土木工程专业钢桥课程体系和教材建设实践

傅中秋，吉伯海，王益逊

（河海大学，江苏 南京 210098）

教学研究

土木工程专业钢桥课程体系和教材建设实践

傅中秋，吉伯海，王益逊

（河海大学，江苏 南京 210098）

基于近年来桥梁行业对人才培养的需求，在学科特色发展方向支撑下，对土木工程专业的钢桥课程体系进行了建设。分析了现有相关教材的优点和适用性，提出了钢桥教材结构框架和思路。在教学实践的基础上，编写了新版钢桥教材，能较好地适应当前教学的需求。新教材既具有现有教材的优点，又具备自身鲜明的特色。

土木工程；钢桥；课程体系；教材

0 引言

改革开放后的30多年间，中国的桥梁工程无论在建设规模还是科技水平上，均已跻身世界先进行列[1]。随着《国家高速公路网规划》的实施，几十公里长的跨海、海峡大桥，新发展的城郊高速铁路桥与轻轨运输高架桥等宏伟工程也已逐渐开始建设。“十三五”规划提出实施百万公里农村公路建设工程与高速公路、铁路、机场等百项骨干通道工程，使桥梁工程师面临新的挑战[2]。钢结构桥梁以其承载能力大、跨越能力强、自重轻等优点，在我国已成为大跨径桥梁广泛采用的结构形式之一[3]。目前，我国钢桥比例远远低于日本、美国等。按照国家未来的规划，钢桥将在各种桥梁中进行推广应用。为紧随时代步伐，培养出一批拥有先进钢桥专门知识的桥梁工程师，各大高校纷纷改革桥梁专业课程体系，强化《钢桥》课程教学，应运而生的各类《钢桥》教材如雨后春笋，呈现出百花齐放的勃勃生机。

为了适应钢桥建设的发展，国家近几年颁布了一批相关规范，如《钢-混凝土组合桥梁设计规范（GB 50917-2013）》、《公路钢混组合桥梁设计与施工规范（JTG/T D64-01—2015）》、《公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2015）》、《钢管混凝土拱桥技术规范（GB 50923-2013）》、《公路悬索桥设计规范（JTG D65-05—2015）》等。而原有的教材中相关内容尚未来得及更新，已经不能适应教学需求。特别是《公路钢结构桥梁设计规范（JTG D64-2015）》的颁布，结束了我国公路钢桥设计没有自己规范的历史。而原有教材中关于公路钢桥的相关内容，大多引用国外相关标准。为改善钢桥课程体系，深化教材建设实践，河海大学桥梁工程研究所以课程教学为中心，兼顾课程理论实践，在钢桥课程体系和教材建设上进行了一些尝试和实践。

1 钢桥课程建设背景

1.1 专业背景

我国已建成一大批世界著名的钢桥，同时仍然有大量的钢桥正在建设和规划中[4，5]。故土建专业对桥梁工程知识的学习，需顺应实际工程需求，强化对钢桥知识的了解。《钢桥》课程近几年在各大高校教学中越来越受到重视，经历了无专门课程到设置为选修课的过程。近几年，越来越多的高校已将《钢桥》课程设置为专业必修课，并设置了《钢桥课程设计》的实践环节。

“钢桥方向”是河海大学土木与交通学院桥梁工程研究所的特色研究方向之一。结合市场对人才培养的需求和学科自身的特点，逐步强化《钢桥》课程的教学。目前，在新版本科教学大纲里，《钢桥》课程已设置为专业必修课程，并配备相应的课程设计实践环节。图1为河海大学《钢桥》课程的建设过程。然而，由于缺乏合适的学习教材，老师的授课思路、学生的学习热情受到限制，《钢桥》课程的教学需求也不能得到满足，《钢桥》课程的教学发展遭遇了瓶颈。

图1 河海大学《钢桥》课程发展过程

1.2 教材现状

为适应《钢桥》课程的教学需求，我国各大高校以国内现有的钢桥设计方法与理念为基础，同时结合国外先进的钢桥建造经验与设计理论，编写或编译了多种《钢桥》教材。表1为几种现有《钢桥》教材。这些教材在学生的学习和教师的教学中起到了显著的作用。

表1 主要《钢桥》课程相关教材

通过对现有教材的分析和对比可以发现，目前的教材编写基本依循两种主线，一种是根据钢桥的整体结构体系类型进行介绍，另一种则是按照主梁的类型规划章节。对于第一种，即按照整体结构体系类型进行陈述，由于钢桥主梁类型多样，如果将各种类型的主梁归结于同一章进行介绍，则在一章有限的篇幅内无法介绍详尽。对于第二种，即按照主梁的类型进行介绍，由于偏重单个钢桥部件，而整体桥型介绍可能会有所忽略。比如说，斜拉桥的主梁可以是桁架梁、也可以是钢箱梁、甚至是组合梁，如果仅仅从主梁的角度入手，就可能会忽略斜拉桥这种桥型自身的特点。

