混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)方法的探討——以受壓構(gòu)件正截面性能與設(shè)計(jì)為例

王英俊 （許昌學(xué)院土木工程學(xué)院，河南 許昌 461000）

1 引言

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理不僅是我校土木工程、道路與橋梁工程等專(zhuān)業(yè)必修的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，還是畢業(yè)后在本專(zhuān)業(yè)其他領(lǐng)域繼續(xù)學(xué)習(xí)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，也是土木類(lèi)專(zhuān)業(yè)碩士研究生入學(xué)考試的必考課程。該課程的主要內(nèi)容包括鋼筋和混凝土材料的基本性能、混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)、梁、板、柱構(gòu)件的受力性能分析、設(shè)計(jì)計(jì)算和構(gòu)造措施等和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的基本性能等，內(nèi)容豐富、理論嚴(yán)謹(jǐn)、實(shí)用性強(qiáng)，致使該課程學(xué)習(xí)相對(duì)較為枯燥，嚴(yán)重降低了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和教學(xué)效果，由此導(dǎo)致教學(xué)過(guò)程中容易出現(xiàn)“教師難教、學(xué)生難學(xué)”的“兩難”局面。因此，如何提高本課程教學(xué)質(zhì)量是目前亟需解決的問(wèn)題。

針對(duì)上述特點(diǎn)，梁景章提出適當(dāng)減少教師授課比重、采用講練結(jié)合和討論式、自主式的教學(xué)方法，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立思考。魏曉剛等提出混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程教學(xué)改革應(yīng)立足于最新修訂的行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工新技術(shù)新工藝，充分利用學(xué)校的科研平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，調(diào)動(dòng)現(xiàn)有的人力資源和技術(shù)優(yōu)勢(shì)等方面。邱尊長(zhǎng)建議加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源建設(shè)，即將相關(guān)課件、錄像、習(xí)題、參考資料等教學(xué)資源上網(wǎng)，學(xué)生提前下載學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。在此基礎(chǔ)上，著眼于“學(xué)”，以“人”為本、以“學(xué)”為中心，結(jié)合現(xiàn)代化教學(xué)工具，借助思維導(dǎo)圖、flash動(dòng)畫(huà)制作軟件等，豐富教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高教學(xué)效率為目的進(jìn)行教學(xué)方法的探討與改革。以《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理》第五章偏心受壓構(gòu)件正截面性能與設(shè)計(jì)為例，分別從新內(nèi)容的引入及展現(xiàn)、教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)和教學(xué)反思等方面進(jìn)行探討，方法如下。

2 新內(nèi)容的引入及展現(xiàn)

為了更好地讓學(xué)生接觸新知識(shí)，對(duì)新知識(shí)有一個(gè)更好的理解。首先，搜集國(guó)內(nèi)外工程應(yīng)用實(shí)例發(fā)布在學(xué)習(xí)通等網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)，學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，對(duì)新知識(shí)有一個(gè)直觀(guān)的認(rèn)識(shí)，并且運(yùn)用所學(xué)知識(shí)進(jìn)行受力分析，比如：房屋結(jié)構(gòu)中的柱子邊柱、角柱等，由于柱子上部從屬面積的分布會(huì)導(dǎo)致合力點(diǎn)的位置并不在柱子形心處，由此形成偏心受壓柱；橋柱從屬面積的合力中心點(diǎn)也不在柱子的中心處，形成偏心受壓柱等。接著，采用思維導(dǎo)圖介紹該課程的主要內(nèi)容及思路，思維導(dǎo)圖設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1所示。

