“大學生挑戰(zhàn)杯”創(chuàng)新實驗教學改革嘗試

李永信

摘 ?要：本文從挑戰(zhàn)杯選題、教學計劃、實施過程等方面闡述了“大學生挑戰(zhàn)杯”創(chuàng)新實驗的教學改革實踐過程。

關(guān)鍵詞：挑戰(zhàn)杯;開放實驗室;教學改革

中圖分類號： G640 文獻標識碼：A

1 ?挑戰(zhàn)杯項目的選題

挑戰(zhàn)杯的選題是一項非常細致的事情。既要考慮到項目的先進性，又要考慮到項目的科學性及實用價值。根據(jù)簡化工程實際問題，開設綜合型實驗的要求，我們選擇了“鋼管混凝土拱橋建造監(jiān)測監(jiān)控模擬仿真系統(tǒng)”，作為參加湖北省第十界“挑戰(zhàn)杯·青春在沃”大學生科技作品競賽項目，實際下承式橋梁見圖1。簡化后測試系統(tǒng)模型見圖2。

1.1 測試系統(tǒng)概述

本次挑戰(zhàn)杯選的題目為：“鋼管混凝土拱橋建造監(jiān)測監(jiān)控模擬仿真系統(tǒng)”（以下簡稱測試系統(tǒng)），見上圖。系統(tǒng)的設計，采用了塔扣合一的既經(jīng)濟又先進的吊裝方法，鋼管拱的線型為懸鏈線線形。該監(jiān)測監(jiān)控模擬仿真系統(tǒng)，將此類橋梁建造整個試驗過程通過簡化，采用模擬仿真的形式搬進課堂，便可以開出多種綜合型及研究型的實驗。應用模擬系統(tǒng)軟件，可以進行橋梁建造過程的模擬、鋼管拱吊裝過程的應力模擬、塔架位移模擬、混凝土灌注過程的模擬、成橋試驗的模擬、自爬吊籃的模擬等。可以演示監(jiān)測監(jiān)控的全過程，安裝到每一部分時的各部位的應力情況。由于監(jiān)測監(jiān)控關(guān)系到工程建設項目的成敗，所以，對保證工程質(zhì)量有重大意義。

1.2 項目創(chuàng)新點和先進性介紹

創(chuàng)新點：設計制作出鋼管混凝土拱橋建造監(jiān)測監(jiān)控模擬仿真系統(tǒng)，并制作出了應變長期監(jiān)測規(guī)及應力自校儀。本作品運用了經(jīng)濟可靠的塔扣合一吊裝技術(shù)，懸鏈線鋼管拱線形及采用了應變長期監(jiān)測規(guī)和應力自校儀，進行監(jiān)測監(jiān)控模擬實驗?？梢匝菔颈O(jiān)測監(jiān)控的全過程，安裝到每一部分時的各部位的應力情況?？梢宰寣W生自己動手進行各個環(huán)節(jié)的實際操作，并在比較短的時間完成整個橋梁的安裝過程及整個監(jiān)測監(jiān)控的測試過程，有益于對學生創(chuàng)新思路的培養(yǎng)。

2 ?教學計劃的編制

2.1 測試系統(tǒng)的創(chuàng)新點及所開設的綜合創(chuàng)新實驗

2.1.1 測試系統(tǒng)的介紹

測試系統(tǒng)由兩邊的橋墩、橋墩上面的塔架系統(tǒng)、鋼管拱系統(tǒng)及橋面系組成，見圖3。

鋼管混凝土拱橋模型全長1.5米，橋面寬30cm，凈長為1.05米。該橋主拱采用雙肋等截面桁架無鉸拱，拱軸線是以懸鏈線為基礎(chǔ)的三次樣條曲線，矢高0.21m米，矢跨比1/5，分5段制作安裝，每段焊接而成。拱肋吊桿為7對，Ф4鋼筋固定。吊桿間的間距為 0.125 米，橋面為厚1mm的鋼板擱在由10mm×20mm型鋼焊接而成的骨架上。鋼管拱的加工制作采用一次加工成形的辦法（鋼管拱采用不銹鋼管制作）纜索吊裝系統(tǒng)主索系上、下兩組Ф4mm 鋼筋構(gòu)成，跨度為1.3米。

