混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理規(guī)范對比法教學研究與實踐

黃國平

摘要：為實現(xiàn)寬口徑土木工程專業(yè)厚基礎(chǔ)、強理論、多方向的培養(yǎng)目標，將規(guī)范對比教學法引入混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課堂教學中，以規(guī)范比較為主線，剖析新老規(guī)范、各不同方向規(guī)范之間的異同，幫助學生更好地理解掌握混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原理，同時為后續(xù)專業(yè)分流及將來工作提供寬口徑出路作好準備。

關(guān)鍵詞：寬口徑土木工程；規(guī)范對比；混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）11-0155-02

眾所周知，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程作為目前土木工程專業(yè)的主導課程，定位為專業(yè)基礎(chǔ)課，在寬口徑土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)教育理念的背景下，覆蓋土木工程專業(yè)下屬的建筑工程、交通土建工程、地下工程、隧道等專業(yè)方向。為實現(xiàn)寬口徑土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標，目前建筑類高校或設(shè)有土木工程專業(yè)的綜合性高校就自身的具體情況及培養(yǎng)目標不同而采用了不同的具體培養(yǎng)模式，大體可以分為兩大類：一是學生在入學時已確定土木工程下屬的某專業(yè)方向，專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課的設(shè)置均具有明顯地方向性；而另一大土木培養(yǎng)模式，即學生入學時為土木工程，大學前三年開始基礎(chǔ)課及專業(yè)基礎(chǔ)課，三年級時實現(xiàn)專業(yè)分流，學生可以憑自己的專業(yè)興趣選修某個專業(yè)方向的專業(yè)課?？梢钥闯觯罢吲囵B(yǎng)模式是原土木建筑類專業(yè)培養(yǎng)模式在大土木環(huán)境新形勢下的改進，是種過度模式；而后者則是大土木工程培養(yǎng)模式。暫不探究兩種不同模式的優(yōu)劣，其培養(yǎng)目標的細微差別及課程體系設(shè)置不同均直接影響土木工程專業(yè)主導課程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的課程教學。目前湖南城市學院土木工程的培養(yǎng)模式采用的是第一類模式，作為專業(yè)核心基礎(chǔ)課，不同專業(yè)方向開設(shè)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課具有一定的專業(yè)方向性，旨在為其專業(yè)方向服務(wù)，即以某專業(yè)方向為主線，相關(guān)專業(yè)方向為輔的教學過程；同時混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課是一門實踐性很強并與現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程緊密相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)課。在該過程就要處理好基本原理及設(shè)計方法與專業(yè)方向之間的關(guān)系，或者說基本理論與專業(yè)規(guī)范之間的關(guān)系。有鑒于此，在課程教學過程中以規(guī)范對比為主線，貫穿教學始末，強化相關(guān)學科知識點之間的聯(lián)系，夯實基本原理，取得較好的教學效果；拓展學科專業(yè)方向，與寬口徑教學模式相適應(yīng)。

一、規(guī)范對比法概述

目前很多教育學者提倡一種行之有效的教學方法——對比教學法，[1]且有許多教師將該方法應(yīng)用于教學實踐中，或邊實踐邊研究，取得了一定研究成果和收到較好的教學效果。該種教學方法有利于培養(yǎng)學生提出問題、分析問題、解決問題和歸納概括能力，對比教學法就是引導學生對同一知識模塊，從不同角度出發(fā)比較、分析它們之間的聯(lián)系與區(qū)別，在對比中深入地分析它們的本質(zhì)，從而掌握知識，達到教學目的，進而培養(yǎng)學生提出問題、分析問題、解決問題和綜合歸納概括的能力。規(guī)范對比法源于對比教學法，是對比教學法在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學中的具體應(yīng)用和一種形式，根據(jù)該課程的內(nèi)容及知識點的特征融合對比教學法而形成一種新的且與該課程教學相適應(yīng)的對比法，即規(guī)范對比法。

