工程结构设计原理
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工程结构设计原理范文第1篇
（武汉铁路职业技术学院 湖北 武汉 450052）
摘要：课程文化建设是高职院校培养高素质应用型人才的必然要求。高职教育在课程文化建设的过程中，需要避免简单地把文化建设理解为文化课程的建设，而是要将知识传授与观念、理念、思维的培养协同起来，推行知识、能力与素质三位一体的教学模式。本文基于高职铁道工程专业的专业基础课程多年教学实践与研究，提出了构建高职专业技术课程文化建设的概念、思路与途径。
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2014）12-0089-04
以应用能力培养为核心目标的高职教育教学改革已取得了很多成果。其中，将知识传播与能力培养相结合，知识、能力、素养三位一体的教学目标已经形成共识。从培养综合能力，提高从事职业活动的认知能力、思维能力、判断能力、方法能力的角度，把课程知识作为载体，将文化教育渗透其中，形成反映课程知识与能力特征的课程文化，从而使课程教育立体化，可以让学生不再执著于课程知识的“迷宫”。
“工程结构设计原理”课程是铁道工程专业的一门专业基础知识课程，以道路桥面类桥涵设计通用规范、混凝土结构技术规程为基础，主要教授钢筋混凝土、预应力混凝土、圬工结构构件的设计原理，其主要内容包括如何合理选择构件截面尺寸及其联结方式，并根据作用的情况验算构件的承载力、稳定性、挠度和裂缝等问题，它为学习铁道工程、桥梁隧道构造物的设计计算与施工技术奠定理论基础。
当我们从传授知识的视角，将其视为一门重要的技术基础课时，我们意识到了这门课程对规范条文的概念、实质的理解与应用能力的重要性。
结构的静力平衡条件与事物的生存法则
静力平衡条件是钢筋混凝土受弯构件按承载能力极限状态设计，无论是单筋矩形截面，或双筋矩形截面或T形截面，基本计算式从两个方面得到，一是水平力平衡，二是弯矩平衡。以单筋矩形截面为例：
由水平力平衡，即∑H=0，可得
fcd·bx=fsd·As（1）
由弯矩平衡，即∑M=0，可得
根据按承载能力的极限状态设计的原则得出两个公式：
公式的适用条件是
X≤ξ0h0（5）
结构计算的目的要求得到As并确定梁体截面尺寸b和h0。从数学的角度，在给定已知参数的情况下，用公式（1）、与公式（3）或（4）两个方程就可以解出包括在内的两个未知数。
这种结构设计计算的关键不在于解方程的技巧，而在于对计算公式适用条件的选择。需要讨论x≤ξbh0的条件是否满足。一是要考虑平衡建立的基础条件：承载能力达到极限状态下梁在下部截面上发生了什么？二是要考虑梁的配筋条件设定得是否合理，钢筋过多还是过少。
从知识的角度，我们引导学生把问题简单化，即只要会解这个二元二次方程就行了；强调从思维能力的角度，需要学生考虑一个问题，那就是任何事物处于平衡状态都是有条件的。
事物的平衡条件包括两个方面——主观条件与客观条件。在这里客观条件就是要求梁的极限承载能力发生时既不能钢筋太少，也不能钢筋太多，即公式（5）、（6）给定的条件；主观条件则是由自己设定的，设计者一开始假设的参数as（公式中h0=（h-as））是否合理。通过反复的练习，学生主要不是在解题熟练程度上的长进，而是对适用条件的掌握，懂得了自己设定的条件会成为所得结果的重要影响因素。当跳出这种计算，我们会发现，世上事物的许多不平衡往往确实存在着客观条件限制，这是我们很难改变的，但更多情况下是由于我们自身设定的偏差。调整设定值，问题就能得到圆满的解决。
结构设计的多方案性与三分法思维
土建结构的设计与施工所面对的工程项目具有四大特性，即作业条件与环境的开放性；时间、地点、资源的制约性；项目本身与最终成果的唯一性；进度、成本、质量影响因素的不确定性等特征。因此具体到每一个设计结果，答案不是唯一的。在结构设计原理的设计案例中，有时未知数条件过多需要假设，有时需要多次修改反复验算，条件不同答案就不同。对于一个梁的承载能力计算，满足同样的荷载要求，梁的截面与配筋方案可以是多样的，关键看设计者在计算过程中将什么视为主要因素。我们在批阅学生完成的设计方案时，对其答案不应该简单地用“√”或“×”来进行判断。很多情况下，要从他考虑问题的角度考察其过程是否正确，考虑的因素是否齐全，鼓励学生从多角度考虑设计问题。
工程结构设计需要多方案比较，这是由工程设计的特性决定的。在结构设计原理学习中，特别鼓励学生对同一设计案例作出多种方案。在学习过程中逐步培养工程思维能力，即充分论证方案的可行性、可操作性和运筹性；正确处理方案的可靠性与可错性、容错性；积极调动设计者思维的流畅性、变通性和独特性。