2.1.2 測試系統(tǒng)的創(chuàng)新點

（1）塔扣合一的吊裝系統(tǒng)

塔扣合一的吊裝系統(tǒng)見圖4，塔架扣架分開吊裝系統(tǒng)見圖5。

本系統(tǒng)采用了既經(jīng)濟又先進的塔扣合一吊裝技術(shù)，采用動態(tài)調(diào)索法保證拱軸線線型。

（2）拱軸線為懸鏈線線型

拱軸線為懸鏈線線型見圖6。

在拱橋設計中，合理拱軸線的確定直接影響主拱截面內(nèi)力的分布與大小。所謂合理軸線，就是當拱的軸線與壓力線完全重合時，各截面的彎矩和剪力都為零，只有軸力，各截面上產(chǎn)生均勻分布的正應力，材料能得到充分利用，從力學的觀點來看，這是最經(jīng)濟，合理的。因此在某種固定荷載作用下，拱的所有截面的彎矩都為零的軸線。目前拱橋常用的拱軸線型有圓弧線、拋物線以及高次拋物線等。本下承式鋼管混凝土拱橋的模型拱軸線采用的是懸鏈線三次樣條曲線。

（3）采用動態(tài)調(diào)索法調(diào)整索力及拱軸線線型

隨著鋼管混凝土拱橋設計跨度的增大，一次張拉法存在著一些不可克服的弊端：

第一，鋼管拱肋的施工預抬值是無法精確計算的。其主要是受鋼管拱肋結(jié)構(gòu)的彈性變形、大型塔架的彈性變形、扣索（鋼絞線）彈性模量的變化、扣索溫差熱膨脹等諸多因素的影響，致使裸拱圈最終不能滿足設計線形。工程施工中如果過分地依賴其計算預抬值，可能會導致主拱合攏的困難。

第二，隨著鋼管拱拼裝的延續(xù)，如果扣索是不可調(diào)的，先期安裝的扣索，其內(nèi)力總是不斷地增加而偏大，使得各扣索內(nèi)力分配不合理，那么相應地錨（特別是重力式地錨）和塔架的投入會過大，造成人力和財力資源的浪費。

為了使得主拱滿足設計線形，最可行的方案是反復調(diào)整扣索即扣索動態(tài)調(diào)整法。通過現(xiàn)場適時張拉扣索，重新合理分配各扣索的內(nèi)力，使各控制點的標高以某種方式逼近設計拱軸線，以其獲得滿意的拱肋內(nèi)力、扣索內(nèi)力和拱軸線形?？鬯鲃討B(tài)調(diào)整是通過理論分析和現(xiàn)場測試來實現(xiàn)的。其主要內(nèi)容涉及到鋼管拱和塔架的應變控制、扣索的內(nèi)力控制和鋼管拱助的標高控制。利用扣索動態(tài)調(diào)整技術(shù)，可以使扣索內(nèi)力較合理的分布和控制拱肋標高。

（4）采用了應變長期監(jiān)規(guī)測試系統(tǒng)

施工中采用動態(tài)調(diào)索法，保證鋼管拱線形及每根扣索的索力在其允許值之內(nèi)。鋼管拱合攏之后，采用先進的無損探測技術(shù)，混凝土密實度探測。整個施工過程監(jiān)測監(jiān)控采用應變片、傳感器、長期應變檢測規(guī)及應力自校儀，靜、動態(tài)應變測試系統(tǒng)，固有頻率測試系統(tǒng)。下面對應變長期監(jiān)測規(guī)及應力自校儀進行介紹：

