“高等混凝土結(jié)構(gòu)理論”創(chuàng)新教學(xué)研究

劉小燕 彭建新

長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410004

創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，是國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的不朽動(dòng)力。黨的十八大以來，習(xí)近平總書記高度重視創(chuàng)新發(fā)展，在多次講話和論述中反復(fù)強(qiáng)調(diào)“創(chuàng)新”，無論是在理論、制度觀念上，還是在工作實(shí)際的踐行中，都要有創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維，要敢于“吃螃蟹”，探索創(chuàng)新實(shí)踐。特別是面對(duì)日益激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，必須把創(chuàng)新擺在國(guó)家發(fā)展全局的核心位置，不斷推進(jìn)理論創(chuàng)新和制度創(chuàng)新，尤其是在科技、文化教育領(lǐng)域，要加大創(chuàng)新力度。為了實(shí)現(xiàn)中華民族偉大的復(fù)興夢(mèng)想，讓中華民族屹立在世界之林，黨和國(guó)家十分重視人才的培養(yǎng)，作為高校教育工作者，對(duì)人才培養(yǎng)，特別是對(duì)創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力、創(chuàng)新技術(shù)的人才培養(yǎng)，具有義不容辭的責(zé)任。然而，創(chuàng)新的思想、創(chuàng)新的方法、創(chuàng)新的成果一定是站在前人的基礎(chǔ)上改良而來，或者依靠多學(xué)科技術(shù)的交互融合、相互碰撞產(chǎn)生靈感而來，還需要打破常規(guī)思維定式，勇于實(shí)踐探索。在研究生的課程教學(xué)中，深感創(chuàng)新意識(shí)培養(yǎng)和創(chuàng)新能力訓(xùn)練的重要性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)體現(xiàn)在每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，特別是課堂教學(xué)過程中，它是師生之間、學(xué)生之間相互交流碰撞的最好機(jī)會(huì)。作者在土木類橋梁、建筑、巖土、隧道、地下工程各專業(yè)方向開設(shè)的“高等混凝土結(jié)構(gòu)理論”(博士生課程)課程教學(xué)中，通過學(xué)習(xí)、研討、實(shí)踐等環(huán)節(jié)，借不同學(xué)科的技術(shù)、方法相互碰撞，開展創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)的訓(xùn)練。

“高等混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)理論”是博士研究生的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程，它在本科“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理”等課程學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，深入研究鋼筋、混凝土材料的力學(xué)性能，特別是混凝土在二向、三向受力狀態(tài)下的破壞特征(破壞包絡(luò)曲線)、強(qiáng)度準(zhǔn)則、本構(gòu)關(guān)系，鋼筋與混凝土的黏結(jié)機(jī)理，各種鋼筋混凝土受力構(gòu)件(拉、壓、彎、剪、扭及其復(fù)合受力)的受力機(jī)理、受力特點(diǎn)、破壞性狀，以及溫度變形、徐變變形、變形差的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，從而全面徹底地掌握混凝土、混凝土構(gòu)件,甚至混凝土結(jié)構(gòu)的特性、受力特點(diǎn)、承載力與使用性能。課程內(nèi)容非常豐富，有理論分析、計(jì)算推導(dǎo)，有研究材料特性的實(shí)驗(yàn)，不同的試驗(yàn)還需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，尤其是對(duì)于一些鋼筋與混凝土結(jié)合機(jī)理的研究，需要理論分析推導(dǎo)，通過試驗(yàn)加以驗(yàn)證，而且很多試驗(yàn)都是在不斷失敗、不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)后才獲得答案的?！案叩然炷两Y(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)理論”課程知識(shí)點(diǎn)多，理論分析和計(jì)算推導(dǎo)難度大，實(shí)驗(yàn)多，試驗(yàn)技術(shù)要求高。對(duì)于研究生的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)知識(shí)是一方面，更重要的要學(xué)習(xí)研究的方法、試驗(yàn)的方法，能夠掌握操作技能，自己進(jìn)行試驗(yàn)、操作，獲得預(yù)期結(jié)果，“高等混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)理論”課程教學(xué)既要傳授新知識(shí)，又要加強(qiáng)計(jì)算能力、實(shí)驗(yàn)動(dòng)手等許多能力的訓(xùn)練，更重要的是要培養(yǎng)博士研究生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，在課程教學(xué)中，通過老師講解、自學(xué)討論交流、模擬計(jì)算、分析推理等多種教學(xué)形式，實(shí)現(xiàn)知識(shí)學(xué)習(xí)、能力訓(xùn)練、綜合素質(zhì)和創(chuàng)新意識(shí)的提高，從而在各自的研究領(lǐng)域萌生創(chuàng)新的火花。

