本科三年级土木工程专业《钢混组合梁桥施工技术》教学设计

本科三年级土木工程专业《钢混组合梁桥施工技术》教学设计

一、教材与教学内容分析

本课内容选自普通高等教育“十四五”规划教材、土木工程专业核心课程教材《桥梁工程》下册第二十一章第三节，以及参考《组合结构桥梁理论与设计》（研究生教材）相关章节【重要】。本节“钢混组合梁桥施工技术”是在学生已完成“钢结构设计原理”、“钢筋混凝土结构设计原理”及“桥梁工程概述”等前序课程学习的基础上开设的。它不仅是桥梁工程施工技术体系中的重要一环，更是连接桥梁结构设计与工程实践的关键桥梁。课程内容涵盖了从钢梁制造、安装到混凝土桥面板施工的全过程，深入探讨了结合面的连接工艺、不同施工方法的受力特点以及线性与质量控制的要点。通过对本节内容的学习，学生将建立起对钢混组合梁桥从图纸到实体的完整施工技术框架，深刻理解“施工”如何反作用于“设计”，以及如何通过科学的施工组织确保组合结构的优越性能得以充分发挥【非常重要】。本课内容涉及大量规范条款、力学原理和实际操作经验，具有理论性强、实践性要求高、学科交叉明显的特点。

二、学情分析

授课对象为本科三年级土木工程专业学生。他们已经系统学习过《材料力学》、《结构力学》、《钢结构设计原理》和《钢筋混凝土结构设计原理》，掌握了钢材与混凝土的材料特性、基本构件的受力性能和计算方法，并对桥梁的基本组成和分类有初步了解【基础】。然而，学生普遍缺乏对大型复杂结构施工过程的整体认知，尤其是对钢-混两种材料如何在实际工程中协同工作、施工阶段的力学状态演变以及精细化施工控制等概念较为陌生。他们习惯于理想化的结构计算模型，但对施工过程中的临时受力、变形控制、界面处理等现实问题缺乏敏感度。此外，学生对大型施工机械、现场组织管理等方面的认知主要停留在书本层面，需要通过本课程的学习建立起工程实践感。

三、教学目标

基于对教材和学情的分析，依据土木工程专业人才培养方案和《桥梁工程施工》课程标准，设定以下教学目标：

1、知识目标：准确复述钢混组合梁桥的施工工艺流程【基础】；系统阐述钢梁的工厂制造、现场安装（包括吊装、顶推、支架法等）的关键技术要点【重要】；详细描述混凝土桥面板的预制、现浇施工工艺及与钢梁的连接方式；深入理解抗剪连接件的类型、作用、施工工艺及质量控制标准【非常重要】；掌握不同施工方法对应的结构受力特点及施工监控的主要内容。

2、能力目标：能够根据给定的桥梁结构形式和现场条件，初步选择合适的施工方案；能够运用所学知识，分析施工过程中可能出现的质量问题（如线形偏差、结合面滑移、混凝土开裂等）并提出预防措施【难点】；能够识读钢混组合梁桥施工图，并理解图纸中的技术要求和施工说明；通过案例分析和小组研讨，培养解决复杂工程问题的综合能力和创新思维。

3、素养目标：树立“安全第一、质量为本”的工程建设理念；培养严谨细致、精益求精的工匠精神；强化遵守规范、尊重科学的职业素养；增强团队协作意识和沟通能力；通过对国内外先进施工技术的了解，激发行业自豪感和创新热情【热点】。

四、教学重点与难点

1、教学重点：钢混组合梁桥的标准化施工工艺流程；抗剪连接件的种类、构造要求与施工质量控制【高频考点】；钢梁的架设方法（尤其是顶推法和节段吊装法）及其工艺要点【重要】；混凝土桥面板的施工顺序及其对结构受力性能的影响。

2、教学难点：钢-混凝土结合面的抗剪机理与连接件的受力原理；不同施工方法（如支架现浇与无支架顶推）下，结构在施工过程中的内力状态与线形控制的差异【难点】；预制桥面板的存放、安装及现浇湿接缝的施工质量控制，防止裂缝产生；施工过程中温度、收缩、徐变对组合结构长期性能的影响机制。

五、教学准备

1、教师准备：多媒体课件（含动画模拟顶推、吊装等工艺）、施工工艺视频（如港珠澳大桥组合梁施工、城市高架钢混组合梁吊装）、BIM模型或三维动画、实际工程施工图纸（电子版）、工程案例库（含成功与失败案例）、在线互动问卷（用于课前预习诊断）、分组研讨任务书。

2、学生准备：复习《钢结构设计原理》中关于稳定和连接的内容；复习《钢筋混凝土结构设计原理》中关于收缩、徐变和裂缝控制的内容；预习教材相关章节，观看教师发布的预习视频，完成课前在线测验；分小组（每组5-6人），便于课堂研讨。