面对一个命题，我们往往容易急于做出判断，得出结论：即对于一个问题仅得出“是”或“非”这种两分法答案。然而，社会是开放的，环境是开放的，这就要求我们的思维也必须开阔。“斟酌”是一种工作方法，古人说的“三思而后行”就是要求我们做多方案比较，权衡不同的因素在命题中的影响作用，对于每一个答案不能简单地用“是”或“非”、“好”或“不好”来做判断，这就是“三分法”。
三分法是一种思维模式，是一种对事物决策强调理性思考过程的方法，也是从事工程结构设计的智慧之一。三分法思维能够有效地避免人们在决策过程中种种偏执、武断、急躁、冲动情绪的影响。对于未来从事结构工程施工与维护的高级专门技术人才来说，善于权衡利弊，反复论证，培养三分法思维，并能有效地应用于工程专业的生产实践中，是一种可贵的职业素质。
受弯构件试验梁的设计与创新思维的实践性特征
图1是用于分析钢筋混凝土受弯构件受力全过程与破坏特征的试验梁。
从学习知识的角度，介绍这个梁具有纯受弯构件的特性，且属于弯矩为恒值就可以了。当我们进一步分析构件的弯矩图与剪力图特征时，发现学生对于“为什么是这种梁，而不是其他形式的梁”更有兴趣。通常，我们简单地表述一个受弯构件是下页图2中a的受力形式，即一个梁体在跨中受到一个集中力。这时的弯矩分布呈现为倒三角形，而剪力分布在整个梁体上，左侧为正，右侧为负。比较下页图2中a与b可以发现，当由一个集中力演变为两个集中力时，构件的受弯与受剪特性发生了质的变化。这个演变过程叫做“一生二”的过程。
作为试验梁，测试数据的基本要求是符合规律性，因此试验条件必须具备良好的重演性，试验影响因素必须具有确定性或唯一性。显然，下页图2中a构件梁体的每个截面弯矩值都不同，每个截面既受弯矩又受剪力，不能满足试验研究的基本条件。进而对梁体的特定截面分别进行剪力与弯矩计算发现，采用b的集中力分布使得在梁体的CD段出现纯受弯与弯矩为恒值的特征。由一个集中力到两个集中力，是集中力的数量变化，而引起的结果是受力性质的改变。经过对知识的深入挖掘，当我们再看试验梁构造时，学生会发出“这张图很完美”的感叹，因为这是一个创造的过程。而实际上，这个过程是完成任何工程技术试验研究的必由之路。
当我们对一张受力图感到亲切的时候，我们收获的不再是简单的知识，而是由知识上升为一种能力，一种摸索工程技术实验方法的能力，一种解决问题的智慧，一种对事物规律性探索的愿望。这是“一生二”的过程——由关注一张图，变成了弄清楚两张图。
年轻人对世界是充满好奇的，这种好奇是创造力的源泉。作为一门专业基础课程，把课程中蕴含的创造性思维调动出来、展示出来，给学生以启发和引导，比孤立地开一门课程去教育学生如何创新要真切得多。因此，我们在研究高职教育改革时，要讲透“是什么”，因为这是知识层面规定，也应该根据内容需要讲清楚“为什么”，这是涉及能力培养的需要，有时还需要讲讲“是怎么来的”和解决问题的思维过程，这是涉及素质层面的内容。把知识能力与素质培养结合在一门课程的教学中，强调课程的综合教学，而不是把各门课程孤立开来，仅仅“承包”规定的知识传授内容，这才是我们教育教学改革的出路，是我们倡导课程文化建立的立意所在。
结构三向受压特征与人的自我约束与保护
柱是钢筋混凝土结构中的受压构件，一般采用普通箍筋形成柱的骨架结构。当柱承受的轴向压力很大，而其截面尺寸又受到限制不能加大时，无论怎么提高混凝土的强度等级或增加纵向主钢筋用量都不足以承受这种轴向压力，此时可以采取螺旋箍筋柱形式以提高柱的承载力。
所谓螺旋箍筋柱，就是用间距比普通钢筋混凝土柱小得多的闭合钢筋将柱的核心混凝土围箍起来犹如形成一个套筒，通过这种作用可以有效地限制核心混凝土的横向变形，从而提高柱的承载能力。螺旋箍筋是一种构造，它形成的柱则是一种与普通混凝土结构不同性质的构件。在普通结构中，如果混凝土承受超过自身极限承载能力的作用时，结构就会被破坏；而在螺旋箍筋柱中，轴向压力增大会伴随混凝土的变形，但是由于有螺旋箍筋的围箍作用，使得混凝土不能发生自由横向变形，我们把这样一种受力状态叫做“三向受压”。即当构件承受z轴方向的压力时，如果对构件的两个侧向x、y轴方向施加压力，则可以提高对z轴方向压力的承载能力。形象地称为，如果“有人撑腰”则顶住压力的能力增强。
这是提高结构构件受压承载能力的原理。我们不是在课堂把它仅仅停留在技术层面来讨论这个问题，而是要进一步追问通过这个案例能够得到什么样的人生感悟。
所谓人的进步，指的是能力的提高，通常就要面对新的更大的压力。从力学的角度，应力与应变、受力与产生变形永远是相伴而生的。面对过大的工作、学习、生活的压力，人们产生身体与行为上的变形是自然的，问题在于，你对承受这种压力是否做好了准备，即面对各种变形提供相应的自我约束与保护。在压力不大时，这种约束或许并不发生效用，而一旦压力很大时，没有严格的自我约束是不可能承受的。有理想、有抱负的人往往是那些懂得自我约束的人，想不受约束而顺利承担重任的“混凝土人”是不存在的。螺旋箍筋的道理还可以启示我们去理解制度、法律及社会约束以及如何保障社会秩序的有效运行。
