《混凝土結構原理》課程改革與實踐教學①

趙淑麗, 孫 超

（1.河北農業(yè)大學,河北 保定 071001;2.保定職業(yè)技術學院,河北 保定 071001）

《混凝土結構原理》課程改革與實踐教學①

趙淑麗1, 孫 超2

（1.河北農業(yè)大學,河北 保定 071001;2.保定職業(yè)技術學院,河北 保定 071001）

通過對土木工程專業(yè)《混凝土結構原理》課程的調研,發(fā)現(xiàn)了諸多問題。針對這些問題,從教學內容、教學方法等方面闡述了實施對策,構建了以基本理論為基礎,面向工程實踐為導向的教學體系,探索了《混凝土結構原理》教學與工程實踐銜接的途徑。

混凝土結構;教學方法;工程實踐;課程改革

《混凝土結構原理》是土木工程專業(yè)的主干課程,也是一門實踐性強與現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程等有關的專業(yè)基礎課。河北農業(yè)大學自本科2009級開始對教學計劃進行了調整,《混凝土結構原理》這門課在教學計劃方面同樣也進行了調整。主要表現(xiàn)在:課程名稱由《混凝土結構構件》,調整為《混凝土結構原理》;執(zhí)行學期由第六學期,調整為第五學期;學時增加了4學時的教學實驗,總學時48學時保持不變。課程性質仍為專業(yè)基礎課,學分為3學分,課程講授的學期末進行1.5周的課程設計。本課程自2009級土木工程專業(yè)學生第五學期,即2011年9月份起執(zhí)行新的教學計劃。

由于課程設置變化和相應規(guī)范標準的修訂,本課程的教學內容及安排方面需要進行相應的調整和改革。另外,近幾年教學研究發(fā)現(xiàn),由于欠缺對專業(yè)知識的深層次理解和應用,且學生缺乏實驗動手能力和綜合運用能力,土木工程專業(yè)畢業(yè)生無法直接適應相應工作崗位的需求。

筆者針對河北農業(yè)大學《混凝土結構原理》課程所存在的問題進行了探討,從教學內容及方法、教學設置及工程應用方面有針對性的提出了改革措施,以期達到教學與實際工程的銜接,提高土木工程專業(yè)學生的工程應用能力。

一、課程教學內容的變化及教學方法的改革

（一）課程教學內容的變化

中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部對現(xiàn)行的《混凝土結構設計規(guī)范》GB 50010-2002進行修訂,修訂的主要內容為49項,新版《混凝土結構設計規(guī)范》GB 50010-2010在2011年7月1日執(zhí)行。本次修訂對混凝土的結構設計原則和計算方法進行了較大幅度的調整,如新規(guī)范中完善規(guī)范的完整性,從以構件計算為主適當擴展到整體結構的設計,補充“結構方案”和“結構抗倒塌設計”的原則;淘汰低強鋼筋,納入高強、高性能鋼筋,提出鋼筋延性（極限應變）的要求;構件正截面承載力計算:“任意截面”移至正文,“簡化計算”移至附錄等等[1,2]。

例如,《混凝土結構設計規(guī)范》GB 50010-2010中,補充"結構抗倒塌設計"原則,增強結構的整體穩(wěn)固性。內容如下[2]:

結構抗倒塌設計表達式:混凝土結構在偶然作用下的防連續(xù)倒塌驗算,應采用下列極限狀態(tài)設計表達式:SAd≤RAd

SAd——偶然作用的效應組合設計值;

RAd——偶然作用下的結構防連續(xù)倒塌的承載力函數(shù),根據(jù)結構的幾何參數(shù)及材料強度標準值或平均值確定。

對于可能遭受偶然作用的重要結構,宜進行結構抗倒塌設計?；炷两Y構的抗倒塌設計宜遵循下列原則:避免使結構中的關鍵構件直接遭受偶然作用;采取減小偶然作用或效應的措施;在容易遭受意外荷載影響的結構的區(qū)域增加冗余約束;增強疏散通道、避難場所及結構關鍵傳力部位的承載能力和變形性能;采用變形性能較好的材料和結構形式。

