“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”實驗教學(xué)的改革探討與實踐

魏明強(qiáng) 魏相君 高忠虎

摘?要：“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”這門課程不但在土木工程專業(yè)中屬于理論性與實踐性都很強(qiáng)的專業(yè)課程，同時該課程所對應(yīng)的實驗也是土木工程專業(yè)最為綜合與復(fù)雜的實驗。在新的《高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》的指導(dǎo)下該實驗得到進(jìn)一步的加強(qiáng)，這與學(xué)?，F(xiàn)有的實驗軟硬件條件產(chǎn)生了矛盾，本文提出了一種新的實驗方法以及結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗課的綜合化設(shè)計理論，能很好地解決了這一矛盾，使學(xué)生通過實驗真正理解并掌握了混凝土結(jié)構(gòu)的原理與設(shè)計方法，為學(xué)生將來從事工程建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)實驗；綜合化設(shè)計；教學(xué)改革；加載裝置

Discussion?and?Practice?on?Experimental?Teaching?Reform

of?Concrete?Structure?Design?Principle

Wei?Mingqiang?Wei?Xiangjun?Gao?Zhonghu

School?of?Civil?Engineering，Northwest?University?for?Nationalities?GansuLanzhou?730030

Abstract：Concrete?Structure?Design?Principle?is?a?professional?course?with?intensive?theory?and?practice.The?corresponding?experiment?of?this?course?is?also?the?most?comprehensive?and?complex?experiment?of?civil?engineering.Under?the?guidance?of?the?new?guiding?professional?code?for?civil?engineering?undergraduates?in?Colleges?and?universities，this?experiment?has?been?further?strengthened，which?conflicts?with?the?existing?experimental?software?and?hardware?conditions?of?the?University.This?paper?creatively?puts?forward?new?experimental?methods?and?the?comprehensive?design?theory?of?structural?design?principle?experiment，which?solves?this?contradiction?well，makes?students?truly?understand?and?master?the?principles?and?designs?method?of?concrete?structure?through?experiments，and?lays?a?solid?foundation?for?students?to?engage?in?engineering?construction?in?the?future.

Keywords：concrete?structure?experiment；integrated?design；reform?in?education；loading?device

土木工程本科專業(yè)涉及的“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”是一門理論性與實踐性都很強(qiáng)的專業(yè)課程，理論公式多且課程內(nèi)容豐富，與其他專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課聯(lián)系緊密，是一門信息量及教學(xué)難度均較大的課程。其中的課程實驗包含的學(xué)時在《高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》中推薦較少，因此在實際教學(xué)工作中無疑將面臨實驗教學(xué)內(nèi)容多、授課學(xué)時少的矛盾。如何合理結(jié)合本校教學(xué)實際來組織實驗教學(xué)，根據(jù)該課程的實驗教學(xué)目的和任務(wù)，依據(jù)《高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》，對“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”實驗教學(xué)進(jìn)行改革，以“重基礎(chǔ)、強(qiáng)實踐”為原則，優(yōu)化并整合實驗教學(xué)內(nèi)容，減少驗證性以及演示性實驗，增加綜合性與設(shè)計性環(huán)節(jié)［1］。讓學(xué)生從被動參向主動參與進(jìn)行轉(zhuǎn)變，使學(xué)生在規(guī)定的課時內(nèi)理解并掌握本課程實驗具有一定的現(xiàn)實意義［1］。

本文將從該課程實驗教學(xué)中遇到的問題、教學(xué)方法、內(nèi)容和手段等方面進(jìn)行探索。首先，完善鋼筋混凝土實驗教學(xué)綜合加載裝置配置，根據(jù)實際情況，研究一套集加載、數(shù)據(jù)采集為一體，便于實驗過程中及時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析的實驗裝置；其次，提出土木工程專業(yè)綜合實驗的思路，對土木工程專業(yè)實驗進(jìn)行整合；最后，輔以線上線下相結(jié)合的實驗方法，最終形成該課程的實驗教學(xué)改革，對提高本課程的實踐教學(xué)提供幫助。