一、在學(xué)習(xí)新知識(shí)、新理論時(shí)培養(yǎng)創(chuàng)新思維

知識(shí)是創(chuàng)新的基礎(chǔ)，沒有知識(shí)的積累和知識(shí)的儲(chǔ)備，是不可能有創(chuàng)新的。“高等混凝土結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)理論”課程有許多新的知識(shí)，也有一些是知識(shí)的深層研究。比如混凝土受壓強(qiáng)度、強(qiáng)度本構(gòu)關(guān)系等內(nèi)容，在本科層次已經(jīng)學(xué)習(xí)了混凝土抗壓強(qiáng)度概念和測(cè)試抗壓強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)，獲得了應(yīng)力應(yīng)變曲線，如圖1所示。

這條混凝土棱柱體的應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€是在經(jīng)過精心設(shè)計(jì)、操作下的實(shí)驗(yàn)成果，然而這只是曲線的大概形狀，如何用具體的數(shù)學(xué)式子描述曲線，獲得混凝土受壓時(shí)的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，滿足計(jì)算需要，仍然有困難。經(jīng)過研究，首先找到這條曲線的幾個(gè)特征點(diǎn)(值)：起點(diǎn)O，應(yīng)力和應(yīng)變均為零，X點(diǎn)，應(yīng)力達(dá)到峰值點(diǎn)，應(yīng)力應(yīng)變曲線的一階導(dǎo)數(shù)為0，△為曲線的反彎點(diǎn)，應(yīng)力應(yīng)變曲線的二階導(dǎo)數(shù)為零，E點(diǎn)，收斂點(diǎn)，其應(yīng)力應(yīng)變曲線的三階導(dǎo)數(shù)為零，OX曲線是單調(diào)上升的，XE曲線是下降的，X點(diǎn)對(duì)應(yīng)于峰值應(yīng)力fc，相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)棣?(其值約為0.002)。即使找到了這些特征點(diǎn)，仍然難以用合適的數(shù)學(xué)式子表示，各國(guó)學(xué)者提出了應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€方程的多種表達(dá)形式：多項(xiàng)式、三角式、指數(shù)式、組合式等。由不同的應(yīng)力—應(yīng)變理論曲線所得到的混凝土本構(gòu)關(guān)系、強(qiáng)度準(zhǔn)則的表達(dá)形式千差萬別。如何獲得符合工程實(shí)際、用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)精確分析的本構(gòu)模型，則需要開動(dòng)腦筋不斷嘗試，針對(duì)不同情況合理采用。在學(xué)習(xí)知識(shí)、運(yùn)用知識(shí)的過程中，發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，提高分析問題和解決問題的能力，無不是一種創(chuàng)新實(shí)踐過程。

圖1 混凝土受壓時(shí)應(yīng)力—應(yīng)變曲線

二、在實(shí)踐和仿真計(jì)算時(shí)掌握創(chuàng)新方法，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

實(shí)踐出真知，試驗(yàn)研究、計(jì)算機(jī)編程仿真計(jì)算是研究生的兩大法寶，由于混凝土材料的特殊性，或者新材料的引入，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，研究材料力學(xué)性能。由于條件限制和課時(shí)有限，課內(nèi)沒有安排實(shí)驗(yàn)，同學(xué)們借助軟件開展仿真計(jì)算研究，如鋼筋混凝土梁受力過程的非線性仿真計(jì)算，從有限元建模型到加載計(jì)算，獲得梁的應(yīng)力、變形、破壞情況，有限元模型、計(jì)算的示意如圖2—圖5所示。

圖2 有限元模型

圖3 梁應(yīng)力、變形示意圖

圖4 混凝土應(yīng)力圖

圖5 破壞模式示意圖

通過有限元仿真計(jì)算，熟悉了鋼筋混凝土梁正截面受力全過程各個(gè)階段的受力特點(diǎn)和破壞表現(xiàn)，與已有的鋼筋混凝土梁正截面試驗(yàn)研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如果吻合，則說明仿真計(jì)算的可靠性，更重要的是掌握仿真計(jì)算的方法后，可以對(duì)同類結(jié)構(gòu)開展仿真計(jì)算，達(dá)到觸類旁通的效果。在受壓、受扭、受剪等其他受力構(gòu)件的受力特點(diǎn)分析時(shí)，也可以進(jìn)行仿真計(jì)算，不必去做實(shí)驗(yàn)就能掌握構(gòu)件的受力機(jī)理。博士研究生更需要通過試驗(yàn)、仿真計(jì)算等手段，發(fā)現(xiàn)未知，研究未知，這也是非常重要的創(chuàng)新實(shí)踐，在創(chuàng)新實(shí)踐中鍛煉培養(yǎng)形成創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