现有《钢桥》教材大多问世已有10年之久，历经多届师生消化、吸收、反馈，发现在教学应用过程中如下问题不能适应教学需求。

一是系统性和全面性大多只具备一项。现有教材在编写时，对于两种编写思路，即依据结构体系类型和主梁类型仅取其一，相关维护和施工的介绍不够全面。其中，《现代钢桥》[6]独树一帜，教材分上下册，上册侧重主梁类型、下册侧重结构体系。但由于下册并未出版，导致结构整体方面的内容缺失。

二是侧重狭义的“钢桥”概念。目前的教材将钢桥的定义限制为钢主梁桥梁，即桥梁的主梁是钢材，这样的定义属于狭义的钢桥概念。理论而言，只要桥梁的主要部位采用的材料为钢材，均可称为钢桥或组合结构桥，也应归于钢桥的一种，如采用钢塔、钢桥墩的桥梁，均可以归入广义的钢桥范围。

三是钢桥的设计规范更多地参考铁路和国外规范。目前，我国《公路钢结构桥梁设计规范》、《组合结构桥梁设计规范》、《钢管混凝土拱桥技术规范》等陆续编制完成，旧有《钢桥》教材的部分内容不能适应新规范对于钢桥设计与施工的要求，甚至与新规范的相关条文规定相悖。

河海大学《钢桥》课程已经开设多年（包括选修课阶段）。在选修课阶段，由于课时较少，学习要求较低，应用目前已有的相关教材基本能满足教学需求。但自2012版教学大纲将其调整为必修课后，目前的教材的适应性存在一些问题。而新钢桥规范的颁布，也必须对原有钢桥教材内容进行变更。故亟需一本系统、全面的《钢桥》教材，满足《钢桥》课程的教学发展需要。

2 钢桥课程体系

2.1 钢桥课程与其他课程关系

以《理论力学》、《材料力学》、《结构力学》三大力学课程为基础，《结构设计原理》、《钢结构》为主干的土木工程专业课为《钢桥》课程的开设创造了条件。此外，《桥梁工程》课程提供了一般桥梁结构的设计、计算方法，是学习钢结构桥梁设计、计算方法的前提。新版本科教学大纲依照此六门课程的承接顺序，并辅以数门选修课程，进行了合理高效的课程安排，各课程的关系如图2所示。

图2 《钢桥》课程与其他课程的关系

如图2所示，第二、三学年进行三大力学基础课程的学习，充实力学基础知识，第三学年进行《结构设计原理》、《钢结构》和《桥梁工程》主干课程的学习，加深对桥梁结构物的理解，第四学年开设的钢桥课程，承接第二、三学年的学习内容，既是对已修课程的拓展，也是对专业知识的巩固与提高。基础课程的学习为《钢桥》课程打下了扎实的根基，而通过《钢桥》课程的学习，学生对《钢结构》、《桥梁工程》等课程获得了更进一步的理解，可以说，第四学年授课的《钢桥》课程与第二、三学年的专业基础课、主干课是密不可分、相辅相成的。而与必修课同时进行的数门选修课程能够对必修课的知识进行补充和扩展，加深学生对《钢桥》课程的理解，提高学生对课程学习的兴趣。

2.2 钢桥课程内容特点

《钢桥》课程是研究钢结构桥梁承载力、稳定性、钢桥各类损伤的一门学科。通过《钢桥》课程的学习，学生可以掌握钢桥的结构特点和分类方法、钢桥的连接及桥面系布置方法、几种典型钢桥类型的受力特征及其设计要求、典型钢桥病害产生机理及其常见处理方法；能够进行桥梁整体及局部受力计算；能够运用力学的基本理论和方法解决实际钢桥结构的设计、施工等工程问题，为以后从事专业工作和进行科学研究打下基础。

《钢桥》课程采用课程讲授与问题探讨、作业练习与工程实际介绍相结合等教学方式。重点培养学生掌握专业知识、分析和解决实际工程问题的能力。课程讲授钢桥的特点及各类桥型的构造、设计计算、制造维护等基本原理。讲授过程中，将钢桥的基本知识与人文现象相结合[7]，达到知识和思想的同步传授。针对重点和难点问题，设置不同难度的开放性讨论主题，进行全员参与讨论，参与学生根据学习基础适当侧重，引导学生进行融会贯通。结合讨论，针对学生的想法，引导学生思考对现有技术进行改进，并进行提炼总结。在此基础上，针对课题延伸知识，布置课外调研作业，进行文献和资料收集，并要求学生进行PPT汇报，课堂进行汇报点评分析[8]。

为巩固学生所学知识，拓宽学生视野，提高学生动手实践能力，在《钢桥》课程授业结束之后，另外开设一门《钢桥》课程设计[9]，针对某一特定桥型，从承载力、稳定性、钢桥各类损伤的角度完成一座钢结构桥梁的设计。专门开设《钢桥》课程设计，一方面是对《钢桥》课程的回归与升华，另一方面也是编者一直坚持的“理论付诸实践”这一理念的具体体现。

