混凝土結(jié)構(gòu)基本原理教學方法創(chuàng)新與實踐

劉素梅+徐禮華+池寅+李浩

摘要：混凝土結(jié)構(gòu)基本原理是土木工程專業(yè)的必修核心課程，基本理論屬于半經(jīng)驗半理論的范疇，力學分析與計算模型具有很強的實驗性，設計方法涉及現(xiàn)行規(guī)范的內(nèi)容。為適應本課程的特點，必須改革以課堂教學和實驗演示為主的單一教學方式，創(chuàng)新教學方法。結(jié)合國家精品資源共享課程建設要求，將計算機技術(shù)引進課程教學，鼓勵學生編制混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件計算程序，通過程序編寫在深入理解的基礎上，熟練掌握基本構(gòu)件的設計理論和設計方法，包括設計規(guī)范中的相關構(gòu)造要求，從而培養(yǎng)協(xié)作能力和解決實際工程問題的能力。

關鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)基本原理；基本構(gòu)件；計算程序；創(chuàng)新教學

中圖分類號：G642.421；TU37 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）06-0068-04

混凝土結(jié)構(gòu)基本原理是土木工程專業(yè)的必修核心課程，內(nèi)容主要包括混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件設計原理、設計方法及相應的構(gòu)造。該課程與實際工程聯(lián)系緊密，實踐性強。其教學目的是培養(yǎng)學生的混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件設計能力，以及分析和解決工程問題的綜合能力， 為今后從事土木工程設計、施工和管理等工作奠定堅實的基礎。

課程分為理論教學和實踐教學，包括課程設計、課間實驗等。如何針對課程特點教學，在講授設計方法時又如何結(jié)合現(xiàn)行設計規(guī)范，是主講教師應該認真思考的問題。對于教師而言，如何在教學中讓學生深刻理解基本理論和設計方法，并運用到實際工程中，是設計教學方法的出發(fā)點。如何在教學實踐中使課程生動，激發(fā)學生的學習興趣，提高其解決實際問題的能力，是體現(xiàn)教學效果的根本點。

目前中國近六百所院校每年為社會輸送幾萬名結(jié)構(gòu)工程技術(shù)人員，但是近年來許多工程用人單位反映土木工程專業(yè)畢業(yè)生普遍存在一個問題：技術(shù)素質(zhì)不盡如人意，表現(xiàn)為基礎理論不扎實，結(jié)構(gòu)常識較差，只知照搬照抄，遇到具體結(jié)構(gòu)問題一籌莫展，缺乏創(chuàng)新能力和解決實際工程問題的能力[1]。

上述現(xiàn)象說明，在混凝土結(jié)構(gòu)教學中存在一些問題[2-4]，即重教材輕規(guī)范。

課程在講授及學習過程中，一般重視對教材內(nèi)容的講解和學習，很少涉及規(guī)范內(nèi)容，學生不了解規(guī)范，更不知如何將所學的知識運用于實際工程。教學模式主要以課堂教學和實驗演示為主，并配以相應的習題，教學方式單一，學生易產(chǎn)生視覺疲勞感，從而失去學習興趣，降低了學習效率。學習過程重視計算方法，忽視了對結(jié)構(gòu)基本理論的理解，導致只會照搬公式，一旦遇到工程實際問題就不知如何解決。

為解決這些問題，同時考慮到混凝土結(jié)構(gòu)實踐性強的特點，將計算機技術(shù)引入混凝土結(jié)構(gòu)教學，一方面便于教師模擬說明各種試驗現(xiàn)象，另一方面便于學生計算分析各種工程問題，既讓課堂生動有趣，又培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維模式，從而激發(fā)學生自主學習興趣，培養(yǎng)學生解決實際工程問題的能力。

為此，武漢大學混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)國家精品資源共享課程教學團隊，自2008年開始創(chuàng)新并實踐混凝土結(jié)構(gòu)基本原理教學方法，鼓勵學生編制混凝土基本構(gòu)件設計程序，通過編制程序增強對混凝土基本構(gòu)件設計理論、設計方法的理解，了解相關規(guī)范內(nèi)容，培養(yǎng)分析和解決工程問題的能力。

