混凝土結(jié)構(gòu)基本原理教學(xué)研究

湯永凈　柳獻

摘要：結(jié)合高?；炷两Y(jié)構(gòu)基本原理課程特點，文章闡述了課堂教學(xué)中的多樣性教學(xué)方法，重點強調(diào)了90分鐘課堂教學(xué)的步驟。以“斜截面抗剪承載能力性能與計算”章節(jié)教學(xué)內(nèi)容為例，詳細敘述通過制定課堂教學(xué)計劃，保證課堂不同時段的教學(xué)效能，并明確指出，制定縝密、細致、科學(xué)的課堂教學(xué)計劃是課堂教學(xué)質(zhì)量的根本保證。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)基本原理；課堂教學(xué)；教學(xué)計劃；多樣性教學(xué)方法

中圖分類號：TU37；G6420 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：10052909（2015）04005905

混凝土結(jié)構(gòu)基本原理作為土木工程專業(yè)中重要的專業(yè)必修基礎(chǔ)課程，其主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生掌握鋼筋及混凝土兩種材料所組成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本力學(xué)性能，具備混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計能力，理解其與先修課程（如材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)）和平行課程（如鋼結(jié)構(gòu)）的關(guān)聯(lián)性，要求學(xué)生掌握鋼筋和混凝土兩種材料組成的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在承受軸向力、彎矩、剪力、扭矩以及共同作用時的截面設(shè)計和承載能力評估，掌握預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件在軸心拉力和彎矩作用下的承載能力計算和評估，掌握混凝土構(gòu)件裂縫寬度和撓度確定的基本原理和驗算方法。為學(xué)習(xí)后續(xù)課程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計打好基礎(chǔ)。圖1為與該課程相關(guān)的先期、平行和后期課程。

圖1 混凝土結(jié)構(gòu)基本原理的先期課程、平行課程及后續(xù)課程示意圖

我國高校土木工程專業(yè)的混凝土結(jié)構(gòu)基本原理與北美國家課程設(shè)置有所不同。筆者在美國田納西大學(xué)和加拿大麥吉爾大學(xué)做訪問學(xué)者期間跟班學(xué)習(xí)混凝土結(jié)構(gòu)課程，兩所大學(xué)土木工程專業(yè)的本科生在該門課程上的學(xué)時為每周3小時，共36學(xué)時，學(xué)習(xí)內(nèi)容包括基本原理和結(jié)構(gòu)[1]，課程緊密結(jié)合設(shè)計規(guī)范，授課教師更加注重實際應(yīng)用。而我國的教學(xué)將混凝土結(jié)構(gòu)基本原理和結(jié)構(gòu)

設(shè)計分為兩門課程，在兩個學(xué)期完成，原理部分64學(xué)時，設(shè)計部分36學(xué)時，學(xué)生能更好地理解混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理。

筆者以90分鐘課堂教學(xué)為例，結(jié)合同濟大學(xué)混凝土結(jié)構(gòu)課程教學(xué)實踐，闡述了多樣性教學(xué)的意義，揭示了教學(xué)計劃在課堂教學(xué)中的重要地位，反映了中國高?；炷两Y(jié)構(gòu)課程教學(xué)特色。

