鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

摘要：為開(kāi)展鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)，自主研發(fā)基于虛擬儀器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示系統(tǒng)。采用NIcDAQ搭建混合信號(hào)采集系統(tǒng)，以實(shí)驗(yàn)演示教學(xué)為目標(biāo)設(shè)計(jì)信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)清零、數(shù)據(jù)修正和數(shù)據(jù)記錄、畫(huà)圖等功能。實(shí)踐表明，該演示系統(tǒng)為推動(dòng)立體化啟發(fā)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)和互動(dòng)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：虛擬儀器；鋼筋混凝土；演示系統(tǒng)；LabVIEW

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.423；TU528.571文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10052909（2012）06013904鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代土木工程最重要的組成部分，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程則是結(jié)構(gòu)工程專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)中最重要的專(zhuān)業(yè)課程之一。由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程實(shí)踐性強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)成為影響教學(xué)質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，隨著本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)投入日益加大，傳統(tǒng)的鋼筋混凝土實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法已不能滿(mǎn)足知識(shí)、能力、素質(zhì)并重的新型工程設(shè)計(jì)人才的培養(yǎng)要求，鋼筋混凝土實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革迫在眉睫。以鋼筋混凝土集約分層式教學(xué)改革為代表的系列實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革搭建了總體框架，符合現(xiàn)階段本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方向［1］。以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)綜合加載裝置為基礎(chǔ)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的硬件設(shè)施為實(shí)現(xiàn)基本型—提高型—自主創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供保障［2-3］。目前該裝置僅實(shí)現(xiàn)構(gòu)件支撐體系的多功能目標(biāo)，可完成多種試驗(yàn)構(gòu)件的加載，而測(cè)試系統(tǒng)仍沿用機(jī)械讀表式儀器設(shè)備。機(jī)械讀表式儀器設(shè)備盡管可提高學(xué)生動(dòng)手能力，但在一定程度上限制了學(xué)生視野，降低了實(shí)驗(yàn)效率，特別是演示教學(xué)環(huán)節(jié)時(shí)，讀表記錄無(wú)法讓學(xué)生實(shí)時(shí)了解實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，缺點(diǎn)非常明顯。文獻(xiàn)［6］基于虛擬儀器開(kāi)發(fā)了新的實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，采用模擬實(shí)驗(yàn)展示梁加載至破壞的過(guò)程，然而結(jié)果畢竟是模擬的，相比真實(shí)的實(shí)驗(yàn)演示還有所欠缺；因此，針對(duì)實(shí)際構(gòu)件加載試驗(yàn)引入自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)特別是演示環(huán)節(jié)的教學(xué)非常必要。文章基于虛擬儀器技術(shù)，研發(fā)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示系統(tǒng)。實(shí)踐證明，應(yīng)用該演示系統(tǒng)取得了良好的教學(xué)效果。一、虛擬儀器技術(shù)

虛擬儀器［7］（VirtualInstruments，簡(jiǎn)稱(chēng)VI）是美國(guó)國(guó)家儀器公司（NationalInstrumentsCorporation簡(jiǎn)稱(chēng)NI）基于“軟件即是儀器”的理念于1986年提出的全新概念，即在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，測(cè)試功能由用戶(hù)自定義并通過(guò)測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。其實(shí)質(zhì)是利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能來(lái)模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式表達(dá)輸出結(jié)果，利用I/O接口設(shè)備完成信號(hào)的采集與控制，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析和處理，從而完成各種測(cè)試功能的計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)是融合電子測(cè)量、計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的新型測(cè)量技術(shù)，在降低儀器成本的同時(shí)，提高儀器的靈活性和數(shù)據(jù)處理能力，是傳統(tǒng)儀器概念的重大突破?！疤摂M”主要包含兩方面含義：第一，虛擬儀器面板是虛擬的。傳統(tǒng)儀器面板上的各種“器件”所完成的功能由虛擬儀器面板上的各種“控件”來(lái)實(shí)現(xiàn)；第二，虛擬儀器測(cè)量功能由軟件編程實(shí)現(xiàn)。在以計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)支持下，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)儀器的測(cè)試功能，而且可組合不同測(cè)試功能的軟件模塊實(shí)現(xiàn)多種測(cè)試功能?？梢?jiàn)，采用虛擬儀器技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示系統(tǒng)有無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