長期應變檢測是一個至今沒有解決的問題，以下采取的使用長期應變檢測規(guī)的方法，對于應變長期檢測是非常有效的，見圖7。

長期應變檢測規(guī)是由連接塊、應變規(guī)支架、夾式引伸計所組成。二次儀表用應變儀測取應變后，再換算出位移來。位移增量除以標距即為應變值。夾式引伸計的調(diào)零標定刀口與夾式引伸計的測量刀口是一樣的距離，將應變規(guī)支架固定在應變規(guī)支架連接塊上之后，將支架固定在構(gòu)件上，再從側(cè)面將在應變規(guī)支架連接塊輕輕地移出。這樣就保證了支架的標距值。將夾式引伸計安裝在調(diào)零標定刀口上進行調(diào)零之后，再將夾式引伸計放在測量刀口上，看其是否也在零位，若有微小的初讀數(shù)，記下來存檔，當構(gòu)件加載之后，重復剛才的調(diào)零測量方法，即可得到任何時間的應變值。測量完畢，將應變規(guī)拿下來保存，這種測量方法很適合于長期應變的測量。應變規(guī)在測不銹鋼材料彈性模量中的應用見圖8。

（5）采用了應力自校儀測試系統(tǒng)

應力自校儀測試系統(tǒng)見圖9。應力自校儀由以下幾部分組成：1.千分表應變測試系統(tǒng);2.自校應變規(guī)系統(tǒng);3.標距安裝總成;4.信號采集轉(zhuǎn)化系統(tǒng);5.計算機軟件程序系統(tǒng)所組成。

目前，用應變片短時間檢測的橋梁健康檢測比較多。但對于長期檢測，應變變化及裂紋擴展時，就必須用應力自校儀才能做到。由于千分表和應變規(guī)同時測量，可以相互校對，增加了儀器應變測試的可靠性。同時可以測量裂紋的擴展量，這是本儀器的創(chuàng)新之處。應用于橋梁健康檢測及監(jiān)控之后，可以隨時掌握路橋信息，指導路橋檢修及加固。

應力自校儀在測材料彈性模量中的應用見圖10。

那么如何到達橋梁的各個部位進行檢測呢？這就是下面要介紹的自爬式水陸兩用吊籃。

（6）自爬式水陸兩用吊籃

自爬式水陸兩用吊籃見圖11。

本吊籃系統(tǒng)由吊籃移動車、水陸兩用吊籃主體、氣囊、卷揚機、滑輪、自爬升降器、方向盤組成。其運行方法為：在整個跨內(nèi)由橋面上的吊籃移動車帶動主體運行，完成各個部位的傳感器安裝及檢測。吊籃的升降由自爬升降器（手動）和卷揚機（自動）來完成。當本跨內(nèi)的測試，貼片任務完成之后，可換另一個位置進行工作。若下面是陸地時，氣囊不充氣，可將吊籃推到下一個位置。如果下面是水時，將氣囊充氣后，由后面的螺旋槳推動氣囊開到下一個位置。吊籃移動車上面有兩個套管，通過定位銷固定支架的位置，移動車內(nèi)裝上水泥或者石頭，以增加車的重量，提高支架的承載能力。有了方便的工具，對于經(jīng)常性地檢驗橋梁成為可能，可以更好地預防交通事故的出現(xiàn)。

根據(jù)第二課堂實驗教學資料《傳感器的設計、制作與組裝》、《鋼管混凝土建造監(jiān)測監(jiān)控實驗指導》，《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)試驗加固實驗指導》，在本測試系統(tǒng)上可以開設一下綜合創(chuàng)新實驗：測試系統(tǒng)的設計制作實驗;應變片粘貼實驗;塔架吊裝、應力、撓度、垂度、偏移量測試實驗;鋼管拱應力線形撓度測試實驗;索力測試實驗;傳感器標定實驗;鋼管混凝土探傷實驗;成橋檢測實驗等。