一、 混凝土結(jié)構(gòu)基本原理教學(xué)特色

積極發(fā)揮課堂特色是提高教學(xué)質(zhì)量的有力舉措。筆者所在高校（同濟大學(xué)）以顧祥林教授為首的“混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”教學(xué)團隊在長期教學(xué)實踐活動中形成了自己的教學(xué)特色，這些特色包括立體化教材、國際化辦學(xué)、開放性以及自選式試驗等。立體化教材是指采用教學(xué)團隊編制的中文教材[2]、試驗指導(dǎo)書和英文教材（即將出版），并集紙質(zhì)教材、多媒體電子教案、教學(xué)錄像、試驗錄像、試件陳列室等多種表現(xiàn)形式于一體。土木工程專業(yè)國際化辦學(xué)指通過研究國際化模式并初步實踐，加強雙語教學(xué)和英文教材建設(shè)。開放性、自選性試驗指專門配置了混凝土結(jié)構(gòu)教學(xué)實驗平臺[3]，開放性、自選式教學(xué)試驗貫穿整個理論教學(xué)過程。試驗錄像在課程網(wǎng)站上，可隨時觀看學(xué)習(xí)。課堂是發(fā)揮和展示這些特色教學(xué)形式的平臺，根據(jù)教學(xué)大綱要求科學(xué)合理安排好課堂時間是提高教學(xué)效果的根本保證。同濟大學(xué)混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程先后被國家、上海市、學(xué)校評為精品課程。這些課堂特色的形成凝結(jié)了幾代人的不斷努力和探索實踐，是CDIO工程教育模式的具體表現(xiàn)[4]。

二、混凝土結(jié)構(gòu)基本原理教學(xué)方法的多樣性

課堂教學(xué)方法的多樣性有利于提高教學(xué)效果。多樣性的課堂教學(xué)方法分別在學(xué)習(xí)模式、雙語教學(xué)、考評方式、教研結(jié)合中充分體現(xiàn)。

引導(dǎo)學(xué)生采用先進的學(xué)習(xí)模式。自主學(xué)習(xí)、研究性學(xué)習(xí)和實踐性學(xué)習(xí)是先進的學(xué)習(xí)模式，課堂教學(xué)中通過回答開放性問題（包括概念型、知識型和資源型等三種類型），讓學(xué)生自己在思考和查閱資料中找到問題的答案，培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力；根據(jù)個人興趣和專業(yè)需要安排學(xué)生選擇教學(xué)實驗，接觸工程實際，提高解決實際問題的能力，初步掌握正確的思考和研究方法。

雙語教學(xué)和全英文教學(xué)。本課程開出完全用英語講課的平行班，供學(xué)生自由選課，以滿足學(xué)生的不同需求。隨著學(xué)生英文水平的提高和國際化要求，目前全英文教學(xué)取代了雙語教學(xué)。2014—2015年度選修人數(shù)占學(xué)生總數(shù)的10%。

考試方法改革。采取靈活的成績評定方式：理論考查占90%，實驗報告占10%。采取激勵機制，將研究性學(xué)習(xí)和實踐性學(xué)習(xí)的考評作為附加成績。

教學(xué)團隊的教師承擔(dān)多項國家級、省部級課題以及實踐應(yīng)用課題，課題中大多為混凝土結(jié)構(gòu)課題的試驗研究項目。充分利用這種優(yōu)勢，積極引導(dǎo)學(xué)生參與課題研究，積極在各類課題科研試驗項目中鍛煉學(xué)生實踐能力，強化感性認識，加深課本理論的理解，認清學(xué)科發(fā)展前沿。同時積極把國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和規(guī)程的研究成果反映到課程教學(xué)中。由于《既有建筑物結(jié)構(gòu)檢測與評定標(biāo)準(zhǔn)》《裝配式混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》《纖維增強復(fù)合材料加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》等標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)程為本課程組教師參與編寫，授課教師根據(jù)編寫體會進行深層次的講解，使學(xué)生及時掌握學(xué)科發(fā)展前沿和動態(tài)。此外，積極組織學(xué)生參加土木工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新實踐訓(xùn)練計劃（SITP）項目。

三、 混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課堂教學(xué)

混凝土課程具有內(nèi)容多，公式符號多，構(gòu)造規(guī)定多，工程實踐強等特點。該課程可分為承載能力和使用性能兩大部分。承載能力涵蓋正截面承載能力和斜截面承載能力。正截面承載力包括軸向力、彎矩，以及彎矩與軸力共同作用時的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面承載力，斜截面承載力包括混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件承受剪力和扭矩時截面上的承載能力。使用性能作為課程的一個部分，簡單介紹混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的變形，包括裂縫寬度、受彎構(gòu)件撓度的計算方法。承載能力分析和使用性能課時比例為14∶1。結(jié)合試驗研究，從加載到破壞全過程，提煉混凝土開裂、鋼筋屈服、混凝土壓碎等代表性的狀態(tài)，以力的不同類型作用下的承載能力分析方法分析其破壞機理。