1?“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”實驗所面臨的難點

1.1?實驗內(nèi)容繁復(fù)且實驗學(xué)時較少

“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”的課程實驗是土木工程專業(yè)最為復(fù)雜且大型的實驗［2］。本課程實驗所涉及的理論知識非常廣泛，“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”的實驗課程是在掌握高等數(shù)學(xué)、土木工程材料、力學(xué)等相關(guān)先導(dǎo)課程為前提的基礎(chǔ)上從而進(jìn)行開展實驗的，實驗內(nèi)容多而雜，且與工程實踐聯(lián)系緊密［3］。實驗分為鋼筋混凝土梁正截面破壞實驗與鋼筋混凝土梁斜截面破壞實驗，其中鋼筋混凝土梁正截面破壞實驗又包括適筋梁、超筋梁與少筋梁三種破壞實驗，而鋼筋混凝土梁斜截面破壞實驗又包括斜壓破壞、斜拉破壞與剪壓破壞三種破壞實驗。而每一種破壞實驗的周期都很長，且“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”實驗的構(gòu)件準(zhǔn)備工作還包括鋼筋的下料、混凝土的配合比設(shè)計、鋼筋籠的綁扎、應(yīng)變片的粘貼、支模、混凝土的澆注以及試件的養(yǎng)護(hù)等，再加上實驗前加載裝置和測試裝置的準(zhǔn)備和安裝，全部完成整個實驗的周期較長。而《高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》推薦學(xué)時較少，只有8個課時，在如此少的學(xué)時下很難按常規(guī)實驗思路來完成上述實驗。

1.2?實驗設(shè)備以及實驗場地的限制

“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”的實驗最初是按照演示實驗的思路配備實驗設(shè)備以及實驗場地，但《高等學(xué)校土木工程本科指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范》要求實驗從演示實驗轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)生動手的實驗，并且對實驗分組人數(shù)進(jìn)行了限定，要求不超過4人/組，這使現(xiàn)有的設(shè)備以及場地都無法滿足規(guī)范的要求，并且隨著學(xué)生規(guī)模的不斷擴(kuò)大和科研試驗的快速發(fā)展，這種矛盾日益增加。目前西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院的加載設(shè)備僅有四組，加載方式為千斤頂+反力架的聯(lián)合加載模式，其中由于室內(nèi)場地限制，故這四組設(shè)備被放置在原位實驗室即露天放置，而露天放置導(dǎo)致設(shè)備極易損壞且維修成本較高，基本每次實驗時有一半設(shè)備不能正常工作，而目前每屆招生人數(shù)在200人左右，要按照4人/組的原則完成規(guī)范里規(guī)定的實驗基本不可能。

1.3?實驗的高成本

由于“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”的實驗屬于破壞實驗，即實驗的構(gòu)件不能重復(fù)使用，而按照規(guī)范要求完成實驗，則平均每人需要破壞掉1.25根實驗梁，每屆按200人計算則需消耗實驗梁250根，其中每根實驗梁如果從外界采購則需0.1萬元左右，那么每年實驗耗材就需要25萬元，這里面還不包括前期實驗設(shè)備的采買及維護(hù)，故而該實驗消耗大、成本高且操作復(fù)雜，故很難開展大批量的現(xiàn)場實驗。

2?“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”實驗課程的教學(xué)改革

面對上述在實驗中遇到的困難與問題，本文著重從實驗的方法、思路以及對土木工程實驗進(jìn)行綜合設(shè)計等方面進(jìn)行考慮。

2.1?改良鋼筋混凝土實驗教學(xué)綜合加載裝置

鋼筋混凝土實驗教學(xué)在很大程度依賴于實驗裝置，現(xiàn)有的實驗設(shè)備提供的實驗荷載僅為靜荷載且不穩(wěn)定，不穩(wěn)定的荷載在數(shù)據(jù)還未采集完成時已經(jīng)發(fā)生了變化導(dǎo)致實驗數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，并且結(jié)構(gòu)實驗室原有的實驗裝置功能單一，數(shù)量較少，且與其他實驗聯(lián)合實驗的可擴(kuò)展性差，無法滿足“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”課程實驗教學(xué)的硬件要求，根據(jù)實際情況，作者自己研發(fā)了一套杠桿式的鋼筋混凝土實驗教學(xué)綜合加載裝置并申請了國家專利（專利名稱：一種鋼筋混凝土適筋梁正截面實驗裝置，專利號：CN202022303256.3），該加載裝置力的傳導(dǎo)方式簡單，實驗裝置不僅能提供靜荷載，而且能提供動荷載，還可將靜荷載與動荷載進(jìn)行同時施加，實現(xiàn)動荷載與靜荷載的耦合。并且本專利的實驗裝置通過杠桿原理施加荷載，使荷載的施加更為簡便且提供穩(wěn)定的荷載，故本專利的實驗裝置更加接近于工程實際，同時實驗原理簡單且易于操作，故易于在教學(xué)中推廣。