六、教学实施过程（共90分钟）

（一）创设情境，导入新课（5分钟）【基础】

课堂伊始，向学生展示一组震撼的图片和短视频：一座宏伟的跨海大桥（如杭州湾跨海大桥）或城市高架桥（如上海中环线）的施工现场，画面聚焦于巨大的钢结构梁段被精准吊装就位，随后进行桥面板铺设。教师提问：“同学们，我们之前学习了钢混组合梁的设计原理，知道它能充分发挥两种材料的优势。那么，这样一座由钢材和混凝土完美结合的‘力与美’的产物，是如何从设计图纸一步步变成跨越天堑的实体的呢？在施工过程中，我们如何保证这两种材料真正‘组合’在一起共同受力，而不是‘两张皮’？今天，我们就以一座典型的简支或连续钢混组合梁桥为例，深入探究其背后的施工技术奥秘。”【导入新课，激发兴趣，点明主题】

（二）知识回顾，承上启下（5分钟）

引导学生快速回顾上节课或先修课程的核心知识点：钢混组合梁的基本受力原理（利用钢梁承受拉力、混凝土板承受压力，通过连接件实现协同工作）；抗剪连接件的作用（传递界面剪力，抵抗掀起）【高频考点】。通过快速问答形式，如“谁来说说栓钉连接件的主要作用？”、“组合梁中混凝土板为什么能参与受压？”，激活学生已有知识储备，为后续讲解施工中连接件的焊接质量、混凝土浇筑顺序等奠定理论基础。

（三）核心讲解与互动研讨（70分钟）

1、钢混组合梁桥施工工艺流程全景图（5分钟）【基础】

首先，通过一张清晰的工艺流程图，向学生展示钢混组合梁桥施工的完整周期：工厂化钢梁制造→钢梁节段运输→现场基础与下部结构施工→钢梁现场架设安装→安装抗剪连接件→铺设钢筋骨架和模板→浇筑或安装混凝土桥面板→桥面系及附属工程施工。教师强调：“这是一个环环相扣的系统工程，每一个环节的失误都可能影响最终的结构安全和使用性能。”【重要】

2、钢梁制造与安装技术（25分钟）【非常重要】

这一部分是本节课的重中之重。

（1）工厂制造环节：播放一段钢梁工厂自动化制造的精简视频，展示钢板下料、预处理、U肋/板肋焊接、组装、预拼装等关键工序。重点强调焊接工艺评定（WPS）的重要性【难点】，讲解如何通过合理的焊接顺序和工艺参数控制焊接变形，保证钢梁的几何尺寸精度。教师点出：“钢梁的制造精度，直接决定了现场能否顺利安装，以及成桥后的线形是否美观。”同时，介绍数字化制造技术，如BIM模型驱动的数控切割、机器人焊接等前沿应用【热点】。

（2）现场架设方法分类与比选：结合具体工程案例，讲解三种最常用的架设方法。

支架法：适用于桥下净空不高、具备良好地基条件的工点【基础】。通过动画演示，讲解支架搭设、预压（目的：消除非弹性变形，获取弹性变形数据）、钢梁分段吊装就位、精确调平、节段间焊接的完整过程。引导学生思考：支架预压的重要性在哪里？如果不预压会有什么后果？（引出线形失控、支架不均匀沉降风险）。

整孔吊装法：适用于跨度不大、运输和吊装条件便利的情况。展示大型浮吊或履带吊整孔吊装钢梁的震撼画面。强调吊点位置的确定原则（须通过计算，确保钢梁在吊装过程中自身内力不超过容许值，局部不发生屈曲）。

顶推法【难点、热点】：这是大跨度、跨河、跨线桥梁施工的常用方法，也是教学难点。通过动画详细分解单点顶推和多点顶推的力学原理和工艺流程：在桥台或某墩后设置预制平台（或拼装场地），将钢梁分段拼装成一个整体，然后通过千斤顶施加顶力，使梁体在滑道（或不锈钢板+聚四氟乙烯滑块）上逐段向前滑动，后方的钢梁则在后方平台上不断接长、焊接、顶推，循环往复直至就位。重点讲解顶推施工中的几个关键技术问题：a.顶推力计算（需克服各支点滑动摩擦阻力）；b.导梁（鼻梁）的作用（减少悬臂状态下钢梁的负弯矩和挠度）；c.横向导向装置（防止梁体在顶推过程中发生偏位）；d.落梁工艺（千斤顶同步顶升、拆除滑块、安装永久支座）。结合一个实际案例，提出思考题：如果在顶推过程中，发现某一桥墩处的滑道摩擦力突然增大，会导致什么问题？应如何通过多点顶推的同步控制系统进行纠偏？【高频考点】

节段拼装法：结合《新型预制装配式钢混组合梁桥关键施工技术研究》中的成果【8】，介绍近年来兴起的全预制装配技术。讲解钢主梁与预制混凝土桥面板均在工厂制作，运至现场后，通过临时支撑体系，先吊装钢梁，再吊装预制板，最后浇筑接缝混凝土形成整体。强调这种工法对于减少现场湿作业、加快施工速度、降低交通影响的显著优势。展示墩柱、盖梁也一并预制的全装配化施工案例，拓宽学生视野。