结构耐久性设计方法与解决矛盾的分类法
工程结构设计讨论的是结构在规定的时间内、规定的条件下完成预定功能的能力，耐久性与结构的安全性、适用性共同组成结构功能的三大指标。
耐久性是指结构对气候变化、化学侵蚀、物理作用或任何其他破坏过程的抵抗能力。其中的影响因素分别来自对混凝土的损伤（裂缝、破碎、酥裂、磨损、溶蚀等），对钢筋锈蚀、脆化、疲劳、应力腐蚀以及对钢筋与混凝土之间黏结作用的削弱。结构耐久性取决于混凝土材料的自身特征和结构的使用环境。
在结构设计中，设计规范提出了按结构使用环境进行耐久性设计的概念，明确规定了不同使用环境下结构耐久性的基本要求，对影响混凝土耐久性的最大水灰比、最小水泥用量、最低强度等级、最大氯离子含量和碱含量等做出了限值规定。环境条件划分成四大类别，分别针对：Ⅰ类温暖或寒冷地区的大气环境、与无侵蚀性的水或土接触的环境；Ⅱ类严寒地区的大气环境、使用除冰盐环境、滨海环境；Ⅲ类海水环境；Ⅳ类为受侵蚀性物质影响的环境。同时依据这种对环境影响程度的等级分类，分别制定抗冻等级选用标准、混凝土保护层厚度标准等一系列要求。
学习这一条例规定给予我们的启示是什么？耐久性设计面对的主要是环境的影响，作为结构本身是无法改变环境的，于是要提高耐久性必须使结构适应不同的环境。怎么适应？
第一位的要求就是面对外部，对环境分门别类，将大气环境、水环境以及运营条件按影响严重程度不同进行等级分类；第二位的要求是面对内部，提出适应性要求，在设计措施、施工措施上做出规定，从而达到内部与外部的协调一致。
人们对于自身所处的环境有很多的无能为力，你能够做的就是善于识别不同的环境情况，有了明确的认识与界限划分，才能做到区别对待。这里教给我们的工作方法是，工作千头万绪、错综复杂，如果我们一头扎进去拼命地干，往往事倍功半。于是，首要的工作是进行分类，区别不同的对象进行排列、组合，形成轻重缓急、主次先后，尤其当这种无序是我们自身所无法控制的情况时，分类法是必要的、有效的。
我们能够控制与改变的是我们自身，不要指望用自身的固定条件能够适应各种环境，“以不变应万变”，必须善于调节自身条件以适应不同的环境。这里的关注点在于，你用最强势的条件去应对最一般的环境条件实际上是不合理的。比如说，采用最大的保护层厚度应对Ⅰ类环境是不恰当的。因为厚度本身也有其不利的影响，过厚的保护层容易开裂。人们发挥自身的能力一定要与所处的环境相适应，能力不足不能满足工作需要，能力表现得过高同样也不一定适应工作需要。
结论
第一，专业课程文化的开发与建设是高职教育走向职业化、素质化培养目标的必然体现。不同的课程具有不同的知识领域特性，与之相适应的则是理念、实践与方法论特征，倡导课程文化建设，就是要提倡在传授知识的同时，将知识中蕴含的逻辑、思维等方法传授给学生。
第二，知识、能力与素养是高职教育的三大目标，相互之间有着内在的联系。在教学过程中不宜简单地针对三个目标分别制定措施，而必须将三大目标协同起来。它们的关系在于，知识是花朵，能力是树干，而素养是根须。掌握知识是第一层次目标，掌握学习知识的方法，可以适应知识更新的发展是能力培养，这是第二层次目标；了解知识的产生过程，发现知识的规律，可以发掘、积累、创新知识是素养提升，是第三层次目标。教学的目的就是要让花朵繁茂，更要让树干强壮，根须发达，使知识之树常青。
第三，课程文化需要发现、发掘和总结。知识是表层，蕴藏于知识中的认识过程、思维方式、实践规律需要专业技术人员去细致探究，才能有所心得，有所发现。因此，课程文化建设是一个钻研的过程、探索的过程、积累的过程、归纳总结的过程。
第四，课程文化建设依赖于课程教学团队的通力合作。任何文化的力量都源于集体。整个课程教学团队对课程文化建设重要性的共识，对课程知识所蕴含思维、逻辑、规律的共同探究，是课程文化建设的基础，也是课程文化建设的保障。
课程文化建设成功的标志，是学生通过课程教学收获了知识，多年以后虽知识逐渐淡化，而支撑这些知识的思想与方法仍植根在学生的脑海，使学生能够真正成为“具有特定专门技术知识的智能型人才”。
参考文献：
[1]吴加澍.对物理教学的哲学思考[J].课程·教学·教法，2005（7）.
[2]孙元桃.结构设计原理（第3版）[M].北京：人民交通出版社，2009.
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[4]王德如.善于课程文化自学的思考[J].河南教育学院学报（哲学社会科学版），2007（5）.
