引入大型工程实例的《工程力学导论》教学

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摘要： 大型工程为《工程力学导论》教学提供了大量实践素材，实践-理论-再实践是工科专业最基本的研究方法，教学中需要重视学生工程实践能力的培养，本文以“鸟巢”为例探讨大型工程中的力学问题。传统授课未充分认识实践对力学理论建立的重要性。在学习中，学生未注意理论问题与实际问题的差别和他们之间内在的联系，造成学生运用力学理论解决工程实际问题的实践能力。本文阐述了引入大型工程实例的《工程力学导论》教学方法，即教学内容体系系统化、强化工程概念、重视教学方法改革，上述教学改革探索具有可行性，取得了较好的教学效果。

关键词： 教学改革；工科专业；教学方法；工程力学

中图分类号：C42 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）15-0224-03

0 引言

《工程力学》具有抽象性的特点，其基本定理、推论均来源于实践，既有较强的理论，又与工程和生产实践密切联系。传统教学强调课程本身理论的系统性与公式的推导，但缺少将工程实际问题简化为力学模型的实例。重视工程实例对于工科专业学生的实践能力培养尤为重要，需要注重学生的创新能力培养。在教学中强化工程概念，对于培养学生的专业素质和学生的创新精神是非常重要的。笔者从事工程力学系列课程教学过程中，认识到教学过程应当广泛联系工程实际，教学中首先向学生展现综合实例的工程背景，然后进行具体简化建立力学模型，最后再回到实践中去，培养学生工程实践能力。因此，自2010年开始引入“鸟巢”工程、海上大型钻井工程、海底输气管道、空客A380、海上大型风力发电等大型工程作为《工程力学导论》教学实践素材，引导学生理解力学学科门类、研究方法、大型工程实践，取得了较好的教学效果。本文以“鸟巢”工程为例，分析其主体结构，建立力学分析模型，阐述其涉及的典型力学问题。

1 “鸟巢”工程概述

“鸟巢”（国家体育场）位于北京奥林匹克公园中心区南部，为2008年第29届奥林匹克运动会的主体育场。“鸟巢”外形结构主要由巨大的门式钢架组成，共有24根桁架柱，建筑顶面呈鞍形，长轴为332.3米，短轴为296.4米，最高点高度为68.5米，最低点高度为42.8米。“鸟巢”的工程建造难点众多，其钢结构工程、混凝土结构工程、膜结构工程、内外装修工程、防水工程、机电设备工程、施工管控等方面均有各自的特点和难点，大量采用新材料、新技术、新工艺、新方法。涉及力学方面的难题诸如4.2万吨异型钢构件的加工组装、大跨度马鞍型空间钢结构屋顶临时支撑体系整体卸载、Q460超强超厚钢钢板焊接等问题。

2 “鸟巢”工程的力学模型

实际工程如何简化为力学模型是本科生实践教学的重要内容之一，将“鸟巢”看似复杂无序的结构简化为桁架柱和门式钢架，有助于培养学生的抽象建模能力。从“鸟巢”的鸟瞰图（图1）可以看出其钢结构极其复杂，可简化为24根桁架柱及其支撑的门式钢架组成[1～3]，简化示意图如图2～图4所示。钢结构屋盖由24榀大跨度门式桁架围绕体育场内部碗状看台旋转而成，柱距约为38m。整体结构（图2）按照主次作用分为主结构（包括桁架柱，桁架梁如图3所示），立面次结构和楼梯，肩部次结构和顶面次结构。主结构构件相互支撑，形成网格状构型，次结构构件采用与主构件相同的外形尺寸，不规则地分布于主结构的外表面，从而形成体育场独特的“鸟巢”造型。主、次结构构件均为大尺寸焊接薄壁箱形截面，在肩部大量采用空间扭曲箱形构件。

3 鸟巢工程涉及的典型力学问题

“鸟巢”工程涉及的典型力学问题可总结为静力学、材料力学两类问题，其中静力学研究物体的受力、平衡条件及平衡方程的应用[4]；材料力学研究工程中的强度、刚度和稳定性问题具，分析构件在载荷作用下受力、变形的规律及其实用计算方法[5]。