結構防連續(xù)倒塌設計方法。拉結構件法:通過貫通水平構件的最小配筋和構造措施,使缺失支承后的水平構件能夠按梁、懸索或懸臂繼續(xù)承載受力,維持結構的整體穩(wěn)固性;拆除構件法——按一定規(guī)則拆除主要受力構件,依靠結構體系中的剩余部分進行承載力驗算;非線性分析方法——通過結構的受力-倒塌全過程的非線性分析,模擬結構的連續(xù)倒塌過程。

（二）教學方法的改革

教學內容的變化和課程設置的改變,現(xiàn)行規(guī)范圖集的修訂,工程中新問題的不斷出現(xiàn),新理論、新技術和新方法的不斷發(fā)展,使得本課程的內容需要及時跟蹤和適應學科的發(fā)展。因此,《混凝土結構原理》課程的教學理念和教學方法也應隨之調整,也必須將新的技術方法和前沿的內容引入到教學過程中。

1.注重課程知識點的提煉 本課程的每一個知識點均來源工程應用的直接需要。在教學中,將基礎理論、工程概念和關鍵問題提煉并建立實用設計方法的過程作為重點,使得學生對基礎理論透徹理解,對工程問題深刻認識,并掌握問題的研究方法和實際設計方法,同時引導學生運用基礎理論對一些工程問題進行研究和提煉,做到真正掌握運用相關理論處理實際工程問題的方法。

2.完善教學環(huán)節(jié)培養(yǎng)綜合能力 工程應用綜合能力是學生最缺乏的素質,體現(xiàn)在對工程概念和工程問題理解缺乏。因此,筆者參考了國內幾所知名高校有關《混凝土結構原理》課程的設置情況,如清華大學、同濟大學,并結合河北農業(yè)大學的教學計劃要求,在課程教學體系上,設置了實驗教學、大作業(yè)和課程設計等教學環(huán)節(jié)。

《混凝土結構實驗》:在教師的指導下,由學生分組自主獨立完成鋼筋混凝土梁受彎性能和鋼筋混凝土柱受壓性能實驗的全過程,包括混凝土配比設計、梁和柱構件的配筋設計、材料力學性能測定、構件的制作及安裝、試驗輔助材料準備、加載試驗、處理試驗結果并分析。通過實驗學生能深刻體會實際工程和研究的各個環(huán)節(jié)。

大作業(yè):課程教學發(fā)現(xiàn)學生在學習過程中難以將知識點有機結合和綜合運用,所以在本課程的期中教學環(huán)節(jié)增加了大作業(yè)訓練。以工程結構中常用的懸挑構件（伸臂梁）為設計題目,如雨棚或陽臺,將受彎和受剪承載力、配筋構造等知識綜合運用,并要考慮各方面配筋的協(xié)調,將階段性知識進行綜合運用,作為課程的期中測試情況。以此體會以往單一問題求解及章節(jié)作業(yè)中所沒有遇到過的綜合訓練,并發(fā)現(xiàn)學習中存在的問題。

《混凝土結構構件設計》:要求完成結構方案、荷載和結構分析、內力組合、構件設計、施工圖繪制,是一個比較完整的工程結構設計訓練。因此學生自己帶來了挑戰(zhàn)性,在教師的指導下培養(yǎng)了學生運用混凝土結構基本理論和基本方法自主解決問題的能力,增強了對學生的分析能力、綜合能力和解決實際問題能力的培養(yǎng)。

3.激發(fā)創(chuàng)新意識 工程中的新方法、新技術的出現(xiàn)均是來源工程應用需求的發(fā)展,這一特點是以往基礎課程所沒有的。在教學中充分利用每個知識點的發(fā)展過程,并結合混凝土結構最新發(fā)展趨勢講授,使學生從中體會工程和理論創(chuàng)新的來源。