工程结构设计原理范文第2篇
关键词：大土木专业；结构设计原理；精品教材
中图分类号：G423.3；TU-4 文献标志码：A 文章编号：1005-2909（2016）05-0067-04
土木工程专业的人才培养模式很大程度决定了未来土木工程师的能力与素质。目前世界上大多数国家采取“通才”教育，即强调“土木工程专业宽口径”的培养目标，在培养方案和课程设置上注重大土木平台的构建[1-2]。在这样的背景下，专业平台课程的学习对学生知识体系的形成尤为重要。
结构设计原理课程作为土木工程专业的专业基础课[3]，对帮助学生构建基本结构概念非常重要。近10年来，笔者所在的教学团队针对该课程进行了一系列的实践探索，先后承担并完成多项课程建设与改革项目，该课程已荣获“江苏省精品课程”，团队编著的《结构设计原理》教材[4]获江苏省精品教材和重点修订教材等立项。
笔者基于教学团队在课堂教学及教材修订过程中的实践，对《结构设计原理》精品教材建设进行探讨，旨在为土木工程专业基础课程教材建设提供参考。
一、现状分析
结构设计原理是土木工程专业的基础核心课程，主要培养学生掌握结构基本构件的设计计算能力，为结构整体设计奠定基础。结构设计原理主要讲授混凝土结构设计原理和钢结构设计原理两部分内容，课程具有基础性强、学时长、知识体系复杂、实践性强等特点。目前国内各高校均将该课程设置在第五学期，但开设方式各有不同，例如：清华大学将课程分为混凝土结构（1）和钢结构（1）两门课程，每门分别为3学分，合计96学时；同济大学分为混凝土结构基本
原理和钢结构基本原理，分别为4学分和2.5学分，合计111学时；东南大学将两部分合并为工程结构基本原理，合计5学分80学时；中国矿业大学将钢筋混凝土结构和钢结构合并为结构设计原理课程，共80学时。
教材的编写和选用与课程设置密切相关，教材的编写质量对课程教学效果的影响也非常明显[5-6]。目前对于《钢筋混凝土设计原理》和《钢结构设计原理》教材的建设，要么完全分离，要么简单组合，在教材内容编排方面对知识体系的完整性和共通性考虑不足。有些教材过于偏重理论分析，与实际工程联系不紧密；有些教材仅强调实例缺乏足够的理论分析。在“大土木”的背景下，如何将土木工程中基本构件的设计原理融合为一整体，实现真正意义上的平台课的搭建目标，并与后续专业课的学习有效搭接，成为精品教材建设需要思考和解决的问题。
二、教材编写探讨
基于上述现状分析和实践探索，笔者认为大土木专业结构设计原理精品课程教材的编写应重视原理共通与材料差异并存，做到基本原理与工程应用并重，实现课堂学习与课外拓展并举。
（一） 原理共通与材料差异并存
作为一门介绍专业基础的课程，其教材应体现结构构件基本设计原理的共通性，同时也不应忽略这些基本原理因材料的不同而引起的差异。以图1（a）所示纯弯曲构件为例，如果是钢筋混凝土梁图1（b），其设计公式来源于试验现象及理论推导的结合，讲解中通常需要强调钢筋与混凝土二者共同受力，给出如图2所示的截面应力的变化图，并有一系列基本假定作为前提才能获得这些基本公式，在授课过程中必须强调试验现象并有专门的试验环节针对该内容做深化；而钢梁图1（c）的设计公式则源于材料力学的理论推导，其截面应力的变化如图3所示。对比图2与图3，可见其差异明显。
这种差异在轴压柱、偏压柱以及构件的连接方面也有所体现。如果无视这种差异，强行将两部分内容简单揉合，必然给学习者特别是初学者带来很大的困惑，
造成概念混淆、理解混乱。为此，在教材的结构安排上，应将混凝土结构设计原理及钢结构设计原理分篇编写，既显示出两者之间在原理上的相通性，又体现了不同材料构件设计的区别。这样有既利于学生理解学习，又方便教师讲解。
（二）基本原理与工程应用并重
结构设计原理课程的特点应该是“始于理论，终于应用”，即立足于基础理论的同时还要强调基本原理的应用方法，以使学生在掌握基本概念的基础上，通过实例将原理应用于设计实践，加深学生理解。
首先应妥善把握理论推导的尺度。对基本理论的涉及深度不宜过深，因为纠缠于基本理论往往会适得其反，造成学生疲于推导、演算，而忽略理论背后的“原理”。另外，理论推导枯燥乏味，势必增加学生的学习负担，削弱其学习兴趣。教材中的理论应服务于基本原理。例如钢结构轴心受压构件的整体稳定设计中非常重要的整体稳定系数φ，它综合体现了初弯曲、初偏心和焊接残余应力对构件临界应力的影响，其中讲到初弯曲对轴心压杆承载力的影响时，用图4所示的压杆进行理论分析，推导出轴心压力接近临界压力时，其跨中挠度趋于无穷大的结论，表明构件失稳，就很好地体现了“原理”。
其次，应重点培养学生对基本原理的应用方法。教材中对每个知识点都应该有相应的例题可以参考，同时还应有综合例题将相关知识点串联，使学习者对知识点有系统整体把握。图5为某钢结构的主次梁体系，以此为工程背景，可以将其次梁、主梁、柱、支撑等基本构件的设计，以及主次梁、主梁与柱的连接设计分散于各个章节的例题中，既能各自独立，又能形成整体结构，帮助学生构建由点及面的知识体系，应用效果非常好。当然，作为教材，课后还应配合一些习题帮助学生完成课外拓展训练，使学生能及时将课程学习的内容进行具体应用。无论是例题还是习题，都要做到与实际工程紧密联系，只有多联系实际才能保证“原理”有个坚实的落脚点。
（三） 课堂学习与课外拓展并举
土木工程学科的一个重要特点就是实践性很强，任何一个理论都要经得住实践的检验，而很多设计理论也都是源于实践。因此，一方面应强调设计方法的实践来源，在教材内容编排上可按照试验研究―理论分析―设计方法―实例分析的顺序进行，并适当配合现场试验、动画演示以及试验录像以加深学习者的印象。另一方面应注意激发学生自主动手的能力，比如在教材中加入自主设计试验、模型制作等习题。这对培养学生的结构感觉非常重要，也可以丰富教学内容。图6a为钢结构连接部分的一道课后综合作业题，包含了角焊缝受拉受弯、螺栓拉剪、螺栓拉弯等连接的验算。学生对该图的理解有困难，为了解决此问题，首先指导学生绘制了该连接的三维模型（图6b），通过旋转角度动态观察辅助识图，然后组织学生动手制作缩比模型（图6c），通过亲手操作组装，学生对钢结构的传力路径、连接方式及构造细节等有了更为深入的理解。这种实践教学方法操作简单，很好地实现了课堂学习与课外拓展的有效对接，实施效果良好。
结构设计的流程相对比较程序化，每种构件的设计都遵循一定的流程和规律，即材料参数确定、截面初选、基本设计公式选用、适用条件校核、复核等。为此，可以在每一章节设计方法阐述之后，附上对应内容的程序化流程图（图7），以有利于学生对设计过程的总体把握。同时，该部分内容也为学有余力的学生提供了很好的编程锻炼机会，如图8即为指导学生参照教材流程编制的VB小程序，界面简单、功能齐全、效果良好。
由于篇幅有限，这些课外拓展内容无法在教材中充分展开，可以将其制作为电子资源库，采用多媒体教材的形式对纸质教材进行适当补充。此外，还可将电子资源整合于精品课程网站，供学生浏览学习。
三、结语
结构设计原理是大土木专业一门非常重要的专业核心课程，其内容多、公式多、公式适用条件多，具有一定的难度。教材建设作为该课程的重要环节，对教学效果的影响较大。基于多年的课堂教学和教材建设实践，笔者对大土木专业结构设计原理课程精品教材的编写进行一些探讨，以期为土木工程专业基础课程教材的建设提供参考。
参考文献：
[1] 陈以一.国际土木工程界对未来工程师教育的若干关注点[J].高等建筑教育，2006，15（2）：119-121.
