探索型人才培養(yǎng)的鋼筋混凝土梁受彎綜合性實驗設(shè)計

摘 要：文章在鋼筋混凝土梁受彎試驗的基礎(chǔ)上拓展教學(xué)內(nèi)容，注重系統(tǒng)性和開創(chuàng)性，設(shè)計了鋼筋混凝土梁受彎綜合實驗，對前置知識如混凝土基礎(chǔ)力學(xué)實驗、混凝土配合比計算方法等進行融合，并根據(jù)實測數(shù)據(jù)，建立混凝土本構(gòu)曲線，進而采用有限元模型進行仿真與驗證。該實驗集成了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計、土木工程材料、有限元基礎(chǔ)重要知識點，對學(xué)生創(chuàng)新能力與動手能力起到很好的鍛煉作用，極大地提高了土木工程專業(yè)學(xué)生的科研能力與創(chuàng)新素質(zhì)。

關(guān)鍵詞：混凝土梁受彎實驗；綜合性實驗；科研能力;有限元

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1002-4107（2024）11-0075-05

一、引言

伴隨社會轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟改革發(fā)展，國家對高素質(zhì)綜合型人才的需求不斷增加。黨的二十大報告指出，必須堅持科技是第一生產(chǎn)力、人才是第一資源、創(chuàng)新是第一動力，深入實施科教興國戰(zhàn)略、人才強國戰(zhàn)略、創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略。堅持培養(yǎng)創(chuàng)新型、技能型、知識型的綜合素質(zhì)人才，是高校發(fā)展堅定不移的方向和目標[1]。本科生的培養(yǎng)需要其具備扎實的基礎(chǔ)知識、熟練的實驗操作技能和靈活創(chuàng)新的思維。因此，推動高等教育改革，加大對本科生的科研訓(xùn)練，鍛煉本科生的科研能力，探索本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式尤為重要。

土木工程專業(yè)是一個實踐性較強的專業(yè)，在本科生培養(yǎng)過程中實驗類課程是重要的一個環(huán)節(jié)，其中，鋼筋混凝土梁受彎實驗是土木工程本科生的核心實驗，通過對鋼筋混凝土梁進行受彎實驗，得到鋼筋混凝土梁最大彎矩及受彎破壞形式。但在實際實驗中發(fā)現(xiàn)存在以下弊端：一是試件較大、實驗準備周期長、操作過程危險且煩瑣，只能以教師操作、學(xué)生小組觀摩的形式進行[2]；二是此實驗的前置實驗有水泥膠砂實驗、骨料實驗、混凝土立方體抗壓強度實驗、鋼筋拉伸實驗等，均分布在大一、大二階段。由于此實驗與前置實驗間隔時間較長，學(xué)生難以形成系統(tǒng)化知識體系，導(dǎo)致教學(xué)效果不佳。為了解決上述問題，國內(nèi)部分學(xué)者進行了相關(guān)嘗試。例如，張元亮對“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”課程教學(xué)提出改進措施，對學(xué)生進行細化分組，并引導(dǎo)學(xué)生通過ABAQUS（工程模擬的有限元軟件）處理模塊對梁的受力情況進行分析[3]；謝志紅結(jié)合混合式教學(xué)理念提出了新的教學(xué)方法和教學(xué)模式，提高學(xué)生的主觀能動性，使學(xué)生積極參加鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)實驗課程[4]；錢匡亮等人采用“集約分層式”教學(xué)模式對混凝土第五組分、第六組分進行實驗[5]；王立成針對“鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)”課程教學(xué)實驗中存在的問題，通過轉(zhuǎn)變實驗教學(xué)觀念，以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)為目標，全面培養(yǎng)學(xué)生的參與意識、動手能力和創(chuàng)新意識[6]。雖然不少高校進行了嘗試，但仍存在實驗缺乏探索性、受益面小、教學(xué)投入過大等問題。因此，以學(xué)生為主體，設(shè)計鋼筋混凝土梁受彎實驗及驗證的綜合性實驗，面向大三學(xué)生進行開放選修，與課內(nèi)實驗并行，不僅可以減輕課內(nèi)實驗人數(shù)的壓力，也可以提高學(xué)生的科研探索能力。

