基于结构设计竞赛的土木工程卓越工程师素质培养

摘 要：强化培养学生的工程能力和创新能力是土木工程专业卓越工程师素质的核心内容.以2012江苏省结构设计竞赛为案例,介绍了建模分析、模型制作、优化设计等过程.最后总结土木工程卓越工程师素质培养要求,并分析了针对性教学的实践经验.实践表明,以研究性学习为主要驱动力,以大学生创新实践基地为平台,以多元组合化教学力量为保障,能有效地培养土木工程专业卓越工程师所需各方面才能.

关 键 词：结构设计竞赛卓越工程师实践教学

中图分类号：G640文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2013.13.022

1引言

大学生结构竞赛为土木相关专业的大学生提供一个创造、挑战、创新、发掘自身潜能的平台[1],提高学生对专业的实际综合运用能力、思维能力、动手能力,在挑战中体现创新的理念,培养团队协作的能力,领悟学科魅力.在比赛中,同学们加深了对专业理论知识的理解,并将其运用于实际的模型设计中,计算能力、分析能力也从中获得了提高[2].在全国和省结构设计竞赛如火如荼展开的同时,江苏科技大学（张家港）同时针对性地进行了竞赛与教学的相关实践与培训,参加了两届江苏省结构设计竞赛,获得模型组一等奖2项,二等奖1项,三等奖2项,加载组一等奖1项.基于结构设计竞赛,结合卓越工程师培养方针,我校教师总结参赛和教学经验,对如何培养高素质土木工程专业人才作了一些探讨和研究,以供参考.

2我校卓越工程师素质培养案例分析

2012年江苏省土木工程专业大学生结构设计竞赛（加载组）简介,模型为单跨空间桁架梁结构,采用木质材料制作,具体结构形式不限,跨中加荷载,荷重比大者胜,长宽高尺寸限定,木材、钉子、胶水由赛会提供,具体信息赛前保密.

2.1建模与分析

建模：杆截面8mm×8mm,弹性模量E等于10GPa,密度0.769g/cm3,桁架主要靠杆件的拉压来受力,主要分析轴力图,施加60kg的荷载,根据N/An≤fc,查木材fc等于13MPa,如图1所示,红色代表受压,最大值520N,代表受拉,最大值372.8N.

图1轴力图图2弯矩图

由于在跨中施加集中荷载,为避免下节点破坏,中间通过4根斜拉把力传递到上弦杆.如图2所示,根据结构的弯矩图,采用断截面,中间弯矩最大,采用的截面最大,两边弯矩小,采用的截面也小,满足参赛要求即可,这样节省材料,达到最大荷重比.

为防止木材受压失稳,这来通过上弦杆受压,水平斜杆受拉,与正常框架梁截面下侧受拉,上侧受拉相符合.两榀框架之间增加小横杆,是增加结构整体的稳定性,防止侧向失稳.虚功图、变形形态分别如图3、图4所示.

图3虚功图图4变形形态

2.2模拟实验及参赛结果

由于材料具体信息赛前未知,因此尽量采用可能的相近材料,严格按照赛会的尺寸限定要求,依据分析模型建立实物结构,制作相关细节如下：

①节点的处理方式有卡槽,榫接,钉子连接,开槽的杆件顶端留1～2厘米保证抗剪强度,如图5.模型最终所有的节点是通过AB胶水处理的,所以都类似于刚接而成.

②注意木材的各向异性,木材的纹理方向影响杆件的力学属性.

③根据三次实验结果,不断使用SAP2000更新模型,重新分析受力,调节杆件位置,使其受力最优化,各杆件受力均匀.

④结构原始模型尺寸的设计是通过查阅钢结构,桁架结构,木结构,钢筋混凝土结构梁的相关经验系数.根据竞赛要求的受力特点,分析弯矩等受力形式而设计结构的基本外形.

图5参赛结构节点细节图图6节点破坏

⑤现场制作参赛作品自重小于220g,承载67kg,荷重比达309,获一等奖,最终破坏为节点破坏,如图6所示,软件分析轴力图看出中间最上面的点受的压力最大,我们在该节点采取卡槽等处理,增加接触面,通过AB胶水连接,如上图所示.而节点通过AB胶水相连,与理论的强节点有所差异,所以,该节点为容易破坏,与实际破坏相吻合.