[2] 徐礼华，傅旭东，彭华，等.土木工程专业复合型创新人才培养体系的构建与实践[J].高等建筑教育，2016，25（1）：55-60.
[3] 徐明，宗周红，张蓓，等.工程结构设计原理实验课程教学改革[J].高等建筑教育，2015，24（5）：111-114.
[4] 夏军武，贾福萍，李富民，等.结构设计原理[M].江苏，徐州：中国矿业大学出版社，2009.
工程结构设计原理范文第3篇
1混凝土结构设计的原理
1.1混凝土结构设计过程中的抗震设计
为了更好的将混凝土应用到各个行业中，在进行混凝土结构设计的时候，我们必须要首先准确的了解并且掌握所有混凝土结构设计的原理，而在所有结构设计原理中，抗震设计是极其重要的原理之一。对于抗震设计原理而言，它受地质条件影响比较大。众所周知的是，在建筑工程施工过程中，混凝土柱需要承受的力比较大，尤其是在一些高压力的情况下，混凝土柱很难具有一定的延展性能，甚至可能会导致混凝土柱出现变形的情况，因此，为了更好的避免这一现象，在进行结构设计的时候，我们必须要严格的遵循“强柱弱梁”的设计原则，保证承受压力的部分具有一定的延展性能。另外，在进行设计的过程中，我们还应该尽可能的通过控制受压区的高度，以及梁的上部和下部之间的比例关系，通过改变各种内力之间的系数关系不断地增加所有混凝土柱承受压力的性能。
1.2抗裂设计
在将混凝土应用到建筑工程施工的过程中，为了更好的确保建筑物的质量，我们必须要确保所有建筑物具有一定的抗裂能力，进而更好的避免建筑物出现裂缝。而导致混凝土结构物出现裂缝的主要原因就是结构物本身的耐久性、防水性能降低，因此，进行裂缝控制是将混凝土结构设计更好的应用到建筑工程的有效手段之一。例如，在进行混凝土结构设计的过程中，为了更好的提高所有混凝土结构物的抗裂性能，我们必须要针对不同的结构采取相对应的抗裂对策。如在进行混凝土原材料选择的时候，我们必须要选择正规的厂家进行原材料的购买，在购买的过程中应该由专业的工作人员选择高质量的混凝土原材料。同时，我们还应该尽可能的选择水化热比较低的水泥，控制好水与灰的比例，适当的在材料中添加一些外加剂，这样可以更好的防止混凝土结构物出现开裂的现象。另外，在进行混凝土结构设计的过程中，我们还应该尽可能的加大梁的截面积或者则可以增加板的厚度，进而不断的提高混凝土结构的强度，只有混凝土结构物的强度提高了，才能更好的确保混凝土结构物具有足够的安全性和耐久性。
1.3混凝土结构设计中的平面设计
除了抗震设计和抗裂设计，在将混凝土应用到实际施工过程中，我们还必须要严格的遵循平面设计这一原则。随着我国经济的快速发展，对于建筑物结构设计质量水平提出了越来越高的要求，同时对于混凝土结构设计也提出了比较高的要求。如在进行混凝土结构设计的过程中，我们必须要尽可能的确保整个设计平面的规则、简单以及对称，这样可以更好的提供混凝土结构物的刚度以及承载能力，最终不断的提高混凝土结构物的抗裂、抗震能力。另外，在进行结构设计的时候，我们还应该确保所有结构的平面、立面以及结构布置具有一定的规则性，同时还应该具备合理的传递力的途径以及方式，进而使得作用在混凝土上部结构的力都能够直接的传递到目的地，避免了中间的传递过程。最后，还应该确保混凝土结构物具有整体的可靠性以及牢固性，进而更好的避免因为外来力的影响导致建筑出现倒塌的现象，给企业带来巨大的经济损失。确定构件与构件之间、结构与结构之间，该彻底分离的绝不似分非分，该牢固的绝不似接非接；处理好结构单元与结构构件承载力之间的关系，尽量设置多道抗震防线，增强结构的抗震能力。
2混凝土结构设计过程中所存在的问题
尽管几年来我国许多企业在混凝土结构设计方面取得了比较显著的成就，但是，尽管如此，我国许多企业在进行混凝土结构设计的过程中仍然存在着一系列的问题。例如，一些企业的混凝土结构设计管理机制不够完善，有些设计人员在设计过程中不能严格的按照设计标准进行设计。另外，还有一部分设计人员的专业素养比较低，他们对于混凝土结构设计相关知识的掌握不足。最后，甚至有一些企业在进行混凝土结构设计的时候不能严格的按照客户的需求进行设计，随意的改变设计的理念，这对于促进我国混凝土结构设计的发展具有极其不利的影响。
3结束语
总而言之，在当代这样一个社会，混凝土已经被广泛的应用到了许多行业中，而为了更好的将混凝土材料应用到实际中，我们必须要不断的提高混凝土结构设计的水平。而在设计的过程中，我们应该首先发现我国在混凝土结构设计过程中所存在的问题，然后尽快的根据这些问题提出相对应的解决对策。
作者:王炳监 单位:盐城工业职业技术学院
参考文献：
[1]纪福宏,郭惠琴.混凝土结构设计中若干问题的探讨[J].山西建筑,2005.