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理主要講授混凝土結(jié)構(gòu)所用材料的性能，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，混凝土結(jié)構(gòu)中常見的種類受力構(gòu)件的破壞特征、設(shè)計模型建立及設(shè)計方法。該課程的教材及教學均是依托某行業(yè)或某專業(yè)方向的規(guī)范，進行相關(guān)理論、原理及設(shè)計方法的講授?；炷两Y(jié)構(gòu)廣泛用于土木工程各專業(yè)領(lǐng)域，由于各領(lǐng)域結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身幾何尺寸、所受荷載、所處環(huán)境及行業(yè)習慣均存在較大差異，其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、設(shè)計方法不盡不同；因此各專業(yè)方向的混凝土結(jié)構(gòu)相應(yīng)規(guī)范規(guī)程還未統(tǒng)一，同時行業(yè)規(guī)范的延續(xù)性及習慣性很難統(tǒng)一。另一方面由于社會的進步、科技的創(chuàng)新、材料的發(fā)展以及人們對結(jié)構(gòu)受力認識的不斷深入等等，各行各業(yè)的混凝土相關(guān)規(guī)范以大約10年左右的時間修訂或更新一次，這都給寬口徑的大土木教育教學理念下的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理教學帶來挑戰(zhàn)。規(guī)范對比教學方法具有一般對比教學法優(yōu)勢，同時也較好地解決了該課程教學中的上述矛盾。

二、新老規(guī)范對比

如上所述，各行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范均隔一定時間進行一次更新或修訂，新規(guī)范往往是老規(guī)范的進一步完善，刪減與時代不相適宜或欠科學的條款，將多年來的工程經(jīng)驗和研究新成果反映在新規(guī)范中。在課堂教學過程中對涉及相關(guān)規(guī)范且新老規(guī)范有變異的地方，進行比較分析，探討修改的合理性與科學性，既利于提高學生分析問題的能力，也利于幫助學生領(lǐng)悟新的設(shè)計理念。

2011年實施的面向建筑工程的混凝土規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2010），[2]以下簡稱10《建混規(guī)》，就與2002年實施的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50010-2002），[3]以下簡稱02《建混規(guī)》有一定的差異，增加了不少新的內(nèi)容，甚至某些計算公式差別還特別大。比如兩者在處理偏心受壓構(gòu)件縱向彎曲構(gòu)件的影響時，方法和公式各異。在10《建混規(guī)》中推薦采用偏心受壓構(gòu)件考慮軸向壓力在撓曲桿件中產(chǎn)生的二階效應(yīng)后控制截面的彎矩設(shè)計值，其計算公式為：，其中，Cm為構(gòu)件截面偏心距調(diào)節(jié)系數(shù)；ηns為彎矩增大系數(shù)；M2對同一主軸組合絕對值交大的彎矩設(shè)計值。相對的，在02《建混規(guī)》中卻引進一個大于1的偏心距增大系數(shù)η，采用把偏心距ea乘以η，來考慮偏心受壓構(gòu)件縱向彎曲構(gòu)件的影響，該規(guī)范提供的計算公式為：

；；?？梢妰梢?guī)范采用公式完全不同，對二者的差異提出質(zhì)疑，引導學生思考。事實上，構(gòu)件在偏壓作用下會側(cè)向撓曲，這對截面的彎矩產(chǎn)生不利的影響，即通常所謂的效應(yīng)；那么對偏心受壓混凝土構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，可以有兩種思維來考慮這種不利的效應(yīng)，一是增大作用效應(yīng)，二是降低抗力；10《建混規(guī)》就是采用彎矩增大系數(shù)ηns的增大作用效應(yīng)法，02《建混規(guī)》則是引入偏心距增大系數(shù)η的降低抗力法，因為偏心距對受壓構(gòu)件的抗壓承載力是不利的，偏心距越大其抗壓承載力越低；由此兩種計算方法之間是存在內(nèi)在聯(lián)系的。

又比如在橋涵工程領(lǐng)域，現(xiàn)行的混凝土規(guī)范是《公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2004），[4]簡稱《公橋規(guī)》；目前也處在新規(guī)范的修訂與討論階段，已發(fā)布《公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》（JTG D62-2012征求意見稿）。[5]在課堂教學過程中，論及相關(guān)問題時，可適當就征求意見稿開展討論，與現(xiàn)行《公橋規(guī)》比較，探討其修改的合理性及科學性，使學生更為深刻地理解規(guī)范，靈活準確地應(yīng)用規(guī)范，而不盲從規(guī)范。

三、建筑規(guī)范與公路橋涵規(guī)范對比

目前土木工程專業(yè)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的教學中，涉及最多的也就是前面所述的兩部規(guī)范，即《建混規(guī)》和《公橋規(guī)》。在課堂教學實踐中，對比兩部規(guī)范發(fā)現(xiàn)二者之間的總體設(shè)計理論類似，而涉及一些具體構(gòu)件的具體設(shè)計問題可能有較大不同，一些相關(guān)的構(gòu)造規(guī)定也是差別較大。

