淺談土木工程專業(yè)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學(xué)改革

胡　狄

1998年教育部頒布的專業(yè)目錄中,將以前交通土建工程、橋梁工程、建筑工程、市政建設(shè)工程、港口工程等專業(yè)合并為土木工程專業(yè)。目前我國沒有關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的統(tǒng)一規(guī)范,現(xiàn)行各技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計規(guī)范中預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計方法不盡相同,符號存在差異,部分內(nèi)容計算原理、計算公式差別大。將預(yù)應(yīng)力混凝土基本原理與國內(nèi)各設(shè)計規(guī)范相應(yīng)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合,并簡要介紹國外設(shè)計規(guī)范的計算方法,同時融入國內(nèi)外最新研究成果,進(jìn)行《預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》(下簡稱《PC設(shè)計原理》)寬口徑課程從內(nèi)容至教學(xué)方式的全方位改革,有助于學(xué)生建立具寬闊視野、獨(dú)立思考和創(chuàng)新能力的知識體系,有助于提高我國土木工程設(shè)計、施工、監(jiān)理和監(jiān)控領(lǐng)域在世界范圍的競爭能力。

寬口徑課程《PC設(shè)計原理》的內(nèi)容應(yīng)圍繞預(yù)應(yīng)力混凝土知識體系而展開,上圖為按概率極限狀態(tài)設(shè)計的預(yù)應(yīng)力混凝土知識體系框架,顯示了體系的主要內(nèi)容及其相互關(guān)系。預(yù)應(yīng)力混凝土所使用材料的特性、預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力和結(jié)構(gòu)體系及荷載特征,是預(yù)應(yīng)力混凝土知識體系的核心;滿足結(jié)構(gòu)的可靠性是運(yùn)用預(yù)應(yīng)力混凝土知識進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的終極目標(biāo),亦是知識體系的歸宿。預(yù)應(yīng)力筋的有效預(yù)應(yīng)力由施工時的張拉控制應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力損失確定,前者主要與預(yù)應(yīng)力筋品種、施工工藝及預(yù)應(yīng)力混凝土類別有關(guān),后者則幾乎涉及材料特性、構(gòu)造特征、施工工藝、預(yù)應(yīng)力筋形狀、預(yù)應(yīng)力體系及結(jié)構(gòu)服役期間的工作環(huán)境、使用荷載等各個方面,它是理解預(yù)應(yīng)力混凝土工作機(jī)理和進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、分析的基礎(chǔ),因此,課程內(nèi)容首先應(yīng)圍繞與預(yù)應(yīng)力筋有效預(yù)應(yīng)力相關(guān)的知識而展開。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合結(jié)構(gòu)體系特點(diǎn)及荷載特征,課程內(nèi)容以滿足結(jié)構(gòu)可靠性——安全性、適用性和耐久性而展開,即滿足承載能力極限狀態(tài)(安全性)和正常使用極限狀態(tài)(適用性和耐久性),前者學(xué)習(xí)承載能力計算,后者學(xué)習(xí)變形和裂縫計算及控制。如此,課程已經(jīng)包含預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的主要內(nèi)容。

寬口徑課程《PC結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》的教學(xué)應(yīng)圍繞預(yù)應(yīng)力混凝土知識體系的主要內(nèi)容和相互關(guān)系而展開,教學(xué)手段應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容特點(diǎn)而變化。如講授預(yù)應(yīng)力筋種類和錨具種類時,可采用預(yù)應(yīng)力筋和錨具圖片與其結(jié)構(gòu)或斷面解剖講解相結(jié)合;講授預(yù)應(yīng)力施加工藝時,可放映預(yù)制廠或?qū)嶋H工程中預(yù)應(yīng)力施工的錄像。又如講授后張法構(gòu)件預(yù)應(yīng)力損失的計算時,結(jié)合施工錄像,首先明確構(gòu)件的施工過程:立?！穷A(yù)應(yīng)力筋綁扎和預(yù)應(yīng)力筋孔道定位→澆注混凝土→預(yù)應(yīng)力筋張拉→預(yù)應(yīng)力筋錨固→孔道灌漿→施加二期恒載,然后根據(jù)施工過程及其特點(diǎn)逐項展開討論:摩擦損失(預(yù)應(yīng)力筋張拉引起,包括預(yù)應(yīng)力管道定位偏差及孔道彎曲等影響)、鋼筋回縮損失(預(yù)應(yīng)力筋錨固引起)、時變效應(yīng)損失(混凝土受壓后發(fā)生的徐變、混凝土凝結(jié)硬化時發(fā)生的收縮及受張拉后在高應(yīng)力作用下預(yù)應(yīng)力筋發(fā)生的松弛所引起),使學(xué)生不必死記硬背便可輕松掌握預(yù)應(yīng)力損失計算的各項內(nèi)容及計算特點(diǎn),亦為學(xué)生將來進(jìn)一步學(xué)習(xí)和深入研究預(yù)應(yīng)力損失的相關(guān)內(nèi)容打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。以預(yù)應(yīng)力混凝土知識體系為核心,以培養(yǎng)學(xué)生具創(chuàng)新能力的知識體系為目標(biāo),靈活采用教學(xué)手段和教學(xué)方法,是進(jìn)行《PC結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》教學(xué)改革的關(guān)鍵。

預(yù)應(yīng)力混凝土基本原理及其設(shè)計理論不斷發(fā)展,教學(xué)內(nèi)容應(yīng)結(jié)合工程技術(shù)的進(jìn)步和工程實(shí)踐的需求及國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展,不斷進(jìn)行改革。如,近年來我國大力發(fā)展以客運(yùn)專線為主體的高速鐵路,由于對線路平順性要求很高,線路中廣泛采用高架橋并采用無碴軌道技術(shù)(如京津城際鐵路的橋梁總長占線路的86.1%)。鑒于軌道扣件的調(diào)高量有限,因此必須嚴(yán)格控制橋梁鋪軌后的徐變變形。我國普通鐵路橋梁和公路橋梁的設(shè)計規(guī)范中未對預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的徐變變形限值進(jìn)行規(guī)定,亦未提供較準(zhǔn)確的徐變變形的計算方法;在高速鐵路設(shè)計暫行規(guī)定中規(guī)定了徐變變形限值,但亦未提供徐變變形計算方法。學(xué)習(xí)服務(wù)于應(yīng)用,因此,現(xiàn)有寬口徑課程《PC結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》的內(nèi)容在徐變變形計算理論方面應(yīng)進(jìn)行加強(qiáng),以適應(yīng)不斷發(fā)展的工程實(shí)踐的需求。

學(xué)生建立預(yù)應(yīng)力基本概念,深刻理解預(yù)應(yīng)力混凝土原理,掌握設(shè)計基本理論,構(gòu)建具寬廣視野和創(chuàng)新能力的預(yù)應(yīng)力混凝土知識體系,是寬口徑課程《PC設(shè)計原理》以預(yù)應(yīng)力混凝土知識體系為核心而展開的從內(nèi)容至教學(xué)方法改革的終極目標(biāo)。

作者單位:中南大學(xué)土木建筑學(xué)院