一、程序編制

（一） 編制內(nèi)容及要求

教學過程中，要求學生根據(jù)現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》（GB 50010—2010）對課程涉及的基本構(gòu)件設計程序。

程序需實現(xiàn)的功能為：根據(jù)輸入的荷載、截面和材料等信息，計算所需的鋼筋用量，選擇鋼筋，并驗算裂縫寬度和變形是否符合要求。

程序涵蓋的混凝土基本構(gòu)件設計計算方法包括矩形和T形截面受彎構(gòu)件正截面承載力計算、受彎構(gòu)件斜截面受剪承載力計算、軸心受壓構(gòu)件承載力計算、矩形和工字形截面偏心受壓構(gòu)件正截面承載力計算、矩形截面偏心受拉構(gòu)件正截面承載力計算、受扭構(gòu)件扭曲截面承載力計算、受彎構(gòu)件撓度驗算、裂縫寬度驗算。

設計參數(shù)采用可視化方法輸入。在各種構(gòu)件設計和復核模塊中，內(nèi)力值、截面尺寸、配筋面積等參數(shù)需要通過文本框輸入。混凝土強度、鋼筋型號和環(huán)境類別等可通過下拉列表選擇，點擊計算按鈕后，程序自動檢驗各種參數(shù)的合理性，對不滿足要求的會提醒重新輸入。

計算過程中，各種關鍵信息以對話框方式顯示。計算結(jié)束后，主要數(shù)據(jù)在計算結(jié)果面板的文本框中顯示，并導出計算書。計算書中顯示詳細計算過程和計算結(jié)果，方便用戶及時查閱計算結(jié)果信息。輸出文件路徑由用戶指定，其文件名自動生成或人為指定。

（二）編制步驟

第一步：需要繪制基本構(gòu)件設計流程圖，流程圖涉及基本參數(shù)提取到核心計算程序中的方式，以及截面設計和截面復核的具體步驟。教學安排中，流程圖繪制要求在1個月內(nèi)完成，并在課堂上講解流程圖中出現(xiàn)的問題和解決的辦法。

第二步：選擇編制程序的依托軟件平臺。為提高編制軟件使用的便捷性，要求選擇可視化的軟件平臺。大部分學生選擇了VC++集成開發(fā)環(huán)境編寫，其實現(xiàn)的功能可概括為：實現(xiàn)各種混凝土基本構(gòu)件的設計算法，可視化輸入各種設計參數(shù)，以文本文件方式輸出詳細的設計計算過程和設計結(jié)果。

第三步：主體程序設計及調(diào)試階段。調(diào)試時，需考察基本構(gòu)件設計過程中各種可能出現(xiàn)的情況。以單筋矩形截面梁正截面承載力計算為例，程序設計中需考慮截面設計和復核中出現(xiàn)超筋梁、少筋梁的可能性和處理辦法。

由于任務量較大，學生需要分組完成程序設計。一般10名學生一組，其中4名學生負責流程圖繪制，6名學生負責主程序設計和調(diào)試。

（三）界面設計

程序設計時，首先需要設計一個可以交換式輸入的界面。如圖1、圖2為某小組設計界面。

（四） 數(shù)據(jù)庫構(gòu)建及參數(shù)提取

在界面上輸入相關參數(shù)時，可以采取兩種方式：（1）直接在界面文本框輸入強度值，利用文本框?qū)傩蕴崛?shù)值，傳遞給主計算程序；（2）首先構(gòu)建相應數(shù)據(jù)庫，在界面上通過下拉列表菜單選取，并將對應參數(shù)傳遞給主計算程序，后者的使用性能更優(yōu)。endprint

程序中，對于取值相對固定的設計參數(shù)，如混凝土強度抗拉強度及抗壓強度、保護層厚度、鋼筋抗拉強度及抗壓強度等設計參數(shù)，均采用輸入混凝土強度等級或輸入鋼筋型號后程序自動取值的方式，以及數(shù)據(jù)庫方式提取參數(shù)。