二、實驗?zāi)康?/p>

通過測定混凝土的抗壓強度、抗彎強度，熟悉并掌握相關(guān)測定方法、混凝土的標準養(yǎng)護和強度評定、配合比的確定等內(nèi)容。學(xué)習(xí)計算配合比；學(xué)會使用振動臺和萬能試驗機等儀器；掌握本構(gòu)生成器和ABAQUS的操作技能。通過將具體的實驗操作過程和有限元軟件相結(jié)合，進一步對鋼筋混凝土梁的受彎試驗進行驗證。

三、實驗方案

通過查閱資料和對其他學(xué)者的實驗方法進行對比分析，確定實驗方案。

①準備階段。準備實驗所需要的材料和工具，在這一過程中學(xué)生能夠認識材料并悉基本的實驗工具。

②實驗階段。先計算混凝土配合比并制備試件，再進行實驗。需要制備100 mm3的混凝土試件和100 mm×100 mm×400 mm的鋼筋混凝土梁試件，試件中布置2根受力鋼筋為L1，布置3根受力鋼筋為L2。立方體混凝土試件進行抗壓強度測試；鋼筋混凝土梁試件進行抗彎強度測試[7]。實驗階段有利于學(xué)生學(xué)習(xí)實驗操作技能，既培養(yǎng)了科研的興趣和能力 ，也增強了團隊意識。

③模擬階段。生成本構(gòu)模型；用ABAQUS模擬混凝土梁受彎實驗過程。創(chuàng)新實驗引入有限元軟件進行模擬，整理并分析實驗數(shù)據(jù)，推動學(xué)生創(chuàng)新思維的發(fā)展。

④分析階段。進行結(jié)果分析和實驗反思。對比實驗值與模擬值，分析實驗結(jié)果，反思實驗得失。學(xué)生通過整體分析實驗，提升對知識的整體認知能力，培養(yǎng)批判性思維。具體實驗方案如圖1所示。

四、實驗儀器與材料

已有的材料和工具有水洗河沙、5～20 mm連續(xù)粒徑石子、水、100 t萬能試驗機、100 mm×100 mm×100 mm試模、100 mm×100 mm×400 mm試模、標準養(yǎng)護室、振動臺、搗棒、小鐵鏟、金屬直尺、刮刀、本構(gòu)生成器、ABAQUS等。學(xué)生自行購買的材料和工具有普通硅酸鹽水泥、直徑6 mm鋼筋、AB膠、細鐵絲、保護層模具、鋸刀等。

五、實驗步驟

（一）混凝土梁的制作過程

①配合比的計算。實驗的目的是制作強度等級為C30的混凝土，σ＝5.0 MPa，試配強度fcu，0＝fcu，k+1.645σ，所以fcu，0＝30+1.645×5.0≈38.225 MPa。計算水灰比，水泥實際強度為fce＝50.0 MPa，所用粗骨料為碎石，回歸系數(shù) ＝ 0.53，αb＝0.20，水灰比 ＝ ≈0.50。最終計算精確到小數(shù)點后兩位，確定水的用量為5.51 kg、水泥用量為10.58 kg、砂子用量為13.79 kg、石子用量為25.63 kg。

②100 mm3立方體混凝土試塊的制作。學(xué)生進入實驗室后，先將試模擦拭干凈，內(nèi)壁涂一層礦物油，再將普通硅酸鹽水泥、水洗河沙、5～20 mm連續(xù)粒徑石子、水等混和攪拌。將拌合物一次性裝入試模且略高于試?？冢嚹Ｒ浦琳駝优_并固定好后，開啟振動臺，振動至表面出現(xiàn)水泥漿停止。將拌合物分2層倒入試模進行振搗，學(xué)生具體操作如圖2所示。成型后在室溫20℃左右、相對濕度50%左右的環(huán)境下靜放一個晝夜，養(yǎng)護28 d。