縝密、細致、科學(xué)的課堂教學(xué)計劃是提高教學(xué)效果的關(guān)鍵。以混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程中“斜截面受剪承載力”教學(xué)環(huán)節(jié)為例，根據(jù)教學(xué)大綱制定科學(xué)合理的教學(xué)計劃，并對每一步教學(xué)分配合理的教學(xué)時間是提高課堂教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。教學(xué)計劃中應(yīng)突出基本概念和原理，理論聯(lián)系實際，注重系統(tǒng)性、新穎性和趣味性。

（一） “斜截面抗剪承載能力性能與計算”章節(jié)教學(xué)內(nèi)容及要求

該章節(jié)教學(xué)內(nèi)容包括：（1）無腹筋梁的受剪性能；（2）有腹筋梁的受剪承載力計算；（3）保證斜截面受彎承載力計算的構(gòu)造要求。

該章節(jié)教學(xué)的基本要求：（1）熟悉無腹筋梁斜裂縫出現(xiàn)前后的應(yīng)力狀態(tài)；（2）掌握剪跨比的概念，無腹筋梁斜截面受剪的三種破壞形態(tài)以及腹筋對斜截面受剪破壞形態(tài)的影響；（3）熟練掌握矩形、T形和工字形等截面受彎構(gòu)件斜截面受剪承載力的計算模型、計算方法及限制條件；（4）掌握受彎構(gòu)件鋼筋的布置、梁內(nèi)縱筋的彎起、截斷及錨固等構(gòu)造要求。

（二）90分鐘課程教學(xué)計劃與實施

教學(xué)環(huán)節(jié)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的第（2）點和教學(xué)要求的第（3）條展開，在90分鐘的教學(xué)環(huán)節(jié)中，考慮特定時間內(nèi)圍繞教學(xué)目的劃分若干步驟完成知識點、重點及難點的復(fù)習(xí)、解釋和討論，在此過程中合理安排教師與學(xué)生互動時間（表1）。

步驟教學(xué)目的教學(xué)知識點重點及難點教生扮演角色時間分配

1鞏固平截面假定在受剪承載力分析中的不適，以及鞏固斜截面的基本假定正應(yīng)力與剪應(yīng)力的共同作用決定構(gòu)件的裂縫位置及走向斜裂縫的出現(xiàn) 學(xué)生討論為主5分鐘

2復(fù)習(xí)斜截面受剪承載力的實驗研究復(fù)習(xí)剪跨比的概念，剪跨比對抗剪破壞模式的影響剪跨比作用的原因?qū)W生討論為主10分鐘

3復(fù)習(xí)無腹筋梁受剪承載力無腹筋梁承載力計算公式推導(dǎo)忽略不確定因素，

簡化計算模型 學(xué)生討論為主5分鐘

4有腹筋受剪承載力計算平面桁架模型基于有腹筋梁平面桁架模型的承載力計算公式推導(dǎo)桁架模型中的裂縫間混凝土簡化為桁架模型中的壓桿教師講解為主25分鐘

5有腹筋梁受剪承載力的半理論半經(jīng)驗公式受剪承載力計算公式的組成及應(yīng)用上限和下限值的確定教師解釋為主25分鐘

6受剪承載力公式及應(yīng)用小結(jié)及作業(yè)布置剪跨比計算、臨界截面確定、箍筋面積計算和間距確定、最小配箍率和截面限制條件的驗算等教師講解為主20分鐘

表1中的步驟1—3用于鞏固與復(fù)習(xí)，加深學(xué)生對剪跨比概念的理解，為后續(xù)的斜截面受剪承載力性能和計算作鋪墊。這3個步驟以學(xué)生討論為中心，共分配20分鐘時間。步驟4—6用于講解新的知識點，通過前3個步驟將學(xué)生的注意力集中于課堂教學(xué)之后，教師確認大部分學(xué)生掌握了構(gòu)件斜截面抗剪的基本特征和關(guān)鍵參數(shù)時，以教師為主進行步驟4—6的教學(xué)，根據(jù)內(nèi)容需分配70分鐘時間。

