体语言；学生则容易成为课件刻录员，上课不听讲或跟不上课件放映节奏，只有课后拷贝课件，形成消极的学习态度与方法。而传统的板书教学缺点在于表现形式过于单一，教学内容与效率偏低。因此，在“结构力学”课程教学中，要努力利用每种教学手段的优点，做到取长补短、互为补充。对于“结构力学”章节中引入一些实际工程结构图片、[2]移动荷载作用下结构内力的变化和结构动力学部分各种振型的演示等利用多媒体可以做到清晰快捷，并能给学生留下深刻映像，同时增加了学生学习兴趣。但是，章节中有计算和公式推导时，如位移计算中的图乘公式、位移法的转角位移公式推导等建议采用黑板板书形式。教师只有通过口头讲解配合黑板板书，逐步讲解推导过程并随时与学生进行互动交流，才能使学生在思维上和速度上跟上节奏，也能使学生和老师间产生教学良性互动，学生会感觉到老师备课充分、讲课自信。如果全部采用多媒体，师生互动少，学生容易产生厌学心理。总之，只有合理利用多媒体和黑板板书，课堂才能真正地生动形象起来，学生才能真正成为教学的主体，积极参与到教学中来。因此，在教学手段上有必要将多媒体教学和传统板书相结合，各取所长，以便提高“结构力学”教学效果。

三、改进教学方法

1.启发式教学，培养学生创新意识

“结构力学”教学采用传统的单向灌输方式，这不利于学生智慧火花的闪现和创造性思维的形成，因此有必要改进教学方法，更多地采用启发式教学，这是培养学生创新意识、实现大学生素质教育的根本。启发式教学是要引导学生独立运用各种思维意识，提出问题、分析问题、作出假设、验证假设、得出理性认识上的结论，从而培养学生独立地发现真理、获取知识的能力。[3]启发式教学需要教师根据每堂课的知识重点和内在关系，围绕“结构力学”中的关键性问题，由浅入深地引导学生自己去研究、实践，主动获得知识，这就要求课堂上必须留给学生一定的思考时间。教师可以提出一些生活中的实例让学生思考，如让他们思考为什么古代的桥梁都是拱桥，为什么梁要正着放等等。学生先通过自己的思维得出一些感性认识层面上的结论，再经过对比各种结论的合理性，这样进一步得到的理性认识会更深刻。总之，在课堂上教师要多引导学生积极思考，培养学生创新意识。[3]

2.理论联系实际，培养学生学习兴趣

结构力学理论来源于工程实践又用于指导实际工程，只有与工程实践相结合的结构力学才是充满生命力和趣味性的。当学生发现结构力学的知识与生活如此接近或者能够利用结构力学的知识解决实际工程问题时，他们能获得极大的自信与满足感，而这种满足感又进一步激发学生的学习兴趣和探索新领域的勇气。这方面需要教师讲课时不仅仅局限于课本知识，而要站在一个更高更广阔的领域去讲授“结构力学”，尽可能多联系工程实际，这就需要教师具有一定的工程经验。[4]比如可以从欧洲古建筑、中国古赵州桥等实际工程让学生去了解拱结构；从输电塔，桁架桥梁去体会桁架结构的特点；从汽车火车过桥的力学问题引入移动荷载及影响线概念；从力法、位移法、力矩分配法的发展历史来讲解这些方法出现的历史因素及发展过程，对比各种方法计算超静定结构内力与位移的优缺点，从而让他们深刻地了解这些理论方法的特点及应用范围。这不但提高了学生的学习兴趣，也可以让学生建立起前后联系的结构力学知识框架，教学效果较好。此外，在学习“结构力学”理论知识的同时，增加一些科研实践环节，让学生自己理论联系实际。如组织学生分组参加结构模型设计大赛，鼓励学生运用结构力学知识去申请创新性实验项目，[5]在学科竞赛和科研实践中加深对结构力学知识的理解和应用，从而提高学生学习“结构力学”的兴趣。

四、改革考试考核方式

考试是检查学生学习效果的重要途径之一。“结构力学”当前普遍采用的考核方式是闭卷考试，试卷一般来自标准化的考试题库，其基本题型包括填空、选择、判断、作图、计算等。闭卷考试对学生的理论水平和应试能力均有较高的要求。“结构力学”作为一门工程应用型课程，其知识内容直接或间接地涉及大量的工程实践，一次期末考试往往不能客观地反映学生的学习水平与实践应用能力，为此，学校正改革“结构力学”课程的考核方式。“结构力学”课程考核已经采用机试、笔试和平时成绩相结合的方式。机试在机房电脑上完成，主要测试题型为判断题和选择题，用于考查学生“结构力学”基本概念的掌握程度，每位学生从机试题库中随机抽取20道题，答题完成后计算机自动算这部分成绩，并占综合成绩的20%。笔试题型为计算题和作图题，主要考查学生运用结构力学方法解决问题的能力，成绩占总成绩的60%。平时成绩占20%，主要考查学生平时作业、课堂表现与网络教学学习情况等。总之，考试考核方式改革的趋势是将期末一次性闭卷考试与机试、网络教学、随堂练习、课程作业、开卷考试等多种方式结合起来，用以弥补单一闭卷考试的不足。

五、结语

新形势下优化“结构力学”教学内容，增加实践环节，改进教学手段，发挥多媒体和网络教学平台优势，改进教学方法，理论联系实际并采用启发式教学，同时改进考试考核方法。这些措施提高了“结构力学”教学效果，培养了学生的动手能力和创新思维等综合素质，学生综合素质得到提高。结构力学教改后，学校学生在2012年湖南省第一届结构设计大赛中包揽了前三名。

参考文献：

[1]温中华，唐克东.《结构力学》教学改革的思路[J].华北水利水电学院学报（社会科学版），2011，27（6）：168-169.

[2]李廉锟.结构力学[M].北京：高等教育出版社，2010：65-181.

[3]付果，马晓娟.以科研实践提高土木工程专业学生的创新能力[J].当代教育论坛（综合版），2010，（10）：117-119.