工程结构设计原理范文第4篇
关键词: 荷载与结构设计方法课程 对策 教学方法改革
20世纪末教育部对土木工程专业进行了新的划分,原建筑工程专业、交通土建专业、地下工程专业及矿山建设专业合并为土木工程专业,其课程体系设置也作了相应调整,增设了荷载与结构设计方法这门专业基础课。但是,几年来在荷载与结构设计方法课程的教学过程中,我们发现该课程的设置存在一些问题,使其教学过程面临困难。为解决这些问题,我们作了相关的探讨和实践。
一、荷载与结构设计方法课的内容及要求
荷载与结构设计方法属于专业基础课程。教学内容主要可分为两部分[1-2]:第一部分是结构在使用年限内可能遇到的各种荷载及其相应的计算方法,包括重力引起的竖向荷载计算、侧压力计算、风荷载计算、地震荷载计算、其他作用计算等。这部分内容主要是各种荷载的作用机理和计算公式的推导以及计算作用在结构上产生的荷载效应,要求学生掌握各种荷载的计算方法。第二部分是介绍结构设计方法,包括荷载统计分析、抗力统计分析、结构可靠度分析及概率极限设计方法,要求学生掌握满足可靠度的结构设计方法。因此,该课程的学习效果对于学生掌握专业基础知识,深入学习后继专业课程具有重大影响[3]。但是第二部分内容不再涉及各类荷载的计算,因此这两部分内容在概念体系上不是充分相关的。
二、荷载与结构设计方法课面临的困难
要完成荷载与结构设计方法课的教学任务,我们先要分析该课程的前修课程有哪些[4]。
重力引起的竖向荷载计算包括结构自重荷载、土的自重荷载、雪荷载、车荷载、楼屋面活荷载及行人荷载。在结构自重荷载、雪荷载、楼屋面活荷载及行人荷载的计算中,往往要将这些荷载计算到不同构件层次上。为此,我们需要知道建筑物的构造方法、结构体系及力的传递路径,而这些知识有赖于房屋建筑学、各类结构设计与板壳力学的知识。
侧压力计算包括土的侧压力、水压力、波浪荷载、冻胀力等。土的侧压力是以土的材料性能和强度理论为基础,我们必须学习土力学和弹性力学才能很好地理解和掌握。水压力和波浪荷载计算需要以流体力学为基础。
风荷载计算需要知道空气流体的特性,以及结构的动力响应特性,需要流体力学和结构动力学的知识支撑。
地震荷载计算较难,涉及到地震基本知识、结构地震设防和结构的动力响应特性等,不先学习结构抗震工程和结构动力学是不可能做到的。
其他作用中的爆炸作用需要空气动力学课的知识,而本专业一般不开设该课,因此只能直接介绍爆炸作用的计算公式。预加力涉及到预应力知识,主要在混凝土结构设计原理和施工技术里讲解。
荷载的统计分析和结构抗力的统计分析涉及到概率与统计知识。
综上所述,荷载与结构设计方法的前修课程有概率与统计、房屋建筑学、结构力学、弹性力学、土力学、流体力学、结构抗震工程、结构动力学、混凝土结构设计原理和施工技术等课程,特别是概率与统计、土力学、结构动力学和建筑抗震工程。没有这些前修课程的支撑,要学好荷载与结构设计方法课中的第一部分内容犹如空中建楼,是不可能实现的。由于荷载与结构设计方法课是专业基础课,在教学计划中这些课程不可能全部安排在该课程之前,否则不利于教学活动的组织。混凝土结构设计原理、结构抗震工程和施工技术等课程一般安排在大学后期学习。
另外,荷载与结构设计方法课的很多内容与其他专业课程重复,如土的侧压力与土力学知识重复,地震作用与结构抗震工程内容重复,水压力与流体力学内容重复,等等。由于该课程学时有限,内容涉及面广,但又没有相关课程内容讲的深入,教师只能点到为止,不能深入其里,学生容易产生混淆和负迁移。我们在课堂教学过程和学生的问卷调查中均发现,学生在学习第一部分内容时新鲜感大打折扣;而第二部分内容理论性强,没有具体结构作为讲解载体,学习起来较为枯燥乏味。这就使得教学效果不理想,教学过程面临困难。
三、问题与对策
荷载与结构设计方法课对前修课的要求及其与现有教学计划的矛盾属于教学计划层面上的结构性矛盾,其根本解决思路应从结构调整上入手。我们在教学实践经验基础上,对这问题作了探讨,认为要解决这个问题,可以取消荷载与结构设计方法课,把该课程的教学内容拆分,再重组到相应的课程上讲解。
第一部分内容不再强调荷载的作用机理和计算公式的推导,致力于从应用层面上讲解各种荷载的计算。把与土有关的荷载在土力学课上讲解,与水有关的荷载在水力学课上讲解;地震作用在结构抗震工程上讲解;风荷载和爆炸作用可在流体力学课上讲解;雪荷载、结构自重荷载和楼屋面荷载相对比较简单,可以在混凝土结构设计大作业或课程设计中讲解;温度作用和变形作用可以在结构力学中讲解。如此一来,既能使学生学习各种荷载的计算方法,又能解决荷载与结构设计方法课这部分内容所面临的矛盾。