步驟1實施時，結(jié)合先期課程（材料力學(xué)）和該課程第二章的材料性能中的相關(guān)內(nèi)容，復(fù)習(xí)公式（1）中的正應(yīng)力和剪應(yīng)力產(chǎn)生的內(nèi)力，正應(yīng)力源于彎矩，而剪應(yīng)力源于剪力。

σtp，cp=σ2±σ24+τ2 （1）

裂縫的發(fā)展方向與τ/σ比值有關(guān)，與水平方向夾角為1/2arctan（2τ/σ）；τ/σ越大，裂縫發(fā)展方向越陡。

步驟2實施時，必然涉及剪跨比的概念，這時可引導(dǎo)學(xué)生深化剪跨比的概念，為什么剪跨比能夠決定構(gòu)件抗剪破壞的模式，可從裂縫發(fā)展與構(gòu)件長度方向的夾角大小判斷，裂縫發(fā)展方向與構(gòu)件長度方向的夾角越小，構(gòu)件的抗剪承載能力越低。而決定夾角大小的是τ/σ，剪應(yīng)力τ取決于剪力V的大小，而σ可由彎距M推算出來。這樣，σ/τ可以用彎距M與剪力V和截面有效高度h0乘積的比值，可以表示為

MVh0= VaVh0=ah0（2）

ah0稱為剪跨比λ。

如此，σ/τ∝MVh0，τ/σ與λ成反比。τ/σ越大，λ越小，受剪承載力越大。進而，可以用剪跨比λ說明構(gòu)件抗剪破壞模式。

步驟3實施時，復(fù)習(xí)在剪壓破壞模式下，沿斜裂縫取隔離體，忽略斜裂縫截面上難以確定的縱向鋼筋的銷栓力和裂縫間的摩擦力，得出無腹筋梁的受剪承載力為

Vc=0.24-0.06σsρsfc0.5+0.24λfcσsρsfcbh0=αc'fcbh0=αcftbh0

（3）

步驟4實施時，重點說明桁架模型，箍筋作為桁架的拉桿，上下弦縱向鋼筋作為桁架的拉桿和壓桿，裂縫間混凝土作為桁架的斜壓桿。在桁架模型中學(xué)生往往對斜壓桿難以理解。構(gòu)件抗剪破壞時，斜裂縫間的混凝土受到上下縱向鋼筋的約束分析，斜裂縫間混凝土受壓，可以理解為斜壓桿。然后，講解縱向鋼筋的受力，再說明水平鋼筋的受力，最終得出有腹筋梁的受剪承載力為

Vu=nvhcorcotα=fyvAsvshcorcotα（4）

由公式（3）和（4）疊加，得出受剪承載力計算理論公式。

講解步驟（3）和（4）之后，學(xué)生基本上可以接受這樣一種思路：雖然斜截面受剪承載力性能與計算不符合平截面假定，但它仍然利用“實驗—基本假定—計算模型—基本公式—適用條件—公式應(yīng)用”的線索，從中體現(xiàn)課程的系統(tǒng)性。

實施步驟5過程中，在講解為什么不用最大配箍率作為承載能力的上限時，利用實驗研究結(jié)果（圖2）解釋。從圖1可以看出，隨著配箍率的增大，即橫坐值的增加，縱坐標(biāo)將不再變化，這表明受剪承載力Vu 與構(gòu)件截面有效面積bh0的比值保持不變，因此受剪承載力受截面面積的控制或限制，解釋了受剪承載力上限值的確定方法。

圖2 受剪承載力/抗拉承載力比值與配箍率關(guān)系圖

為開拓學(xué)生解決問題思路，可從解析角度解釋。試驗研究中表明，當(dāng)配箍率超過一定值后，則在箍筋屈服前，斜壓桿混凝土已壓壞，故取斜壓破壞作為受剪承載力的上限。而《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[5]是通過控制受剪截面的剪力設(shè)計值不大于斜壓破壞時的受剪承載力來防止由于配箍率過高而產(chǎn)生的斜壓破壞。學(xué)生對這一點往往難以理解，對從配箍率控制轉(zhuǎn)化為截面面積控制感到困惑。