3.1 大型构件吊装问题 “鸟巢”工程涉及大量巨型结构件的吊装问题，“鸟巢”工程中的桁架柱采用卧拼法，主桁架主要采用平拼法，即构件吊装前必须进行翻身工作。由于构件重、体型大，翻身时吊点设置和吊耳选择难度大，尤其吊装桁架柱时的翻身，吊耳在翻身和吊装时的受力变化大，必须考虑桁架柱的三向受力。而且，在翻身过程中的构件稳定性比较难控制。分段吊装时，桁架柱和主桁架之间存在多个管口的对接问题，由于接口为箱型断面，需保证多个管口的对口精度，难度巨大（图5、图6）。吊装使用起重能力最大的德国利勃海尔800吨全路面汽车起重机。吊车自重96吨，液压伸缩主臂重65吨，加上变幅副臂、配重及起吊物件总重量近400吨，为避免对地基造成破坏，吊车的站位平台上铺设了一层加固钢板。

吊装大型构件需确定构件及起吊设备的平衡受力，确定合理的吊点位置及所需吊索长度。平衡状态确定的思路：①通过对被吊结构进行分析确定重心位置，且给定吊点的位置；②给定吊索在受力状态下的长度，通过对吊索结构分析，找到使吊索结构平衡的索力以及挂点和两吊点的空间相对位置；③由吊点位置即可获得被吊结构的空间姿态及其受力状态，进而可验算被吊结构的强度、刚度和稳定性[6]。整个吊装体系（图7（a））可拆分为被吊结构和由索、滑轮所组成的索结构两个子结构组成的平衡状态的力学模型，而整个吊装体系中吊绳传递力具有连续性。通过这两个子结构上所共有吊点的平衡方程和变形协调条件来确定（图7（b）），其中P=G，由此形成两个子结构组成的两个平面汇交力系问题。将两个子结构中吊点的线位移约束后，图7（c）与图7（a）中吊装体系的力学模型是等效的，即分别在吊力P和重力G的作用下所求得的支座反力，与吊装平衡状态下各子结构在整个吊装体系中吊点处的节点力相等，且两个子结构的受力状态与整个吊装体系的受力状态相同。因此，可等效地采用图7（c）所示的两个子结构对整个吊装体系进行力学分析。

3.2 桁架柱最大受力位置 “鸟巢”42000吨钢结构主要由24个桁架柱支撑，24根桁架柱的最大外形尺寸达到25米×20米，每根柱子有近700吨。桁架立柱之间的距离都约为38米。每根立柱向左右分别伸出两个刚架，与对面的立柱一起承受大跨度桁架的力。“鸟巢”主桁架的双榀贯通最大跨度达到260米，如果用传统低强度钢材，将使钢材断面增大，在焊接时容易出现问题，而能适应这一要求的低合金高强度钢材“Q460E”此前在国内从未生产过。在受力最大的6个桁架柱的受力最大部位，使用了一种叫做Q460的高强钢材。这种钢材在国内建筑钢结构中是首次使用。桁架上方受力最小的部分，杆件钢板厚度则仅为60毫米。鸟巢结构中柱子与桁架的交接点，成为柱头（图6）。“鸟巢”的桁架柱脚是受力最大的部位，因此，桁架柱脚部分使用的钢板厚度达到110毫米，为整座“鸟巢”钢板厚度最大值。