在近幾年的教學過程中,筆者還通過開放試題的形式激發(fā)學生主動思考問題的能力。目前在教學中所采用的開放試題的形式主要表現(xiàn)在兩方面。一方面,是課后習題求解補充。例如鋼筋混凝土受彎構件斜截面承載力計算中,教材中只講授了單一截面的配筋計算,但沒有整個構件配筋方案及鋼筋設置情況。針對這一情況,課程教學中會引導學生如何進行構件的配筋設計,如何選擇經(jīng)濟性和安全性更好的配筋形式。另外,提供一簡支梁箍筋和彎起鋼筋設置（尤其注意彎起鋼筋的設置情況）例題,然后讓學生解決任一受彎構件保證斜截面承載力及構造要求的配筋情況。另一方面,給學生創(chuàng)造學習機會,即提供經(jīng)典的習題教材、介紹工程中較好的結構論壇及新技術網(wǎng)站,增加學生的知識面。

二、實驗性教學的引入及實踐

在以往的教學中,對實驗內容只在課堂上進行定性描述,然后提供其它高校的相關實驗視頻讓學生自學。在教學環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)學生對實驗只是一知半解,更談不上培養(yǎng)學生的應用和創(chuàng)新能力。因此,《混凝土結構原理》的教學計劃中加入了教學實驗4學時。針對課程情況和學校的試驗室條件,筆者提出了《混凝土結構原理》實驗課的開設情況。

（一）實驗的主要儀器設備及材料[3-4]

1.儀器設備

（1）制作設備:混凝土攪拌機、振搗棒、鋼筋切斷機、彎曲機、拉伸機、鋼筋加工臺。

（2）加載設備:20噸液壓千斤頂、鋼結構反力加載架、液壓油泵。

（3）測試設備:20噸荷載傳感器、64點靜態(tài)應變儀、±5 mm位移傳感器四個、±10 mm位移傳感器一個、磁性表座五個、鋼結構儀器固定架一套、位移測試采集系統(tǒng)一臺套（不少于16個通道）、裂縫觀測儀。

2.輔助材料 鋼筋應變片、混凝土應變片、連接導線若干、粘貼膠、質量檢測尺、坍落度桶、水泥、砂、級配碎石、模板材料等。

（二）實驗（課程）的基本內容與要求

基本要求:學習混凝土構件制作、測試儀器設置和應用、加載方式、加載制度、傳感器的測試方法和數(shù)據(jù)采集及處理方法等（見表1）。

表1 實驗課程的基本內容與要求

（三）鋼筋混凝土矩形梁（鋼筋混凝土受壓柱）受力破壞試驗分析

1.實驗內容 結合課程教學內容,驗證鋼筋混凝土單筋矩形截面梁和鋼筋混凝土受壓柱受力全過程的應力（應變）分布及剛度（撓度）變化規(guī)律,受力性能及其破壞規(guī)律。

2.實驗要求 （1）每個班級按學生人數(shù)分成2個小組,每組約15人;（2）由實驗指導老師簡介實驗力學簡圖、測點布設依據(jù)及測試參數(shù);儀器設備的原理及操作方法和注意事項,然后把本組學生劃分為（加力、應變測讀、撓度測讀及裂縫測讀）四組,在老師的指導下由學生動手操作;（3）試驗過程中由學生測讀試驗梁和柱加荷的大小、裂縫產生位置及寬度及個測點的應變和撓度,尤其注意短柱的彎曲側移值;（4）試驗完成后現(xiàn)場核對試驗記錄,描繪裂縫產生位置及寬度,試驗的作用下沿梁高度方向各測點纖維層上的應變和控制斷面撓度;（5）整理試驗數(shù)據(jù)并與計算結果（數(shù)字和圖表）比較,說明試驗中存在的問題。

三、課程設計環(huán)節(jié)的改革及實踐

鋼筋混凝土課程設計是理論教學結合實際的重要實踐環(huán)節(jié)之一,是學習完鋼筋混凝土結構理論課程后進行的一次全面的綜合練習。其目的在于加深對結構計算基本理論和基本知識的理解,提高學生結構設計、解決實際問題的能力。根據(jù)近幾年課程教學中出現(xiàn)的問題,提出以下改革方向。

1.設計題目工程化 因原教學內容中,設計題目均為單向板肋梁樓蓋設計且無具體工程情況,所以提出設計題目工程化。設計題目可根據(jù)辦公樓、教學樓和工業(yè)廠房等實際工程采用單向板肋梁樓蓋設計、雙向板肋梁樓蓋設計和無梁樓蓋設計,由學生根據(jù)興趣自主選題。課程設計的選題盡量接近和結合實際工程,培養(yǎng)學生工程設計的能力和思維方式。

