單筋矩形梁正截面受彎破壞實驗教學(xué)研究

林慶利 邊亞東 楊小衛(wèi) 殷曉三

摘 ?要：單筋矩形梁正截面受彎破壞實驗是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理學(xué)習(xí)過程中重要的教學(xué)實驗之一。以中原工學(xué)院為例，針對目前該實驗教學(xué)存在的問題提出了進(jìn)行少筋梁、適筋梁和超筋梁分組實驗，并帶領(lǐng)學(xué)生通過設(shè)計圖紙分析、承載力計算與構(gòu)件破壞特征交互驗證的一套實驗教學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：單筋矩形梁;正截面受彎破壞;結(jié)構(gòu)力學(xué)組合裝置（YJ-IIID型）;教學(xué)研究

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）20-0083-03

Abstract： The bending failure experiment of rectangular section beam with single reinforcement is one of the most important teaching experiments， during learning the course of concrete structure design principle. Taking Zhongyuan University of Technology as an example， firstly， the problems existing in this experiment teaching at present were analyzed. Subsequently， a set of improved experimental teaching methods were put forward， in which group experiment of small reinforcement beam， suitable reinforcement beam and super reinforcement beam was carried out. Meantime， under teacher's guidance， the design drawings analysis and bearing capacity calculation were completed by students， which can be cross-verified with component failure characteristics.

Keywords： rectangular section beam with single reinforcement; normal section bending failure experiment; structure mechanics combination device （YJ-IIID）; teaching research

引言

《混凝土結(jié)構(gòu)》是土木工程專業(yè)的核心課程之一，該課程按照內(nèi)容性質(zhì)分為《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》、《混凝土結(jié)構(gòu)與砌體結(jié)構(gòu)設(shè)計》和《混凝土公路橋設(shè)計》，上中下三冊。在對標(biāo)工程教育專業(yè)認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，中原工學(xué)院建筑工程學(xué)院于2018年修訂了土木工程專業(yè)的培養(yǎng)方案，將上冊和中冊作為主要學(xué)習(xí)內(nèi)容，分別以《混凝土結(jié)構(gòu)I》和《混凝土結(jié)構(gòu)II》來進(jìn)行系統(tǒng)學(xué)習(xí)。其中，《混凝土結(jié)構(gòu)I》共60學(xué)時/4學(xué)分，主要講述混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能[1]，各種混凝土基本構(gòu)件的受力性能、截面計算和構(gòu)造等基本理論，屬于專業(yè)基礎(chǔ)知識。

《混凝土結(jié)構(gòu)I》可以看作是鋼筋和混凝土兩種材料的材料力學(xué)，具有很強(qiáng)的理論性和實踐性。它的基本理論大多以實驗為基礎(chǔ)，因此除去傳統(tǒng)課堂授課之外，必須加強(qiáng)實驗教學(xué)，讓學(xué)生在教師的指導(dǎo)下親自動手進(jìn)行實驗，觀察實驗現(xiàn)象，統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行歸納總結(jié)[2，3]，這樣才能夠使學(xué)生更深刻地認(rèn)識混凝土基本構(gòu)件的破壞過程、破壞特征和破壞規(guī)律，加強(qiáng)理解和記憶各類基本構(gòu)件的截面承載力計算和構(gòu)造規(guī)定?？梢?，在有條件的情況下，開展各種混凝土構(gòu)件的實驗教學(xué)顯得尤為重要，而單筋矩形梁正截面受彎破壞實驗就是其中最為重要的一個教學(xué)實驗。本文首先分析了當(dāng)前該實驗教學(xué)存在的主要問題，進(jìn)而針對有關(guān)問題提出了一套改進(jìn)教學(xué)效果的方法。

一、當(dāng)前教學(xué)中存在的主要問題

筆者通過對近五屆土木工程專業(yè)本科生的教學(xué)調(diào)查和混凝土實驗教學(xué)開展情況的研究發(fā)現(xiàn)，近五個學(xué)年以來關(guān)于單筋矩形梁正截面受彎破壞實驗教學(xué)主要存在以下幾個問題：