3、抗剪连接件施工技术（15分钟）【核心】

回到组合结构的本质——连接。

（1）连接件类型与构造：复习常用抗剪连接件类型，如栓钉、开孔板连接件（PBL键）、槽钢连接件等【重要】。通过高清图片和BIM模型，详细展示栓钉的规格、材质、焊缝形式（瓷环焊接），以及PBL键中贯穿钢筋的布置方式【高频考点】。

（2）施工工艺与质量控制：这是保证“组合”作用的关键。重点讲解焊钉（栓钉）的焊接工艺：采用专用的焊机（螺柱焊机）进行拉弧式焊接。播放焊接过程慢动作视频，让学生看清“提升-起弧-压入”的瞬间。强调质量控制要点：a.焊前清理（钢梁表面必须除锈、无油污、无水分）；b.焊接参数的设定（电流、电压、时间）；c.焊后质量检查方法【非常重要】：外观检查（焊缝是否饱满，焊脚是否均匀，瓷环是否完整脱落）、弯曲试验（用专用工具将焊钉弯曲30度或60度，检查焊缝是否开裂，这是现场最直观的检测手段）。教师严肃强调：“一个焊点的失效，就可能导致局部区域的剪力重分布，甚至引发整个组合梁的破坏。因此，每一颗小小的栓钉，都关乎百年大计。”同时，讲解在混凝土浇筑前，对连接件的保护措施（防止碰撞、生锈、污染）【基础】。

4、混凝土桥面板施工技术（15分钟）

（1）现浇桥面板施工：讲解模板安装（尤其是悬挑部分）、钢筋绑扎（注意与连接件的位置协调）、混凝土浇筑【重要】。浇筑顺序是教学关键点：根据《市政公用工程》知识点，强调顺桥向应从跨中向支点浇筑，或由一端向另一端连续浇筑；横桥向宜由中间向两侧扩展【6】【重要】。引导学生分析为何要采用这种顺序？（答案：减少支架变形和混凝土收缩产生的约束应力，避免裂缝）。讲解负弯矩区混凝土开裂的防治措施，如施加临时预应力、采用“强迫位移法”调整支座标高【难点】。

（2）预制桥面板施工：结合最新研究【4】【8】，讲解预制板的工厂化制作、高精度模板、蒸汽养护、场内存放（减少堆放层数，防止变形）等工艺。重点讲解现场安装：a.精确测量放样；b.在钢梁顶面铺设找平层或环氧砂浆；c.预制板吊装就位，利用预留孔洞与钢梁上的连接件（如PBL键或预留栓钉）精确配合；d.预留湿接缝的处理：钢筋连接（通常采用机械连接或焊接）、支模、浇筑高流动性、微膨胀混凝土。强调湿接缝混凝土的质量是保证结构整体性和耐久性的关键，也是质量控制的难点和重点。

（四）案例分析——以一座50m简支钢混组合梁桥为例（15分钟）【高频考点】

以一个具体工程案例【4】为载体，引导学生综合应用所学知识。

提供该桥的简要设计资料（工字形钢主梁布置、桥面板尺寸、连接件类型）。分组讨论以下问题：

第一组：负责钢梁施工方案。该桥为多主梁（11片工字梁）结构，如何组织现场吊装？吊装顺序如何？需要搭设什么样的临时支撑？

第二组：负责混凝土桥面板施工。若采用预制方案，如何规划预制板的存放场、设计存放架？板的吊装顺序应与钢梁安装如何协调？湿接缝混凝土浇筑有何特殊要求？

第三组：负责施工监控。施工过程中，我们主要监控哪些指标？（线形：钢梁标高、轴线偏位；应力：关键截面在吊装、浇筑混凝土过程中的应力变化；温度）。为什么要监控温度？

各小组代表发言，教师进行点评和总结，将学生的答案与工程实际做法进行对照，肯定创新点，指出不足。此环节旨在培养学生解决复杂工程问题的能力和团队协作精神。

（五）课堂小结与作业布置（5分钟）

1、课堂小结：教师对本节课内容进行梳理总结，再次强调钢混组合梁桥施工的三大核心控制要素：钢梁的精度、连接件的质量、混凝土的浇筑顺序与养护【重要】。回顾不同施工方法的适用条件和关键控制点。最后寄语：“桥梁是跨越障碍的结构，更是连接人类文明的纽带。希望同学们不仅要掌握建造桥梁的技术，更要传承精益求精的工匠精神，未来在中国的桥梁建设史上留下自己坚实的足迹。”

2、课后作业：

基础性作业：查阅《公路桥涵施工技术规范》（JTG/T3650-2020），摘录关于焊钉焊接质量检查的相关条款，并制作成思维导图。

探究性作业（小组选做）：以一座跨越繁忙城市道路的（3×30m）连续钢混组合梁桥为背景，桥下交通无法中断。请为该桥设计一套施工方案（可选方案：满堂支架法、顶推法、预制节段拼装法），并撰写一份简要的施工方案比选报告，阐述你的推荐方案及理由。要求下周课堂进行5分钟PPT展示。

预习任务：预习下一节“大跨度