三、在課題研究中鉆研新理論、新方法，潤(rùn)育創(chuàng)新思維

研究生的學(xué)習(xí)貴在自學(xué)，重在創(chuàng)新，培訓(xùn)學(xué)習(xí)能力，特別是自學(xué)能力，是研究生教學(xué)的重要任務(wù)，在互聯(lián)網(wǎng)、云數(shù)據(jù)、高科技迅速發(fā)展的時(shí)代，學(xué)習(xí)新理論、新技術(shù)、新方法是研究工作的根本要求，創(chuàng)新素養(yǎng)孕育在這些新理論、新技術(shù)、新方法中。在“高等混凝土結(jié)構(gòu)理論”課程介紹高強(qiáng)混凝土、輕骨料混凝土等多種結(jié)構(gòu)混凝土?xí)r，要求大家查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，掌握土木工程中所用的最新材料。除了高強(qiáng)混凝土外，大家自學(xué)了解到高強(qiáng)高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，簡(jiǎn)稱UHPC)、石墨烯材料、碳纖維混凝土(Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱CFRP)、玻璃纖維增強(qiáng)聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱GFRP)、芳綸纖維增強(qiáng)聚合物(Aramid Fiber Reinforced Polymer)、偏高嶺土地聚物(由富含硅和鋁的天然礦物或固體工業(yè)廢棄物粉煤灰和礦渣聚合而成)等新型材料的特性。有些學(xué)生所在團(tuán)隊(duì)一直研究這些新材料在工程中的應(yīng)用，取得了許多研究成果，新材料的引入引發(fā)了許多思考，對(duì)原有技術(shù)、理論的改進(jìn)，出現(xiàn)的新技術(shù)、新工藝、新方法，特別是通過學(xué)習(xí)、試驗(yàn)與模擬計(jì)算的實(shí)踐、研究、再實(shí)踐的科學(xué)活動(dòng)，孕育科學(xué)素養(yǎng)，成就了創(chuàng)新能力。

四、在多學(xué)科的交流中突破思維定式，萌生創(chuàng)新靈感

學(xué)科交叉融合是創(chuàng)新的源泉，重大研究突破和創(chuàng)新成果大多是學(xué)科交叉融合的結(jié)果[2]。參考文獻(xiàn)[3]作者談到研究生的創(chuàng)新思維面臨“無問的尷尬”“無解的煎熬”與“無路的迷?！保@些現(xiàn)象都是因?yàn)檠芯窟M(jìn)入一定深度后出現(xiàn)思維僵化的表現(xiàn)，要打破這種僵化的局面，學(xué)科交叉、多學(xué)科的相互融合不愧為一種有效模式。學(xué)科的交叉有利于突破思維定勢(shì)、創(chuàng)新思維方式、激發(fā)創(chuàng)新靈感，它必然是科研重大突破的利劍?！案叩然炷两Y(jié)構(gòu)理論”課程教學(xué)中，充分創(chuàng)造學(xué)科交叉相互學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，讓各專業(yè)方向的同學(xué)進(jìn)行專題研究、交流報(bào)告，在課程學(xué)習(xí)的初期布置任務(wù)，每一位同學(xué)針對(duì)自己的研究課題撰寫有深度的研究報(bào)告，占期末成績(jī)的20%。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，巖土學(xué)科方向?qū)W習(xí)借鑒橋梁工程用的高強(qiáng)混凝土材料，改變以往隧道襯砌采用普通混凝土的狀況，應(yīng)用更高強(qiáng)度、更好性能的混凝土，獲得早強(qiáng)、高強(qiáng)的耐久性能的效果。橋梁樁基礎(chǔ)的施工作業(yè)，特別是軟土地區(qū)的橋梁基礎(chǔ)加固，則充分學(xué)習(xí)港口大壩的“梅花形樁基”“錨樁”“灌注樁”等筑島加固技術(shù)，獲得好的效果，解決了工程“難題”。這些學(xué)科的交叉融合，打破常規(guī)的思維定式，促使新的靈感萌發(fā)，促進(jìn)創(chuàng)新方法形成，有效地解決工程實(shí)際問題。

跨學(xué)科、大學(xué)科、新基建在當(dāng)今是新興理念，觀念的轉(zhuǎn)變是一個(gè)過程，需要由各學(xué)科專業(yè)相互交流借鑒引領(lǐng)，改變根深蒂固的學(xué)科界限思想。青年人最富朝氣、思維活躍，最易接受新鮮事物，在研究生教學(xué)中開展跨學(xué)科的交流互動(dòng)，是培養(yǎng)創(chuàng)新能力的重要抓手。

結(jié)語

創(chuàng)新并不是高不可攀、深不可測(cè)的，它是在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，或者是對(duì)原理有新的補(bǔ)充，對(duì)方法進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)工藝進(jìn)行改良，對(duì)結(jié)果有新的發(fā)現(xiàn)。在研究生課程學(xué)習(xí)的過程中，善于把新舊知識(shí)在縱向或者橫向“聯(lián)系”起來，靠已知掌握未知，以“已知”推導(dǎo)“未知”，在知識(shí)的吸收消化過程中觸發(fā)靈感，萌動(dòng)新的思想，實(shí)踐新思想，這就是一個(gè)很好的創(chuàng)新。