1. 課程內(nèi)容多，學(xué)時少，沒有開展相關(guān)實驗環(huán)節(jié)。在積極準(zhǔn)備工程教育專業(yè)認(rèn)證和學(xué)科評估的背景下，土木工程專業(yè)大量核心課程的學(xué)時數(shù)量被強(qiáng)制壓縮。然而，混凝土結(jié)構(gòu)課程知識量大，內(nèi)容十分豐富，涉及大量理論公式，對學(xué)生的數(shù)學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的功底要求很高[4]，想要在規(guī)定的學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生較好地掌握《混凝土結(jié)構(gòu)I》的基本知識有一定的難度，同時對于許多教師而言也不容易將主要內(nèi)容講清講透。因此，限于學(xué)時數(shù)量，有些任課教師更注重理論教學(xué)，只是將該實驗的視頻影像在課堂上給學(xué)生演示，沒有實際開展。

2. 實驗室老師負(fù)責(zé)具體操作，未讓學(xué)生親自動手實踐。出于對管理秩序和實驗效率的考慮，針對某幾屆學(xué)生雖然開展了相關(guān)實驗教學(xué)，但大多是實驗室老師負(fù)責(zé)具體操作，之后將實驗數(shù)據(jù)拷貝給學(xué)生處理。這樣一來，學(xué)生僅能觀察整個實驗破壞過程，統(tǒng)計實驗數(shù)據(jù)，沒有親自參與，對于如何粘貼電阻應(yīng)變片、構(gòu)件如何設(shè)計安裝、位移計如何使用以及如何利用靜態(tài)測試軟件采集實驗數(shù)據(jù)不能真正熟悉，無法達(dá)到鍛煉學(xué)生基本實驗技能和激發(fā)學(xué)習(xí)與科研興趣的目的。

3. 僅開展適筋梁的正截面受彎破壞實驗，對少筋梁和超筋梁缺乏足夠重視，不能形成有效對比。隨著培養(yǎng)方案不斷完善，單筋梁正截面受彎破壞實驗已成為《混凝土結(jié)構(gòu)I》必須要進(jìn)行的實驗環(huán)節(jié)。然而，當(dāng)前該實驗主要是在實驗室老師的指導(dǎo)下讓學(xué)生分組驗證適筋梁正截面受彎的破壞過程，沒有對少筋梁和超筋梁進(jìn)行實驗操作，不能形成強(qiáng)烈對比。此外，實驗構(gòu)件均是成品采購，非實驗室人員或?qū)W生制作完成，未對構(gòu)件的配筋計算和設(shè)計圖紙進(jìn)行仔細(xì)分析，學(xué)生對其內(nèi)部構(gòu)造也不太清晰。

可見，近五個學(xué)年以來，雖然對于該實驗教學(xué)環(huán)節(jié)已經(jīng)逐步開展和完善，但是仍然存在一些不足，為了更好地讓學(xué)生理解記憶單筋矩形梁正截面破壞的特征和承載力計算原理，培養(yǎng)學(xué)生動手操作能力和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，顯然有必要提出一套更加合理有效的實驗教學(xué)方法。

二、實驗教學(xué)改進(jìn)方法探討

本實驗采用煙臺新天地試驗技術(shù)有限公司設(shè)計的YJ-IIID型結(jié)構(gòu)力學(xué)組合裝置進(jìn)行加載，如圖1所示。在具體進(jìn)行該實驗教學(xué)時，可以采用如下幾個步驟：

1. 劃分實驗小組，分別對單筋矩形截面少筋梁、適筋梁和超筋梁進(jìn)行加載測試，但在加載前并不告知該小組所測試構(gòu)件的配筋情況。一般情況下，土木工程一個班級人數(shù)在32人左右，可以均勻地分成4組，包含少筋梁、適筋梁和超筋梁三種類型，其中可以有任意一種類型多出1組，事先不指明構(gòu)件的配筋類型。首先，每一小組成員之間互相配合，共同完成梁體正表面打網(wǎng)格線和在跨中位置粘貼混凝土電阻應(yīng)變片。接著，四個小組依次進(jìn)行構(gòu)件安裝調(diào)試、加載和采集數(shù)據(jù)等操作內(nèi)容。一個小組進(jìn)行加載時，其他三組一起認(rèn)真觀察構(gòu)件的破壞全過程。