其實，在疊加公式（3）和（4），得到受剪承載力計算理論公式（5）后，

Vu=0.7ftbh0+1.25fyvAsvsh0（5）

不妨定義最大配箍率ρsv=1.2ftfyv，并將該配箍率帶入公式（5），簡單變化后可得

Vu=0.25βcfcbh0（6）

如此變化，即可得到規(guī)范設(shè)置的依據(jù)。

在第6個步驟中，為了增強學(xué)生的工程概念，在公式應(yīng)用時，啟發(fā)學(xué)生思考作用在梁上的集中荷載的工程意義。通常情況下，學(xué)生根據(jù)實驗課獲取的經(jīng)驗認為集中荷載是分配梁產(chǎn)生的或者是千斤頂給予的。通過啟發(fā)學(xué)生的思考，引導(dǎo)他們從實際結(jié)構(gòu)的主次梁考慮，解釋集中荷載的位置其實就是另一方向梁的支座位置，集中荷載大小即為另一方向梁的支座反力。往往在這個時刻，學(xué)生會恍然大悟，記憶深刻，產(chǎn)生良好的教學(xué)效果。接著，討論在集中荷載部位實際上應(yīng)如何布置箍筋，是配在次梁支座的兩側(cè)還是放在支座的中間，只要從受剪承載力的基本原理出發(fā)，學(xué)生能得出應(yīng)放在支座兩側(cè)的正確答案，因為支座處的實際計算截面積遠大于bh0。如此，不僅增強了學(xué)生對工程概念的理解也提高了學(xué)習(xí)興趣，體現(xiàn)了課程的新穎性和趣味性。

公式多、教材繁、考試難是多樣化教學(xué)方法實施前學(xué)生對混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程的普遍反映。多樣化教學(xué)的實施加強了混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課堂教學(xué)的新穎性、趣味性、系統(tǒng)性，改變了學(xué)生被動學(xué)習(xí)的局面，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力。2014年，同濟大學(xué)通過網(wǎng)上評議調(diào)查，93%的學(xué)生反映課程教學(xué)方法靈活多樣，激發(fā)了學(xué)生的興趣和深度思考；97%的學(xué)生反映課程內(nèi)容豐富新穎，具有挑戰(zhàn)性；93%的學(xué)生反映多樣化教學(xué)效果很好。從2014—2015年度學(xué)生期終考試中構(gòu)件受剪承載力考題的抽查結(jié)果來看，90%以上的學(xué)生能掌握配箍率限界的概念，并能合理判斷受剪控制截面和熟練應(yīng)用計算公式進行抗剪配筋設(shè)計。

四、結(jié)語

同濟大學(xué)混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課堂教學(xué)實踐證明，通過多樣化的教學(xué)方法可培養(yǎng)和提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，充分發(fā)揮90分鐘內(nèi)不同時段的教學(xué)效能是提高教學(xué)效果的重要途徑。因此，只有堅持這些鮮明的教學(xué)特色，才能更好地保證和提高混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課堂教學(xué)質(zhì)量。參考文獻：

[1] Edward G Nawy. Reinforced concrete（fifth edition）[M]. New Jersey： Pearson Education， Inc. 2003.

[2] 顧祥林. 混凝土結(jié)構(gòu)基本原理[M]. 上海： 同濟大學(xué)出版社，2011.

[3] 顧祥林，林峰，黃永嘉，等. “混凝土結(jié)構(gòu)基本原理”本科教學(xué)實驗平臺建設(shè)[J]. 實驗室研究與探索， 2009， 28（2）：37-40.

[4] 劉建平，賈致榮，師郡，等. 混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程教學(xué)模式[J].高等建筑教育，2010，19（6）：24-28.

[5] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. GB 50010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.