2.注重培養(yǎng)學生綜合設計能力 課程設計中,不少學生只是簡單地照搬設計樣板,或抄襲其他同學的設計,不能深刻理解設計原理。而結構設計涉及面很廣,包括荷載組合、結構外型及尺寸的選定、鋼筋的布置、施工工藝及技術、維護、經(jīng)濟性等多種因素。要使一個構件得到良好的受力和經(jīng)濟性,必須對上述各種因素進行合理設計。

通過培養(yǎng)學生綜合設計能力可提高學生綜合分析問題、解決問題的能力,增強了學生靠攏生產實際的意識。

3.增強培養(yǎng)學生運用手冊、標準圖和規(guī)范的能力

學生在課程設計過程中表現(xiàn)為依賴于教材和指導教師,在查用《混凝土結構設計規(guī)范》、《建筑結構荷載規(guī)范》和有關標準圖集等方面欠缺。施工圖繪制的深度不夠,圖面質量較差。

例如,課程設計中常用的09G901-4混凝土結構施工鋼筋排布規(guī)則與構造詳圖（現(xiàn)澆砼樓面與屋面板）中單向板下部鋼筋排布構造（圖1）應用情況[5],學生表現(xiàn)為計算完受力鋼筋后,不能運用相關圖集進行鋼筋布置和施工圖的繪制。

圖1 單向板下部鋼筋排布構造

自2009年開始,筆者在土木工程專業(yè)的課程設計中加入綜合設計能力和相關規(guī)范圖集的運用。通過兩年的試用,發(fā)現(xiàn)學生的設計思維能力提高了、規(guī)范和圖集運用情況取得了良好改善,但運用的層次及理解程度還須進一步提高。

四、結束語

筆者于2009年3—7月和2010年3月和7月在對《混凝土結構原理》的講授過程中,分別對土木工程專業(yè)2006級141名學生和2007級107名學生進行調查分析。90%的學生對《混凝土結構原理》課程教學過程中采用的開放試題、相關規(guī)范和圖集的引用比較滿意,學生期望混凝土結構實驗的開展以及課程的調整。

《混凝土結構原理》課程的教學改革與實踐教學方法,解決了教學中出現(xiàn)的有關問題,培養(yǎng)學生與工程對接的能力,增強學生的解決問題的能力與創(chuàng)新能力。筆者提出的教學改革及實踐難免有不足之處,希望廣大教育工作者驗證與探討。

[1] GB50010-2002.混凝土結構設計規(guī)范[S].

[2] GB50010-2010.混凝土結構設計規(guī)范[S].

[3] GB50152-92.混凝土結構試驗方法標準[S].

[4] 姚振綱,劉祖華.建筑結構試驗[M].上海,同濟大學出版社.2009.95-103.

[5] 09G901-4.混凝土結構施工鋼筋排布規(guī)則與構造詳圖（現(xiàn)澆砼樓面與屋面板）[S].

The reformation and practical teaching of the
course Princip les o f Concrete Structures

ZHAO Shu-li1,SUN Chao2

（1.College of U rban and Rural Construction,Agricultural University of Hebei,Baoding 071001;2.Baoding Vocational and Technical College,Hebei,Baoding 071001）

In thispaper,the p roblem s are found during the research of the course ofPrinciplesof concretestructuresabout the civil engineering major.To solve these p roblem s,this paper describes the countermeasures from the teaching content and teaching methods,etc.The educational system is constructed for the foundation of basic theory and the engineering p ractice-oriented system.In the end,this paper exp lores the interfacemeansof the teaching and engineering p ractice about the course.

concrete structures;teaching methods;engineering p ractice;course refo rmation

G 642.0 < class="emphasis_bold">文獻標志碼:A

A

1008-6927（2011）02-0189-04

2010-11-15

趙淑麗（1979-）,女,河北邢臺人,在讀博士,講師,從事結構工程方向研究。

（編輯:劉雪春）