高等學(xué)校土木工程學(xué)科專業(yè)指導(dǎo)委員會對土木工程專業(yè)本科教學(xué)提出了指導(dǎo)性專業(yè)規(guī)范，在該規(guī)范中明確要求加強(qiáng)鋼筋混凝土適筋梁正截面實驗。該實驗在實驗過程中主要有力的施加與變形的測量這兩大塊，其中現(xiàn)有實驗裝置中力的施加中主要由千斤頂完成，而千斤頂在施加力之后，由于實驗梁的撓曲變形導(dǎo)致千斤頂所施加的荷載不穩(wěn)定，其次千斤頂在施加荷載時只能施加靜荷載，這與現(xiàn)實中鋼筋混凝土梁既受恒載又受活載的現(xiàn)狀不符，不能完成實驗的要求。而本專利所設(shè)計的實驗裝置則能很好地解決上述問題，既可以施加穩(wěn)定的荷載，又可以同時施加動荷載與靜荷載，使鋼筋混凝土適筋梁正截面實驗與實際工程更加貼合，達(dá)到教學(xué)要求。本鋼筋混凝土適筋梁正截面實驗裝置簡圖如下圖所示：

鋼筋混凝土適筋梁正截面實驗裝置圖

本裝置主要包括實驗梁、荷載分配梁、加載裝置、位移讀取裝置。實驗梁為鋼筋混凝土適筋梁，加載裝置主要包括加力架、動砝碼、靜砝碼以及電動機(jī)，位移讀取裝置為百分表。加力架采用杠桿原理，從而可以加載較大的荷載且荷載穩(wěn)定。

該裝置具體實驗使用方法為：

（1）按照上圖的方式布置鋼筋混凝土適筋梁1、荷載分配梁2、位移計4以及杠桿加載系統(tǒng)。

（2）根據(jù)梁的極限荷載分級施加各級垂直壓力，垂直壓力中靜荷載由靜砝碼8提供，動荷載由電動機(jī)9與動砝碼10提供，電動機(jī)9可控制動荷載的頻率，動砝碼10可控制動荷載的大小。一切安裝好之后可對實驗梁施加耦合且穩(wěn)定的動、靜荷載。

（3）讀取位移計4以及動靜荷載值并記錄，觀察梁受理破壞過程以及裂縫的發(fā)展。

本發(fā)明形式簡單，傳力明確，易于操作，且施加的動、靜荷載不會因?qū)嶒灹喊l(fā)生撓曲變形而產(chǎn)生變化，所施加荷載穩(wěn)定可靠，能夠滿足實驗需要。

2.2?“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”實驗的綜合化設(shè)計

“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”實驗內(nèi)容不僅僅包含該課程的實驗內(nèi)容，同時涵蓋了土木工程其他專業(yè)課程的一些實驗。在混凝土構(gòu)件澆筑制作階段，該課程的實驗就包含了“土木工程材料”中關(guān)于混凝土配合比等相關(guān)實驗；在混凝土構(gòu)件鋼筋綁扎與支模版階段，該課程的實驗就包含了“土木工程施工實習(xí)”中現(xiàn)場施工實習(xí)所要學(xué)習(xí)的內(nèi)容；在構(gòu)件的加載階段，該課程的實驗就包含了“結(jié)構(gòu)實驗”中關(guān)于加載、應(yīng)變片的原理及粘貼、位移計的安裝、應(yīng)變采集原理以及數(shù)據(jù)采集等一系列實驗；在混凝土構(gòu)件線上虛擬分析階段，該課程的實驗就包含了“有限元”中數(shù)值模擬的基本原理以及應(yīng)用。而上述課程有些開設(shè)在“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”的實驗課之前，有些則開設(shè)在“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”的實驗課之后，導(dǎo)致學(xué)生在沒有掌握相關(guān)知識時便開設(shè)“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”的實驗課，使得老師講解相關(guān)知識比較費(fèi)勁，學(xué)生學(xué)習(xí)起來也比較困難。同時“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”的實驗包含了其他一些實驗課的相關(guān)內(nèi)容，這造成了學(xué)生對相關(guān)實驗的重復(fù)學(xué)習(xí)，產(chǎn)生財力、人力、物力的浪費(fèi)。