3土木工程卓越工程师素质培养及教学要求

3.1卓越工程师

即中国“卓越工程师教育培养计划”拟用10年时间,培养百余万高质量各类型工程技术人才,为建设创新型国家、实现工业化和现代化奠定人力资源优势[3].

3.2土木专业学生应该具备的素质及教学要求

3.2.1牢固的专业基础知识

学生在进行结构设计时,大脑中的力学、结构概念必须清晰明确.从工程实例,受力特点出发,合理地设计结构.这就要求各高校在平日地教学中多理论联系实际,以现有的工程实例结合书本知识,让学生感性认识的同时宏观上把握结构,学会找出问题,分析问题和解决问题.并且合理组织课堂教学,做到讲练结合.其次,开设与竞赛相关的选修课程,如趣味结构力学[4],以便补充所学的专业知识.

3.2.2专业基本的软件应用

结构创新设计的赛题往往是比较复杂的工程问题.设计的过程中需要大量准确的数据分析来辅助思维设计.而手算过于繁琐且容易出错.这就要求我们至少能够熟练地掌握一款辅助设计软件如PKPM、SAP2000、MIDAS、ANSYS等.然而很多的大学并没有开设相关的课程,所以在教学实践中,对专业技能型软件应该开设相关的课程,培养学生严谨的思维,激发创造力.

3.2.3施工能力,动手能力

以往的结构设计竞赛中,好构思与设计层出不穷,然而最终做出的模型却不能达到预期的效果.而这很大程度上是制作导致的.一套方案的可行性必须是设想与施工制作的结合.

那么教学实践中,多注重学生动手能力的培养.①定期地举行结构设计活动,学生自己动手制作模型,在了解材料属性,受力分析,结构设计的过程中,加深了对理论知识的理解.②开设实验课程,给学生提供模型实验室.③开设创新实验基地,给学生学习讨论提供平台.④校企合作,利用学校和企业不同教育环境和教学资源,结合学校的教学和工厂的实践,提升学生的动手实践能力.3.2.41+1大于2的团队合作集体效应

模型的设计过程中,需要各位同学间的通力合作.设计与制作分工明确,各取所长.学生能将个人行动与团队合作相融合,在队伍中相互协作来达到团队的共同目标,具备团队成员技术协作的能力,并且具备组织管理能力和一定的领导能力.

3.2.5良好的心理素

在设计与制作的过程中,难免会有些问题与困难.竞赛锻炼土木人专业素质的同时也锻炼心理素质.在具体工程中就是突发事件地处理.找出问题,解决问题,把损失减低到最少.

3.2.6良好的语言表达到能力

设计过程中好的构思的交流,制作过程中问题的讨论,竞赛过程中,设计思想的表达都要求学生具有很好的语言表达能力.能够讲得透彻与说得明白,才是对结构真正的理解.

3.2.7解决问题与分析问题的能力

学会解决问题的基本思路,通过对问题的分析,结合自身所学的专业知识,查阅资料,分析问题,拟定初步方案,实施初步方案,不断地发现问题,解决问题,不断地完善自己的设计方案,通过实验核实校验设计,完成设计,并回顾和总结.

3.2.8严谨认真的做事态度

学生做结构,要对自己设计的方案与计算负责,要以一个优秀工程师目标要求自己.要有一丝不苟的奉献精神和刻苦专研的魄力.

4结语

学生在熟练掌握专业基础知识的前提下,查阅相关资料.了解竞赛所用材料的相关属性,比如木材的弹性模量,性能,长细比.查阅桁架结构的设计资料,根据模型的受力特点,进行初步设计.考虑模型制作的可行性,制作模型时加强了对空间桁架节点的处理.在设计桁架杆件的空间位置时,通过SAP2000优化杆件和节点的位置,找出模型的最佳受力状态,使得材料充分利用,再参考各种施工方法处对桁架节点充分熟练处理,最终制作成型.结构设计竞赛是土木工程专业卓越工程师高素质培养的一个平台.其模型设计、制作体现了教学实践的各个重要环节.如何更加有效使用这一平台,如何更能紧密结合卓越工程师培养方针,以便培养出高素质土木工程专业人才,笔者将继续探索.