第二部分内容是结构设计方法,不再涉及各类荷载的具体计算,混凝土结构设计课程也涉及到结构设计方法。因此可以把两门课程的这部分内容结合起来,放在混凝土结构设计课程中讲解。把结构可靠度设计理论和结构设计方法应用到具体结构的设计上,从应用层面上来讲解,直观形象,学生感觉这部分内容学来即用,比单纯的理论学习效果要好。
把荷载与结构设计方法教学内容拆分重组,既可以保证教学计划的系统性,又可以避免教学内容上的重复。现在有不少学校在实践这种方法,如东南大学将荷载与结构设计方法和混凝土结构设计两门课程结合起来,统称为工程结构设计原理。
四、教学方法改革
在课程体系尚未执行,不能从教学计划上作调整时,为了提高教学效果,权宜之计是在教学方法方面进行改革。我们发现,在教学中若过于重视荷载的产生机理和计算公式的推导,很容易使学生陷入概念、符号、公式系数中,产生畏惧感,丧失信心、失去兴趣。因此教学方法改革很有必要。
1.创设启发式、讨论式教学氛围。
为调动学生学习的主动性,促使其养成勤于思考的习惯,教师在一开始就要形成问题情景,启发学生进行初步探索,激发学生的探究心理,调动学习积极性。我们采用课前、课中、课后提问,将问题情景贯穿教学全过程。在讲授教学内容前提出问题,学生大都能积极思考、预习,因为学生有思考和准备,所以回答问题很踊跃,自然形成了讨论式、师生互动的氛围。而课前提问即是将要进行课堂教学内容的关键、核心所在,所以教师是在引导学生积极思考、与自己同步思维,在回答问题的过程中使教学层层深入,最终解决问题。提出课后问题以帮助学生进一步理解、吸收所学知识。教师在精心创设的问题情景中,对每个问题都不是单向灌输,学生在回答问题的过程中也在体会学习的方法、解决问题的方法。
2.以工程实例为载体,授课方法以知识应用型为主。
教师在课程中,应积极引进案例、提出需要完成的任务,在授课中注重教学互动,并利用校内实训场进行现场模拟教学,特别是典型恶性事故的讲解、观察分析身边工程结构思考开放性问题、录像、大作业训练、课程设计、参观实习等,在整个教学过程的各个环节中多侧面、多角度将理论联系实际,帮助学生加深对理论知识的理解,增强工程意识,尽量缩短理论与实践之间的差距。在可能的环节中尽量让学生动手参与,使他们成为课堂上的主体[5]。这样的教学方式能够激发学生强烈的求知欲望,强化他们的创造性思维能力。
3.提供网络平台,为学生课外学习营造良好环境。
教师可以充分利用现代教学手段与方法,建立荷载与结构设计方法的课程网站,通过网络平台承载更多的信息,上传多媒体课件、工程图片、作业习题,对一些难点和重点进行知识延伸和链接,解决课程内容多、学生感性认识少、平面表达难度大的问题,教学课件与大量工程资料图片、录像结合,利用分析软件模拟工程结构工作状态与动画演示,等等,加大信息量,可以激发学生的学习兴趣,提高教学效果。
4.建立从“整体到局部”的教学模式。
长期以来荷载与结构设计方法遵循“从局部到整体”的教学模式,即由各种荷载计算到荷载组合,两部分内容相互割裂,缺乏联系,任何结构不可能只承受一种荷载,而总是同时有几种荷载作用在结构上。从单个荷载出发的教学模式,一开始就缺乏整体感,没考虑到学生能否自己完成把各种荷载组合成结构的受力状态,其结果是学生孤立地学习了一些荷载知识,却未建立起较清晰的整体结构荷载概念,不清楚基本工程结构在多种荷载作用下的工作性能、受力特点,更不清楚一个工程结构应承受和传递哪些荷载,以及为保证传递过程的完成而应采取的各种措施。教师在教学过程中,从整体结构出发展开教学,易于以工程应用为目的直接面向工程,实现理论与实践相结合,将工程实例贯穿教学始终,使学生充分理解其工程背景和目标。由于面对的是整体,考虑问题必须从整体出发,分析解决问题需考虑各种枝节问题,学生整体思维能力、整体结构概念及工程意识、综合分析及解决工程问题的能力能得到培养,思维品质会得到提升。
参考文献:
[1]柳炳康.荷载与结构设计方法[M].武汉:武汉理工大学出版社,2003.
[2]白国良,刘明.荷载与结构设计方法[M].北京:高等教育出版社,2003.
[3]张小刚,林小嵩.适应大土木要求的荷载与结构设计方法知识点讲解研究[J].高等建筑教育,2006,15,(4):74-78.