針對上述問題本文提出對結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗的綜合化設(shè)計，即將“結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗”“土木工程材料”“土木工程施工實習(xí)”“結(jié)構(gòu)實驗”“有限元”等課程實驗結(jié)合起來，形成一門綜合性的大實驗，避免了結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗中實驗課程重復(fù)開展、相關(guān)實驗課程開展的先后順序錯亂等問題，緩解了結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗課時不夠的困難。具體操作為在大一、大二學(xué)習(xí)“土木工程材料”與“土木工程施工實習(xí)”課程時完成結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗中混凝土構(gòu)件的制作，在大三學(xué)習(xí)“結(jié)構(gòu)實驗”與“有限元”課程時完成結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗中混凝土構(gòu)件的傳感器鋪設(shè)與數(shù)據(jù)的采集，以及虛擬仿真計算，最后在“結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗”中進(jìn)行加載并分析構(gòu)件破壞形態(tài)，從而完美地完成了“結(jié)構(gòu)設(shè)計原理實驗”的課程目標(biāo)，并解決了以前遇到的相關(guān)問題。

2.3?線上線下虛擬仿真結(jié)合

“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”的實驗具有破壞性強(qiáng)、耗費(fèi)高、安全系數(shù)低等特點，查閱網(wǎng)上資料目前還沒有一個高校對本科生開放了所有構(gòu)件的破壞實驗，但目前數(shù)值仿真技術(shù)的應(yīng)用日益成熟，有多款軟件已在全球大范圍應(yīng)用，如有限元分析軟件ANSYS、ABQUAS等，其仿真計算結(jié)果也得到業(yè)內(nèi)學(xué)者的認(rèn)可，故我們完全可以將結(jié)構(gòu)設(shè)計原理部分構(gòu)件的破壞實驗進(jìn)行線上的虛擬仿真［4］。借助于線上虛擬仿真實驗，可以極大地拓寬了實體實驗的對象，彌補(bǔ)線下實驗的不足，線上線下相結(jié)合后可覆蓋所有的知識點。同時，通過線下虛擬仿真實驗，可以改變以往被動參與實驗過程的狀況，每個學(xué)生可以自己動手設(shè)計實驗的各個環(huán)節(jié)，掌控實驗的每一個步驟。在線上虛擬仿真實驗的過程中，可以實時監(jiān)控并處理實驗數(shù)據(jù)，繪制相應(yīng)的力與變形曲線，讓學(xué)生對實驗構(gòu)件的受力機(jī)理及相關(guān)理論知識有了直觀且深入的理解。此外，學(xué)生在完成教學(xué)要求的實驗外，還可以根據(jù)自己的想法增加其他的實驗工況，開拓思維，提高認(rèn)知水平，培養(yǎng)科研創(chuàng)新能力［5］。

3?結(jié)論

本文針對在土木工程專業(yè)“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”的實驗遇到的課程開設(shè)順序不符合客觀學(xué)習(xí)規(guī)律、課時較少難以完成所以實驗、實驗周期長成本高等問題，提出了新的實驗加載方案，凝練出了“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”的綜合化設(shè)計思路，補(bǔ)充了線上虛擬仿真的實驗方法，解決了教學(xué)活動中所出現(xiàn)的問題，使學(xué)生真正理解并掌握混凝土結(jié)構(gòu)的原理與設(shè)計方法，采取了更靈活的方式，培養(yǎng)了學(xué)生分析問題和解決問題的能力，為學(xué)生將來從事工程建設(shè)打下堅實的基礎(chǔ)。

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基金項目：西北民族大學(xué)教育教學(xué)改革研究一般項目（2020YBJG59）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金（31920210079）

作者簡介：魏明強(qiáng)（1982—?），男，漢族，甘肅人，碩士，西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院副教授，研究方向：巖土與地下工程。