12高等建筑教育2012年第21卷第6期

余世策，等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用

二、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)教學(xué)演示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面破壞實(shí)驗(yàn)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程中最為重要的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、比較理論計(jì)算，通過(guò)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)中獲得的感性認(rèn)識(shí)，鞏固并深化所學(xué)理論知識(shí)。

（一）系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定

圖1為鋼筋混凝土受彎構(gòu)件加載測(cè)試簡(jiǎn)圖，受彎構(gòu)件采用簡(jiǎn)支安裝，以千斤頂通過(guò)分配梁對(duì)試驗(yàn)梁加載，千斤頂荷載通過(guò)力傳感器測(cè)量。試驗(yàn)加載過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量試驗(yàn)梁的撓度、受拉主筋的應(yīng)變、混凝土受壓區(qū)的應(yīng)變，對(duì)每級(jí)荷載作用下的加載力、撓度、應(yīng)變等數(shù)據(jù)修正、整理，繪制跨中彎矩-撓度曲線(xiàn)圖和跨中彎矩-應(yīng)變曲線(xiàn)圖。觀察和分析這2個(gè)曲線(xiàn)圖，理解鋼筋混凝土構(gòu)件受彎破壞的機(jī)理，掌握鋼筋混凝土構(gòu)件受彎破壞的3個(gè)階段，以及鋼筋混凝土在不同階段的作用［8］。由于靜載試驗(yàn)需要分級(jí)進(jìn)行，每級(jí)荷載作用下需穩(wěn)定一段時(shí)間才能記錄數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)既要顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，又要具備人工干預(yù)數(shù)據(jù)記錄和圖形繪制的功能。

圖1鋼筋混凝土受彎構(gòu)件加載測(cè)試簡(jiǎn)圖

（二）硬件配置方案

根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定，需要采集的信號(hào)有位移信號(hào)、力信號(hào)和應(yīng)變信號(hào)。位移信號(hào)的采集設(shè)備選擇高精度差壓變壓器式位移傳感器，量程為30mm，精度為0.1%，輸電信號(hào)為0～5V電壓，數(shù)據(jù)調(diào)理和采集選擇了NI9205電壓采集模塊，該模塊具有16位測(cè)量精度，250KS/s最高采樣率，可實(shí)現(xiàn)32路單端模擬輸入的信號(hào)采集。力信號(hào)的采集設(shè)備選用應(yīng)變式壓力傳感器，以全橋電路接入。應(yīng)變信號(hào)的采集設(shè)備為應(yīng)變片，以1/4橋電路接入，數(shù)據(jù)調(diào)理和采集均選用NI9237同步電橋模塊，該模塊具有24位測(cè)量精度，50KS/s最高采樣率，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)和測(cè)量4個(gè)電橋傳感器所需的全部信號(hào)。最后將電壓采集模塊和同步電橋模塊插入CompactDAQ機(jī)箱，組成混合信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

（三）基于LabVIEW軟件的設(shè)計(jì)

LabVIEW［9-15］是一個(gè)革命性的圖形編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，以G編程語(yǔ)言為基礎(chǔ)，用于數(shù)據(jù)采集、控制、數(shù)據(jù)分析和圖形表示等，尤其適于虛擬儀器和虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

1.用戶(hù)界面設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)目標(biāo)設(shè)定的要求，軟件界面主要分成參數(shù)輸入?yún)^(qū)、原始數(shù)據(jù)區(qū)、修正數(shù)據(jù)區(qū)、操作區(qū)和圖形顯示區(qū)。參數(shù)輸入?yún)^(qū)用于手工輸入初始等效荷載，該參數(shù)考慮試驗(yàn)梁的自重對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的修正；原始數(shù)據(jù)區(qū)顯示傳感器直接采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括兩根受拉主筋應(yīng)變、混凝土受壓區(qū)應(yīng)變、千斤頂荷載、跨中位移、左支座位移和右支座位移共7個(gè)數(shù)據(jù)顯示框；修正數(shù)據(jù)區(qū)顯示經(jīng)修正后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括修正后兩根受拉主筋應(yīng)變、混凝土受壓區(qū)應(yīng)變、跨中彎矩和跨中撓度5個(gè)數(shù)據(jù)顯示框；操作區(qū)用于人工干預(yù)試驗(yàn)進(jìn)程，包括數(shù)據(jù)清零按鈕、數(shù)據(jù)修正按鈕和數(shù)據(jù)記錄畫(huà)圖按鈕；圖形顯示區(qū)用于顯示彎矩-應(yīng)變曲線(xiàn)和彎矩-撓度曲線(xiàn)。采用LabVIEW定制的軟件界面如圖2所示，操作界面非常友好。