以混凝土強度為例，程序中以下拉列表的方式提供選擇（C15、C20、C25、C30、C35等），計算過程中，程序會根據(jù)混凝土等級的選擇結(jié)果給出序號，以相應序號為定位數(shù)據(jù)，在全局數(shù)組中獲得各種詳細參數(shù)的具體取值。全局數(shù)組定義在主程序類中，可以在其他類中隨時調(diào)用。例如，當選擇C15混凝土等級時，定位數(shù)據(jù)為0，要獲得混凝土抗壓強度時，直接調(diào)用g_fc[0]即可獲得相應數(shù)據(jù)。

（五）計算結(jié)果提取

為便于程序的調(diào)試及使用，計算過程中的關鍵值可以在計算結(jié)果界面上顯示（如圖3），如受彎構(gòu)件正截面承載力計算中的受壓區(qū)高度、相對界限受壓區(qū)高度、最小配筋率等。同時，整個計算過程以文本文件的形式給出。

為形成相對完整的文本數(shù)據(jù)，計算過程中的所有中間數(shù)據(jù)均保存在類的變量中，在形成輸出文件時，直接讀取中間關鍵數(shù)據(jù)，以一定的格式寫文件即可。整個文件輸出流程同計算過程相一致。

二、程序運行實例

以下利用一組學生編寫的設計程序?qū)σ桓喼Я哼M行設計。

條件：已知某單筋矩形截面梁，截面尺寸b×h=250 mm×500 mm，承受的彎矩設計值M=260 kN·m，采用混凝土強度等級C30，HRB400鋼筋，環(huán)境類別為一類。求所需縱向鋼筋截面面積和配筋。

輸入的參數(shù)及計算結(jié)果如圖4所示，導出的計算書如圖5所示。

三、結(jié)語

興趣是學習的最好老師。如何激發(fā)學生學習興趣、引導學生自主思考，讓其在有限的學時內(nèi)掌握扎實的基礎理論是教學的關鍵。將計算機技術(shù)引入混凝土結(jié)構(gòu)教學，鼓勵學生邊學習邊編程，大大激發(fā)了學生的學習興趣。

學生在編制混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件設計程序過程中，首先需要具備編寫程序的能力，其次需要深入理解基本構(gòu)件的設計理論和設計方法，并掌握設計規(guī)范中相關構(gòu)造要求。這鍛煉了學生分析和解決實際工程問題的能力，編寫程序過程中的分組合作，也鍛煉了學生的團隊協(xié)作能力[5]。

通過計算機技術(shù)的引進創(chuàng)新課堂教學方法，為學生的課外學習和參加各種結(jié)構(gòu)競賽開辟新的途徑。教師可以利用計算機技術(shù)模擬試驗現(xiàn)象，使課堂更生動。學生可以利用計算機模擬分析結(jié)構(gòu)模型，選擇最優(yōu)方案，節(jié)約時間和經(jīng)費，也可利用計算機編程，實現(xiàn)一些創(chuàng)新想法，大大提高了效率。可以預見，在不久的將來，計算機技術(shù)會在課堂和課后得到更為廣泛的應用。

參考文獻：

[1]徐有鄰.授人以魚，不如授人以漁——對混凝土結(jié)構(gòu)教學的建議[J].東南大學學報（哲學社會科學版），2012，14（S2）：7-10.

[2]劉素梅，徐禮華.混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程雙語教學實踐與總結(jié)[J].高等建筑教育，2015，24（3）：112-116.

[3]李永梅，李玉占，孫國富.數(shù)值仿真分析技術(shù)在混凝土結(jié)構(gòu)教學中的應用——以鋼筋混凝土雙向板受力分析為例[J].實驗室研究與探索，2016，35（10）：80-84.

[4]許鵬奎，虞廬松. 我國高等工程教育的發(fā)展現(xiàn)狀、問題及趨勢分析[J].武漢理工大學學報（社會科學版），2013，26（4）：633-637.

[5]牛建剛，薛剛.混凝土結(jié)構(gòu)教學過程中學生綜合能力培養(yǎng)的探索[J]. 東南大學學報（哲學社會科學版），2012，14（S2）：229-231.endprint