從圖1中可以清晰地看到該部分的主要內(nèi)容：首先對(duì)偏心受壓柱進(jìn)行試驗(yàn)研究，從試驗(yàn)現(xiàn)象和破壞模態(tài)中總結(jié)規(guī)律，得出大偏心受壓破壞柱和小偏心受壓破壞柱兩種模態(tài)；然后分別對(duì)大偏心受壓破壞柱和小偏心受壓破壞柱進(jìn)行相關(guān)分析：產(chǎn)生條件、破壞過(guò)程、鋼筋和混凝土的應(yīng)力-應(yīng)變變化規(guī)律，進(jìn)而推導(dǎo)出正截面受彎承載力計(jì)算公式，然后進(jìn)行工程實(shí)例的應(yīng)用。在公式推導(dǎo)過(guò)程中，考慮偏心受壓長(zhǎng)柱的二階彎矩和重力二階效應(yīng)，將柱兩端彎矩轉(zhuǎn)化為柱彎矩設(shè)計(jì)值進(jìn)行公式的運(yùn)用；隨后，由彎矩、軸力和縱筋配筋率之間的關(guān)系繪制M-N-ρ曲線(xiàn)的繪制及規(guī)律的判定；最后，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中“三水準(zhǔn)、兩階段”的設(shè)計(jì)要求，中震作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)滿(mǎn)足構(gòu)造要求的需求，進(jìn)行構(gòu)造要求的講解。

圖1 偏心受壓柱正截面承載力分析思維導(dǎo)圖

3 教學(xué)過(guò)程設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1思維導(dǎo)圖中的內(nèi)容進(jìn)行講解，主要方法如下。

3.1 試驗(yàn)研究

錄制鋼筋混凝土（RC）柱在軸力和剪力共同作用下的破壞過(guò)程視頻，讓學(xué)生分析柱在水平荷載作用下的破壞過(guò)程，研究裂縫發(fā)展規(guī)律，總結(jié)柱在不同條件下的破壞特征，即大偏心受壓破壞的條件為相對(duì)偏心距較大，且受拉鋼筋配置不夠多，破壞的主要特征是破壞從受拉區(qū)開(kāi)始，受拉鋼筋首先屈服，然后受壓區(qū)混凝土被壓壞；小偏心受壓破壞的條件為相對(duì)偏心距較小或較大，但受拉鋼筋配置較多，或相對(duì)偏心距很小，柱全截面受壓，破壞的主要特征是受壓鋼筋屈服，受拉鋼筋不屈服；若相對(duì)偏心距更小，則可能發(fā)生離縱向力較遠(yuǎn)一側(cè)的混凝土先被壓壞的情況。由此可得，大、小偏心受壓破壞界限的判斷依據(jù)是截面相對(duì)受壓區(qū)高度，即相對(duì)受壓區(qū)高度小于界限受壓區(qū)高度時(shí)為小偏心受壓破壞，否則，為大偏心受壓破壞。

3.2 理論分析

在實(shí)際工程中，分析永久荷載、可變荷載、地震荷載和風(fēng)荷載等共同作用下柱端彎矩的分布情況，有以下三種情況：第一，兩端彎矩值相等且單曲率彎曲；第二，兩端彎矩值不相等且單曲率彎曲；第三，兩端彎矩值不相等且雙曲率彎曲。在這些彎矩的作用下，柱子將產(chǎn)生二階效應(yīng)，彎矩則修正為柱設(shè)計(jì)彎矩M。

圖2 矩形截面非對(duì)稱(chēng)配筋大偏心受壓構(gòu)件截面應(yīng)力計(jì)算圖形

以大偏心受壓構(gòu)件為例，進(jìn)行柱在彎矩M和軸力N共同作用下的受力分析。

根據(jù)受力平衡可得（系數(shù)法）：

公式適用條件：

3.3 工程實(shí)例的解決

根據(jù)偏心受壓柱的破壞規(guī)律及計(jì)算公式的適用條件，如何將計(jì)算公式應(yīng)用到實(shí)際工程中，是理論教學(xué)的主要目的。工程應(yīng)用主要分為兩部分：對(duì)新建工程進(jìn)行截面設(shè)計(jì)和對(duì)在役工程進(jìn)行截面校核。無(wú)論哪種情況，都應(yīng)有一整套解決方案，見(jiàn)圖3所示。