圖2教學(xué)演示系統(tǒng)用戶(hù)界面

2.后臺(tái)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)后臺(tái)程序設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和圖形顯示模塊，借助DAQ數(shù)據(jù)采集模式，快速實(shí)現(xiàn)了多路混合信號(hào)的同步采集，經(jīng)分解后得到隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)陣列。點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)清零”按鈕，將觸發(fā)時(shí)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤(pán)，將觸發(fā)后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)減去硬盤(pán)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，從而輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)清零，同樣地點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)修正”按鈕，將輸入的“初始等效荷載”參數(shù)值存儲(chǔ)到硬盤(pán)，觸發(fā)后的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)經(jīng)硬盤(pán)存儲(chǔ)的參數(shù)修正，從而得到了修正數(shù)據(jù)。程序中最關(guān)鍵的部分在于人工干預(yù)實(shí)現(xiàn)每一步荷載的數(shù)據(jù)記錄和畫(huà)圖，這需要將穩(wěn)定后的實(shí)時(shí)修正數(shù)據(jù)按加載次序累加到一系列數(shù)組中，同時(shí)將不同數(shù)組中X-Y坐標(biāo)數(shù)據(jù)以圖形顯示，呈現(xiàn)隨加載進(jìn)程變化的曲線(xiàn)圖。采用LabVIEW中反饋節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)組追加功能，當(dāng)“數(shù)據(jù)記錄畫(huà)圖”按鈕觸發(fā)后，數(shù)據(jù)自動(dòng)累加到數(shù)組中，而前面的數(shù)據(jù)保持不變，畫(huà)圖則采用了LabVIEW中的XY圖函數(shù)，程序框圖如圖3所示。

圖3人工干預(yù)數(shù)據(jù)記錄及畫(huà)圖程序框圖

三、教學(xué)演示系統(tǒng)的實(shí)踐效果和應(yīng)用前景

鋼筋混凝土適筋梁受彎試驗(yàn)教學(xué)演示系統(tǒng)已成功應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐，從問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果看，99%的學(xué)生認(rèn)為教學(xué)演示環(huán)節(jié)對(duì)開(kāi)展試驗(yàn)相當(dāng)有幫助：“教學(xué)演示環(huán)節(jié)對(duì)開(kāi)展加載試驗(yàn)有很大幫助……比單純講課有效果，避免了實(shí)驗(yàn)操作的盲目性，提高了實(shí)驗(yàn)成功概率”，“演示環(huán)節(jié)解決了大家很多疑惑”，“教學(xué)演示環(huán)節(jié)告訴我們實(shí)驗(yàn)的注意點(diǎn)和難點(diǎn)，能更好地幫助我們完成實(shí)驗(yàn)，這是必不可少的”。從應(yīng)用前景來(lái)看，由于硬件設(shè)備的通用性和系統(tǒng)界面的定制性，系統(tǒng)適用不同的鋼筋混凝土構(gòu)件受力性能試驗(yàn)演示教學(xué)，有廣闊的應(yīng)用前景。在此基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)值模擬開(kāi)發(fā)立體啟發(fā)式課堂教學(xué)模式，能極大提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。教學(xué)演示系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)為引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了新思路，學(xué)生不但能自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)構(gòu)件和加載方案，還能利用這一平臺(tái)設(shè)計(jì)測(cè)試方案、在線(xiàn)分析結(jié)果，為互動(dòng)式實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式提供了技術(shù)支撐。

四、結(jié)語(yǔ)

基于虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容和方法的改革，把計(jì)算機(jī)技術(shù)與測(cè)試技術(shù)緊密融合，是探討課程實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和教學(xué)方法改革的新途徑。自主研制的虛擬儀器綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有多功能、多用途、成本低廉等特點(diǎn)，在投資少的情況下實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)環(huán)境現(xiàn)代化、規(guī)模化建設(shè)，同時(shí)為學(xué)生開(kāi)展自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供友好而開(kāi)放的平臺(tái)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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編輯周沫