3 教材特点

本教材结合已有教材的特点和优点，具体的特色与创新内容如下。

（1）系统性和全面性兼顾。教材首先对桥梁钢材、钢桥连接等基础知识进行讲解，然后以主梁类型为主线，依次介绍了钢板梁桥、钢箱梁桥、钢桁梁桥以及组合梁桥，并在此基础上引入各种钢桥结构部件如钢拱、钢塔、拉索等，并阐述了对应部件的施工、维护等内容，具体思路如图3所示。

图3 《钢桥》教材具体思路

（2）狭义和广义“钢桥”概念兼顾。按照传统钢桥教学规律，钢桥即是主梁结构形式为钢结构的桥梁，编者将其称为“狭义钢桥”概念。编者提出的“广义钢桥”概念，即针对钢桥种类的划分不局限于主梁结构，而是将采用各种钢部件的桥梁结构亦称为钢结构桥梁，这些钢部件包括钢塔、钢桥墩、缆索以及组合结构构件等等。

（3）强调了钢桥的材料特征。桥梁用钢与建筑用钢的性能存在一定的差异。桥梁所受的荷载为动荷载，并且荷载等级比建筑荷载等级普遍要高，因此在桥梁中除了关注桥梁强度等级外，还需重视钢材的冲击韧性和疲劳性能。本教材结合编者的主要研究方向，对钢材的疲劳性能进行了详细的介绍，包括疲劳断裂机理、疲劳类型、疲劳计算等等。图4所示为反映钢材疲劳性能的S-N曲线，根据该曲线可以对钢桥疲劳细节的疲劳强度进行评估。

（4）结合了编者及其他研究的最新科研成果。编者的主要研究方向是桥梁工程中的钢桥维护以及组合结构桥梁，相关最新的科研成果如钢管混凝土的设计与应用、钢桥疲劳修复技术、桥面铺装病害修复技术等内容将在本教材中体现。如图5所示为钢桥面板钻孔止裂技术，即在裂纹尖端钻孔以达到去除应力集中、改善截面受力的目的。

图4 S-N曲线

图5 钻孔止裂

4 结语

中国是一个桥梁建设大国，而钢桥因其独有的强度高、刚度大、跨越能力大等优点，成为主流的桥梁结构形式，日益受到施工单位、设计院以及桥梁工程师的青睐。为适应“十三五”规划对于桥梁工程师的大量需求，提高学生的理论与实践能力，一本高质量的《钢桥》教材显得尤为重要。河海大学桥梁工程研究所为了适应行业对人才需求的变化，也是为了发挥学科特色优势，对《钢桥》课程体系和教材建设进行了探索和实践，编写了《钢桥》教材。该教材充分吸收了现有教材的特点和优点，融入最新的科研成果，并带有鲜明的自我特色。尽管如此，但由于经验和认识的不足，《钢桥》教材仍有许多需要改进的地方。相信在未来的实践中，会不断发现问题，并进一步修改和完善。

［1］张井春，徐庆旋.日本钢桥概况及中国钢桥的应用与发展［J］.北方交通，2013，（9）:57-61.

［2］孙超，韩林.中外钢桥防腐蚀技术的发展应用［J］.城市道桥与防洪，2011，（7）:127-128.

［3］贺立新，宋雷.钢桥、钢—混结合梁桥的发展及其应用实例［J］.西南公路，2014，（1）:2-10.

［4］马建，孙守增，杨琦，等.中国桥梁工程学术研究综述·2014［J］.中国公路学报，2014，27（5）:1-96.

［5］《中国公路学报》编辑部.中国公路交通学术研究综述·2012［J］.中国公路学报，2012，25（3）:2-50.

［6］吴冲.现代钢桥［M］.北京：人民交通出版社，2006.

［7］傅中秋，吉伯海，许国杰，等.土木工程专业学生情感认知调查分析［J］.安徽工业大学学报（社会科学版），2015，32（9）：79-81.

［8］傅中秋，吉伯海，姚悦，等.土木工程专业钢桥课程关联教学实践与效果分析［J］.当代教育理论与实践，2016，8（10）：52-54.

［9］傅中秋，吉伯海，姚悦.土木工程专业钢桥课程设计的实践与反思［J］.廊坊师范学院学报（自然科学版），2016，16（3）：107-110.

Practice of Steel Bridge Course System and Teaching Material Construction for Civil Engineering Specialty

FU Zhong-qiu，JI Bo-hai，WANG Yi-xun
（Hohai University，Nanjing 210098，China）

Based on the demand of talent cultivation in bridge engineering in recent years，the construction of steel bridge course system in civil engineering specialty is built under the support of the characteristics research direction.The advantages and problems of the existing related teaching materials are compared and analyzed,and the structural frame of steel bridge teaching material is proposed.On the basis of teaching practice,a newversion of steel bridge teaching material was written.It can adapt to the needs of better teaching.The new teaching material maintains the advantages of the current ones，and also keeps its own characteristics.

civil engineering；steel bridge；course system；teachingmaterial

G642

A

1674-3229（2017）03-0107-05

2017-06-25

江苏高校品牌专业建设工程一期项目（PPZY2015B142）

傅中秋（1983－），男，博士，河海大学土木工程学院副教授，研究方向：钢桥维护及组合结构桥梁。