2.1.3 實驗內(nèi)容及學時安排

實驗內(nèi)容及學時安排見表1。

3 開放實驗室管理辦法

針對以上教學及實驗內(nèi)容，特制定開放實驗室管理辦法首先制定了開放實驗室的規(guī)章制度，之后按照規(guī)章制度執(zhí)行。時間開放：開放是相對于“約束”而言。常規(guī)的實驗教學，一是時間上的約束;二是內(nèi)容上的約束，只有必做實驗，沒有選作實驗;三是方法上的約束，只能按實驗指導書上規(guī)定的方案、方法、步驟做實驗，這對于學生能力培養(yǎng)十分不利。而時間開放，就是不受時間的限制，學生就可以認真仔細地將一個設計性的實驗做完。

內(nèi)容和教學方法上的開放：除必做實驗外，還應安排學生自選實驗。可以將教師的部分科研任務，安排為專題性的研究型實驗，以及開展第二課堂和學生科技小組活動。個人或小組，可以自擬實驗題目，自行設計實驗方案，自選儀器設備組裝實驗裝置，經(jīng)批準后，獨立進行實驗。實驗報告可以以小論文的形式提交?？傊瑢嶒灲虒W開發(fā)內(nèi)化的方法落到了實處。

4 ?創(chuàng)新實驗的教學過程

4.1 測試系統(tǒng)的制作

根據(jù)測試系統(tǒng)的制作所涉及的內(nèi)容，講解了鋼管混凝土拱橋建造監(jiān)測監(jiān)控的整個實驗過程，在本系統(tǒng)上所要開設的所有實驗（見表1的實驗內(nèi)容），并提供參考資料及電子文件，進而開拓學生的創(chuàng)新思路。之后學生根據(jù)功能設計制作出樣機及實際測試系統(tǒng)，見圖2測試系統(tǒng)模型，及圖3測試系統(tǒng)尺寸示意圖。

4.2 應變片的粘貼及儀器調(diào)試

根據(jù)要求，在塔架，鋼管拱、橋面上分別貼上應變片，從貼片方案設計、應變片粘貼、接線、應變片接橋及儀器調(diào)試，都由學生獨立完成，真正的鍛煉他們的動手能力。他們基本功扎實，動手能力強，經(jīng)過努力，終于完成了測試系統(tǒng)，并在本系統(tǒng)上開出了研究、設計綜合型實驗。綜合型實驗有：應變片的粘貼實驗;塔架系統(tǒng)測繪調(diào)整應力測試實驗;傳感器標定實驗;鋼管拱線型及應力測量實驗;索力測試實驗;鋼管混凝土探傷實驗;橋梁荷載試驗;動應力及固有頻率測量實驗等。

4.3 實驗報告及教學資料的整理

通過制作與測試，完成了實驗報告的編寫及答辯資料的整理。完成的教學資料有：

1.湖北省第十屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術(shù)科技作品競賽作品申報書，作品名稱為：鋼管混凝土拱橋建造監(jiān)測監(jiān)控模擬仿真系統(tǒng);2.測試系統(tǒng)設計圖紙及模型制作;3.鋼管混凝土拱橋建造監(jiān)測監(jiān)控模擬仿真系統(tǒng)設計說明書;4.鋼管混凝土拱橋建造監(jiān)測監(jiān)控模擬仿真系統(tǒng)指導手冊;5.鋼管混凝土拱橋建造監(jiān)測監(jiān)控模擬仿真系統(tǒng)上所能開設實驗的實驗報告;6.答辯講演稿（PPT）等;

5 ?比賽問辨及獲獎

展板設計與制作是根據(jù)比賽要求來設計的。湖北省“挑戰(zhàn)杯”競賽自1997年舉辦以來，已成功舉辦了9屆，今年是第10屆。本屆挑戰(zhàn)杯以“創(chuàng)新點亮中國夢”為主題，全省普通本科院校參與率達100%，民辦獨立學院、高職高專參與率達70%，共吸引來自全省64所高校的623件作品參賽，數(shù)十萬青年學子以“挑戰(zhàn)杯”為平臺，積極參與科技創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)教育實踐。