2. 每個小組根據(jù)試驗現(xiàn)象判斷簡支梁配筋類型，并進(jìn)行實驗數(shù)據(jù)分析處理?，F(xiàn)以超筋梁為例，如果簡支梁出現(xiàn)混凝土受壓區(qū)邊緣先破碎，而下部受拉鋼筋不屈服，基本沒有預(yù)兆的情況下由于受壓區(qū)混凝土被壓碎而突然破壞的破壞形態(tài)，則說明該實驗表現(xiàn)出的是超筋梁破壞特征，可以判定為超筋梁，如圖2所示。某小組對應(yīng)獲得的實驗數(shù)據(jù)，見表1。由此繪制出的M-f（彎矩-撓度）關(guān)系曲線和M-？著S關(guān)系曲線，分別見圖3和圖4。

由表1可知，該構(gòu)件正截面所能承受的極限彎矩值為20.87kN·m，達(dá)到極限彎矩后實驗現(xiàn)象表現(xiàn)為受壓區(qū)混凝土突然被壓碎，而此時縱向受拉鋼筋的平均應(yīng)變值僅約為1318個微應(yīng)變，遠(yuǎn)未達(dá)到正截面承載力計算的基本假定-縱向受拉鋼筋極限拉應(yīng)變?yōu)?0000個微應(yīng)變，實驗現(xiàn)象表現(xiàn)為受拉鋼筋不屈服。

3. 進(jìn)行設(shè)計圖紙分析，并通過配筋計算驗證簡支梁配筋類型。在以往實驗教學(xué)過程中，都是對購買的成品構(gòu)件直接進(jìn)行加載驗證，學(xué)生對其內(nèi)部構(gòu)造不甚清楚。進(jìn)行設(shè)計圖紙分析之后，可使學(xué)生更加直觀地認(rèn)識構(gòu)件的配筋情況，熟悉縱向受拉鋼筋、架立筋與箍筋如何綁扎形成鋼筋骨架，以及構(gòu)件的純彎段是怎樣進(jìn)行配筋設(shè)計的。同樣以超筋梁為例，對應(yīng)的設(shè)計圖紙如圖5所示，具體配筋和截面尺寸見表2。

通過配筋計算驗證簡支梁配筋類型的具體步驟如下：

由力的平衡條件可得：

fyAs=？琢1fcbx ? ? ? ? ?（1）

查規(guī)范可知[5]，C25混凝土：fc=11.9N/mm2，ft=1.27N/mm2;HRB335鋼筋：fy=300N/mm2;？孜b=0.550。

于是，x？燮xb=？孜bh0=0.550×（150-20-6-7）=64.35mm其中，箍筋直徑是6mm，縱筋直徑14mm，混凝土保護(hù)層厚度為20mm。

則適筋梁的最大配筋面積為：

As，max=？琢1fcbxb/fy=1.0×11.9×100×64.35/300=255.26mm2

適筋梁的最小配筋率取0.2%和0.45ft/fy的較大值，經(jīng)計算較大值為0.2%，則適筋梁的最小配筋面積應(yīng)為：

As，min=0.2%■bh0=0.2%bh=0.2%×100×150=30mm2

故適筋梁的縱向受拉鋼筋截面面積應(yīng)控制在[30，255.26]mm2范圍內(nèi)，而表2中構(gòu)件的縱向受拉鋼筋選用了2根直徑14mm的HRB335鋼筋，其截面面積As=308mm2，則確實屬于超筋梁，這樣也就與第2.步中觀察的超筋梁的破壞現(xiàn)象和實驗數(shù)據(jù)得到了交互驗證。

三、結(jié)束語

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理》課程應(yīng)重視實驗教學(xué)，單筋矩形截面簡支梁正截面受彎承載力實驗是這門課程中最重要的一個教學(xué)實驗。筆者通過對所任教學(xué)院近五屆土木工程專業(yè)本科生的實驗教學(xué)情況進(jìn)行調(diào)查研究，分析了當(dāng)前教學(xué)中存在的主要問題，針對這些具體問題提出了一套實驗教學(xué)的改進(jìn)方法，鍛煉了學(xué)生的動手實踐能力，激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，便于學(xué)生更深刻地理解受彎構(gòu)件正截面的受彎性能，從而更好地掌握單筋梁正截面受彎承載力計算原理等知識。改進(jìn)的教學(xué)方法，還應(yīng)在今后的實踐教學(xué)過程中不斷優(yōu)化和完善。

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