就設(shè)計方法而言，兩規(guī)范均采用以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，按分項系數(shù)的設(shè)計表達式進行的設(shè)計；設(shè)計時均應(yīng)進行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩種極限狀態(tài)設(shè)計。其承載能力極限狀態(tài)實用表達公式基本上相同，正常使用極限狀態(tài)實用表達公式有較大的差別，見表1。

3.4.2條 對于正常使用極限狀態(tài)，鋼筋混凝土構(gòu)件、預應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)分別按荷載的準永久組合并考慮長期作用的影響或標準組合并考慮長期作用的影響，采用系列極限狀態(tài)設(shè)計表達式進行驗算：S≤C 6.1.1條 公路橋涵的持久狀況應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)的要求，采用作用的短期效應(yīng)組合、長期效應(yīng)組合并考慮長期作用的影響，對構(gòu)件的抗裂、裂縫寬度和撓度進行驗算

由表1對比分析，準永久組合與長期效應(yīng)組合對應(yīng)，標準組合與短期效應(yīng)組合對應(yīng)。但準永久組合與長期效應(yīng)組合表達式基本是一致的，而標準組合與短期效應(yīng)組合的表達式不盡相同，且就組合效應(yīng)值的水平而言，標準組合高于短期效應(yīng)組合。與《公橋規(guī)》的短期效應(yīng)組合更為接近的是新實施的《建筑荷載規(guī)范》（GB50009-2012）中的頻遇組合，但表達式也稍有不同。

對于具體設(shè)計問題，即混凝土構(gòu)件的拉、壓、彎、剪、扭等的承載能力設(shè)計計算及正常使用極限狀態(tài)驗算，二者規(guī)范計算公式或處理手段的異同，在教學過程中同樣以比較式的方法進行講授或加以討論?，F(xiàn)將二者相關(guān)計算公式列于表2，以示異同。規(guī)范的相關(guān)計算公式對比可知，除了一些字母符號表達略有不同外，對于構(gòu)件的軸心抗拉、軸心抗壓、抗彎、抗扭設(shè)計的計算式較為一致。這由于二者引進了相同的假設(shè)，相似的破壞特征，及類似的破壞機理或破壞模型，導致最終推導出的基本計算式是相同的。但對于斜截面抗剪，由于抗剪機理復雜，目前兩規(guī)范建議公式均是半理論半經(jīng)驗性的計算式，不同行業(yè)間的工程經(jīng)驗差異決定了各自采用不同的計算公式。在裂縫寬度計算時，10《建混規(guī)》采用的是綜合理論（半粘結(jié)半滑移理論）的裂縫寬度計算公式；而進行裂縫寬度計算公式；《公橋規(guī)》是考慮影響裂縫寬度的主要因素，反映主要因素與裂縫寬間的統(tǒng)計關(guān)系的經(jīng)驗公式，故二者公式差別也較大?！督ɑ煲?guī)》與《公橋規(guī)》在正常使用極限狀態(tài)下驗算受彎構(gòu)件的撓度時，不僅剛度就計算公式有差異，且在考慮長期作用的方式也不同的；受彎構(gòu)件在準永久組合的作用下，瞬時產(chǎn)生的撓度即短期撓度fs，可以依據(jù)短期剛度Bs得到，而考慮長期作用的影響下，由于混凝土材料的收縮、徐變等特性瞬時撓度會不斷增大的趨勢，這時就有兩種不同的出來方式。一是《建混規(guī)》采用長期剛度B計算得到長期撓度；二是《公橋規(guī)》引入撓度長期增長系數(shù)ηθ，先利用短期剛度計算得出短期fs，然后在將fs放大，即乘以ηθ得到長期撓度。

四、結(jié)語

任何一種教學方法都不能脫其離教學內(nèi)容，規(guī)范對比法既有對比教學法理論內(nèi)涵，同時有與該課程的內(nèi)容特征相符的實踐教學方法?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計原理知識點多、公式多、涉及規(guī)范多，在教學過程中以規(guī)范對比貫穿始末，比較并分析新老規(guī)范、不同行業(yè)規(guī)范之間的異同，適當啟發(fā)學生，讓學生充分理解原理，構(gòu)建土木專業(yè)基礎(chǔ)知識，這與“大土木”專業(yè)設(shè)置要求和土木工程專業(yè)“寬基礎(chǔ)、多方向”的培養(yǎng)理念是相吻合的。

參考文獻：

[1]陳琦，劉儒德.當代教育心理學[M].北京：北京師范大學出版社，2007.

[2]GB50010-2010，公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]GB50010-2002，公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[4]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]JTG D62-2012，公路鋼筋混凝土及預應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范（征求意見稿）[S].

（責任編輯：王意琴）