為了更方便說明仿真系統(tǒng)的功能，特意將系統(tǒng)及測試儀器運到比賽現(xiàn)場進行演示。既方便問辨又便于給參觀的人們演示。為了便于了解系統(tǒng)使用，特編寫了“鋼管混凝土拱橋建造監(jiān)測監(jiān)控模擬仿真系統(tǒng)指導手冊”，便于讓人們更好地了解我們的創(chuàng)新點和先進的施工技術(shù)。

問辨之后有許多學生及老師參觀，針對我們的作品，我們進行了耐心細致的講解及演示。由于參觀的人比較多，這就要注意儀器設備的安全問題，運去的儀器有個記錄，回來有個清點，保證設備不要丟失。運輸過程要注意安全，不要將儀器設備損壞。

本次比賽，武昌理工學院學生團隊斬獲多項大獎。其中，《鋼管混凝土拱橋建造監(jiān)測監(jiān)控模擬仿真系統(tǒng)》、《業(yè)主在住宅項目設計階段BIM知識庫建設的研究》獲二等獎，此兩個二等獎均為城建學生申報的作品?！丁把狙尽币苿踊ヂ?lián)網(wǎng)社交APP》、《槲皮素-羥丙基-β-環(huán)糊精包合物對柔紅霉素心臟毒性的保護作用》、《硫色素熒光法測定維生素B1含量實驗條件的研究》、《對于公益“微”企業(yè)的嘗試--一種校內(nèi)服務性移動新媒體平臺的構(gòu)建》、《從應試教育到素質(zhì)教育漸變問題的系列研究（四篇）》獲三等獎。經(jīng)過參賽學生及指導老師的努力，我們的《鋼管混凝土拱橋建造監(jiān)測監(jiān)控模擬仿真系統(tǒng)》在湖北省第十屆“挑戰(zhàn)杯·青春在沃”大學生課外學術(shù)科技作品競賽中榮獲二等獎。賽后團委書記表示：“此次我校學子在這次比賽中能獲得7個獎項，表明了他們在學術(shù)研究和科研創(chuàng)新上付出了努力，在成功素質(zhì)教育的理念下堅持不懈，最終獲得了一些成績，充分向社會展示了我校學子風采，有力地證明了我校學生扎實的理論功底，為我校培養(yǎng)人才、實現(xiàn)與社會人才需求標準高端對接提供了堅實基礎(chǔ)?！?/p>

6 總結(jié)

第一，完成了鋼管混凝土拱橋建造監(jiān)測監(jiān)控模擬仿真系統(tǒng)的設計、制作以及教學資料的編寫工作，對挑戰(zhàn)杯實驗進行了開發(fā)內(nèi)化教學;

第二，編寫了挑戰(zhàn)杯實驗教學資料：《傳感器設計、 制作與組裝》、《鋼管混凝土建造監(jiān)測監(jiān)控實驗指導》，《建筑與橋梁結(jié)構(gòu)試驗加固實驗指導》，制訂了教學計劃，制定了實驗室開放教學的規(guī)章制度及管理辦法;

第三，結(jié)合鋼管混凝土拱橋建造監(jiān)測監(jiān)控模擬仿真系統(tǒng)，開出了研究型綜合性實驗;

第四，經(jīng)過參賽學生及指導老師的努力，我們的《鋼管混凝土拱橋建造監(jiān)測監(jiān)控模擬仿真系統(tǒng)》在湖北省第十屆“挑戰(zhàn)杯·青春在沃”大學生課外學術(shù)科技作品競賽中榮獲二等獎。

第五，學生通過申請書填寫、模型設計與制作、應變片粘貼及各個綜合型實驗的試做、實驗報告及教學資料的整理，開發(fā)了學生的潛能，收獲很大，提高了動手能力及測試水平。同時本實驗將開發(fā)內(nèi)化教學落到了實處，并取得了豐碩的成果。

（本文審稿 張端丹）