圖3 偏心受壓柱解題思路

根據(jù)圖3所示解題思路，對(duì)某一鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的框架柱進(jìn)行非對(duì)稱(chēng)配筋設(shè)計(jì)：該柱截面尺寸b=300mm，h=400mm,a=40mm，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，承受的軸向壓力設(shè)計(jì)值為N=340kN，彎矩設(shè)計(jì)值M=184.458kN·m，彎矩作用平面內(nèi)柱上下兩端的支撐長(zhǎng)度為3.5m，垂直于彎矩作用平面方向柱的計(jì)算長(zhǎng)度l=4.2m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，縱筋采用HRB400級(jí)鋼筋，求受拉、受壓鋼筋配筋截面面積。

解：①判別偏壓類(lèi)型

故按大偏心計(jì)算

②計(jì)算受拉和受壓鋼筋截面面積

③配置鋼筋

④驗(yàn)算垂直于彎矩作用平面的受壓承載力

滿(mǎn)足受壓承載力的要求

3.4 彎矩-軸力-縱筋配筋率曲線(xiàn)的繪制

在偏心受壓構(gòu)件受力過(guò)程中，彎矩、軸力和縱筋配筋率之間相互影響、相互聯(lián)系，通過(guò)MATLAB軟件編程繪制三者之間的關(guān)系，見(jiàn)圖4所示。在此圖中，如果軸力不變，則縱筋配筋率隨著彎矩的增加而增加；如果彎矩不變，大偏心時(shí)，縱筋配筋率隨軸力的增加而降低，小偏心則相反。牢記這個(gè)規(guī)則，在給定幾組不同內(nèi)力組合時(shí)，會(huì)很輕松地判斷出內(nèi)力的最不利組合，既省時(shí)，又準(zhǔn)確。

圖4 彎矩-軸力-縱筋配筋率關(guān)系曲線(xiàn)

4 知識(shí)能力的鞏固及拓展

課堂教學(xué)時(shí)間有限，所有工程實(shí)際情況不可能在課堂之中完成，應(yīng)借助課堂以外的時(shí)間對(duì)知識(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)和鞏固。教師通過(guò)學(xué)習(xí)通等網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)發(fā)布課后作業(yè)，作業(yè)類(lèi)型涵蓋截面設(shè)計(jì)和截面校核的各個(gè)方面，促使學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的牢固掌握；然后學(xué)生作業(yè)提交到學(xué)習(xí)通等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，教師通過(guò)微信群或QQ群隨時(shí)指導(dǎo)學(xué)生作業(yè)中的問(wèn)題，達(dá)到發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、及時(shí)解決學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中的問(wèn)題，增加學(xué)生自主學(xué)習(xí)的信心，提高學(xué)習(xí)效率。

在學(xué)習(xí)課本知識(shí)的過(guò)程中，應(yīng)了解國(guó)內(nèi)外研究最新進(jìn)展。通過(guò)圖書(shū)館等網(wǎng)絡(luò)資源及時(shí)掌握最新信息，并將其發(fā)布在學(xué)習(xí)通等以供學(xué)生隨時(shí)了解。

5 教學(xué)反思和總結(jié)

在整個(gè)教學(xué)過(guò)程，以工程實(shí)例引入新知識(shí)點(diǎn)，使學(xué)生對(duì)知識(shí)有了直觀(guān)上的認(rèn)識(shí)；以思維導(dǎo)圖的形式展現(xiàn)該知識(shí)點(diǎn)的主要內(nèi)容，使學(xué)生清晰地了解新知識(shí)點(diǎn)的內(nèi)容，做到心中有數(shù)；針對(duì)不同的教學(xué)內(nèi)容，采用不同的教學(xué)方法，使課堂精神面貌煥然一新，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性；學(xué)習(xí)通等網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)平臺(tái)的使用，使學(xué)生可以隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，接受新知識(shí)，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)能力的提高。該教學(xué)方法和思路不僅可以應(yīng)用到本課程的教學(xué)過(guò)程中，還可以應(yīng)用到具有類(lèi)似課程的教學(xué)過(guò)程中，為其他教師的教學(xué)提供參考。