工程结构设计原理范文第5篇
关键词：房屋钢筋混凝土；建筑结构设计
中图分类号：TU318文献标识码： A
钢筋混凝土建筑结构是当前房屋建筑工程最常见的一种建筑结构，房屋钢筋混凝土建筑结构设计对于房屋建筑工程的可靠性和安全性有着直接的影响。因此要结合房屋钢筋混凝土建筑结构的特点，合理设计房屋钢筋混凝土建筑结构，不断提高房屋建筑工程的施工质量。
一、房屋钢筋混凝土建筑结构的原理和特点
1、房屋钢筋混凝土建筑结构的原理
钢筋混凝土建筑结构主要是指由钢筋材料和混凝同组成的建筑结构。钢筋混凝土建筑结构承担着房屋建筑的大部分重力，因此其建筑结构设计对于整个房屋建筑工程的稳定性有着非常重要的影响。混凝土的结构抗压能力较好，钢筋的延展性较，钢筋混泥土将两者有效地结合起来，极大地提高了房屋建筑工程的结构强度。另外，钢筋混凝土建筑结构还具有良好的防火性能[1]，工程施工成本较低，被广泛的应用在现代化建筑工程中。
2、房屋钢筋混凝土建筑结构的特点
虽然传统的混凝土建筑结构的承载能力较强，但是在长期的使用过程中容易出现裂缝、断面等问题，钢筋混凝土结构融入钢筋材料，有效地提高了建筑结构的抗拉性能，对于保障房屋建筑工程质量有着非常重要的意义。
二、房屋钢筋混凝土建筑结构设计原则
1、持久性
在设计房屋钢筋混凝土建筑结构时，要坚持持久性的原则，做好对钢筋混凝土的防护措施，提高钢筋混凝土的抗腐蚀能力，在正常使用状态下，最大程度地延长钢筋混凝土的使用寿命，确保房屋建筑工程的施工质量。
2、实用性
房屋钢筋混凝土建筑结构设计要注意实用性的原则，严格控制房屋建筑结构的断裂和变形情况，充分利用钢筋混凝土的优势，优化房屋建筑工程重点部位的施工设计，改进钢筋混凝土建筑结构，满足房屋建筑工程的使用要求。
3、安全性
安全性是房屋钢筋混凝土建筑结构设计的重要原则，房屋建筑工程的钢筋混凝土结构设计，要充分考虑到支座沉降、温度变化以及承受负载等因素的影响，即使在强烈撞击、地震或者爆炸情况下，也要能够最大程度地保持房屋建筑工程的稳定性和安全性，保护人们的生命财产安全，减少经济损失。
三、房屋钢筋混凝土建筑结构设计
1、设计合适的钢筋混凝土建筑结构
由于各个地区的风俗习惯、地理环境以及人们的生活方式等方面都存在很多的不同，因此在设计不同地区的房屋混凝土建筑结构时，要充分考虑到这些因素，设计人员首先要深入了解当地的建筑结构设计特点和人们的风俗习惯，满足当地人们对于房屋建筑工程的需求，设计科学合理的房屋钢筋混凝土建筑结构。例如，我国北方很多城市的房屋钢筋混凝土建筑结构设计都采用了钢筋混凝土框架剪力墙的设计形式，这种设计形式不仅具有良好的降噪效果和结构强度，其占地空间较小、施工方便、施工成本较低。
2、科学处理钢筋混凝土结构的刚度
近年来，我国国民经济快速发展，城市人口越来越多，与此同时城市的土地资源日益紧张，各个地区的高层房屋建筑工程开始蓬勃发展，和占地面积同样的地层或者多层建筑相比，高层房屋建筑工程的利用率更高，能够有效地节约城市资源，受到广大建筑企业的青睐。高层房屋建筑工程的竖向高度较高，因此对于建筑结构的要求也较高，因此要科学处理钢筋混凝土结构的刚度，提高高层房屋建筑工程的承载能力，结合高层房屋建筑工程施工现场的实际情况，如果当地的土质性能较好，可以在满足建筑结构强度要求的基础上，减少使用剪力墙，最大程度地节约施工成本。
3、房屋钢筋混凝土建筑结构的抗震设计
房屋钢筋混凝土建筑结构的抗震设计，要科学选定建筑工程的建设位置，充分考虑到房屋建筑工程周围的地质条件和地形地貌情况，规范布置建筑工程的平面结构，构建完善的钢筋混凝土建筑结构体系。在设计过程中，首先房屋钢筋混凝土建筑结构的平面设计要尽量遵循对称、简单的规则，减少建筑结构的偏心。其次，将房屋钢筋混凝土建筑结构的质量中心和刚度中心进行重合。再次，房屋钢筋混凝土建筑结构的边缘位置不能设置重量较大的跨间，尽可能将跨间设置在接近建筑结构刚度中心的位置[2]。最后，房屋钢筋混凝土建筑结构的抗震设计，要尽量使用轻质材料设计围护结构，避免设计大悬挑的建筑结构。
4、合理使用加固方法
（1）预应力加固法
房屋钢筋混凝土建筑结构可以采用预应力加固法来提高房屋建筑工程的稳定性和安全性。预应力加固法可以改变钢筋混凝土建筑结构的加固、卸载和内力分布，消除建筑结构应变应力的滞后问题，可以应用在高应变、高应力条件下或者大跨度和重型结构的钢筋混凝土建筑结构中。
（2）碳纤维加固法
碳纤维是一种抗拉性极强的环氧树脂胶黏剂[3]，在房屋建筑工程的某些重点重点加入碳纤维，可以极大地提高房屋钢筋混凝土建筑结构的抗拉能力，提高房屋建筑的强度，并且碳纤维加固法具有良好的加固效果。但是在使用过程中，也要注意日常维护，因为这种材料很容易引发火灾，严重威胁人们的生命财产安全，因此只有在房屋建筑工程的某些特殊部位才会使用这种加固方法。
结束语：
房屋钢筋混凝土建筑结构改善了传统混凝土建筑结构的很多缺点，有效地提高了房屋建筑的抗拉能力、抗压能力和结构强度，因此一个稳定、科学的钢筋混凝土建筑结构对于整个房屋建筑工程的安全性和稳定性有着重要的影响。
参考文献：
[1]刘伟权. 试论房屋钢筋混凝土建筑结构设计[J]. 中国新技术新产品,2012,15:173-174.