3.3 大跨度钢结构临时支撑卸载问题 国家体育场“鸟巢”采用临时支撑的施工方法给设计和施工带来新的课题和挑战，主要问题有临时支撑设计、拆撑方案制定以及拆撑过程中临时支撑和主体结构内力和变形控制。这些问题的解决须对拆撑进行全过程模拟，预测临时支撑和主体结构内力和变形的发展和变化情况，进而确定合理和最优的临时支撑设计和拆除方案。拆撑过程是主体结构和临时支撑相互作用的一个复杂力学状态转变过程，是荷载由临时支撑承担逐渐转为由主体结构本身承担的过程。对于主体结构来讲是加载过程，而对于临时支撑来讲是卸载过程。在鸟巢的建设过程中，有78根临时搭建的钢柱支撑着鸟巢的钢铁“枝蔓”。卸载，就是将这78根支柱产生的78个受力区域，缓慢而又平稳地卸去，让鸟巢由被外力支撑的状态，变成完全靠自身结构支撑。因而，现在的支撑塔架，对整个钢结构本身来说其实是加载。原先设立的78个受力点分布在鸟巢的外圈、中圈和内圈上，其中外圈24个、中圈24个、内圈30个（图8）。为保证卸载的顺利进行以及主体结构的安全性，制定合理的卸载原则和主体结构的落架方式非常关键。经过严密计算和论证，专家们将卸载的过程分解成7大步骤，每一大步骤里又包含5个相似的小步骤，总共35个环节，保证主体结构受力状态转变缓慢。卸载前需要使液压千斤顶代替临时支撑与主体结构接触位置的支撑钢板，便于精确控制卸载过程。卸载后，鸟巢的钢结构会出现正常的沉降和扭曲，如果沉降和扭曲程度在设计控制的范围内，即卸载成功。

4 认识小结

为了培养学生的应用能力，即分析解决问题的能力，力学课程教学除了按教材教学外，还应注意将国内外大型工程中出现的新材料、新工艺、新技术等方面的知识渗透到教学中，扩大学生知识面，强化学生分析问题、解决问题的能力，使其在走向工作岗位后对所学知识有较强的应用能力[7～9]。在课堂教学中采用实例教学，通过展示反映工程第一线的挂图、力学模型、工程实物、多媒体图片、视频等，使学生对工程实物及工程问题有一个初步的了解。利用多种媒体增加学生的感知能力，学习中逐步将感性认识深化为理性认识，从而加深对基本理论的理解和掌握，培养提高他们的观察思考能力[10]。

在课堂讲授通常以工程实例引入，容易激发学生的学习兴趣。对具体定理、推论的数学推导过程注重讲思路、讲方法、讲要点。采用课题提问，读书报告，大作业等方法，加强学生理解知识，应用知识，特别是综合性、创造性地应用知识能力的培养。

通过实例教学，使学生认识到工程力学在工程实际中所起的重要作用，以激发学生学习工程力学课程的积极性，做到有针对性地培养学生运用所学的理论和方法，分析和解决工程实际问题的能力。同时，这对于拓宽学生的工程知识面，增强学生的适应性有很好的促进作用。

参考文献：

[1]李兴钢.国家体育场设计[J].建筑学报，2008（08）.

[2]李兴钢.第一见证：“鸟巢”的诞生、理念、技术和时代决定性[D].天津大学，2012.

[3]范重，刘先明，范学伟，胡纯炀，胡天兵，吴学敏，郁银泉.国家体育场大跨度钢结构设计与研究[J].建筑结构学报，2007（02）.

[4]北京科技大学、东北大学编.工程力学（静力学）.北京：高等教育出版社，1997：1-3.

[5]北京科技大学、东北大学编.工程力学（材料力学）.北京：高等教育出版社，1997：1-3，251-252.

[6]刘学武.大型复杂钢结构施工力学分析及应用研究[D].清华大学，2008.

[7]王红卫，李育文，徐建国等.《工程力学》新体系的探索与实践. 河南教育学院学报（自然科学版），2001，10（1）：39-40.

[8]刘超英.高等工程专科学校工程力学教学改革探讨.中州大学学报，1999，3：72-73.

[9]杨浩泉，周平.在工程力学教学改革中加强对学生综合能力的培养.杭州电子工业学院学报，2001，21（2）：69-71.

[10]刘升贵，李惠芳，王修栋.《工程力学》教学改革探索.长江大学学报（自然科学版），2011，8（4）：127-129.