③100 mm×100 mm×400 mm混凝土梁的制作。先制作2種不同的受力筋，用鋸刀將4根長為1.2 m的鋼筋鋸成合適長度。用細鐵絲將鋼筋捆綁固定（圖3）。利用水泥和模具，以水泥和水1∶0.5的配合比制作保護層墊塊（圖4）。使用上一步的拌合物，采用100 mm×100 mm×400 mm的鋼筋混凝土試模當模板，用AB膠將墊塊粘至鋼筋與模具的空隙處和鋼筋交界處。再將攪合好的混凝土倒入試模中，靜放一個晝夜等待成型。試件拆模后，在溫度為 20±2℃、相對濕度為95%以上的標準養(yǎng)護室中養(yǎng)護28 d。

（二）試件測試

①混凝土立方體抗壓強度測試。將試件安放在試驗機的下壓板上，加壓時應(yīng)連續(xù)而均勻地加荷，直至試件破壞，停止試驗機，記錄破壞荷載 。利用壓強公式計算出混凝土的抗壓強度。

fcu＝ ?; 式（1）

式（1）中，fcu為混凝土試塊的抗壓強度——MPa；F為抗壓破壞載荷——kN；A為受壓面積——mm2。

②鋼筋混凝土梁受彎強度測試。梁受彎實驗裝置如圖5所示，實驗加載裝備為萬能試驗機，采用兩點加載方式，通過壓力傳感器來觀測實際荷載，記錄實驗情況[8]。通過位移控制，以0.5 mm/min的速度均勻向下加壓。試件出現(xiàn)裂縫時記錄破壞荷載，當壓力傳感器反映出的力，即位移曲線出現(xiàn)峰值且開始呈下降趨勢的時候結(jié)束實驗。記錄轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的位移和力的大小，計算抗彎強度。

（三）有限元模擬

本構(gòu)生成器是一個可以便捷地生成本構(gòu)模型的軟件，由4部分組成，分別是創(chuàng)建材料參數(shù)、生成本構(gòu)曲線、受壓本構(gòu)模型、受拉本構(gòu)模型。在測試100 mm3混凝土的抗壓強度后，得到混凝土的強度值為30 MPa，帶入到本構(gòu)生成器中，創(chuàng)建本構(gòu)模型。從圖6a創(chuàng)建材料參數(shù)界面可以看出，材料參數(shù)來源于設(shè)計強度值，混凝土強度小于60 MPa選擇GB50010-2010方法。圖6b生成本構(gòu)曲線界面，和前頁保持一致，計算方法選擇GB 50010-2010方法，強度代表值為平均值，選擇完畢后即可得到本構(gòu)模型（圖7）。

ABAQUS是一款基于有限元方法的能解決從線性分析到復(fù)雜非線性分析等各類問題的工程模擬軟件[9]。ABAQUS豐富的材料屬性庫可以模擬金屬、橡膠、可壓縮泡沫、巖石、土壤、復(fù)合材料等各種材料，其提供的豐富的單元庫可以實現(xiàn)任意實際形狀的模擬[10]。為了驗證實驗的合理性，學(xué)生選擇用ABAQUS模擬鋼筋混凝土梁的受彎過程。將上一步建立的本構(gòu)模型代入有限元軟件中，確定模擬的鋼筋混凝土梁的強度等級為C30，根據(jù)實際情況定義彈性模量為29518.7 MPa、泊松比為0.2，裝配后創(chuàng)建分析步。加入混凝土梁的邊界條件，定義加載方式大小為0.5 mm/min。最后將梁進行網(wǎng)格劃分，運行鋼筋混凝土梁的受彎實驗?zāi)M，模擬出的塑性應(yīng)變分量如圖8所示。

六、結(jié)果分析

（一）實驗結(jié)果分析

實驗加載至12 kN，混凝土梁L1出現(xiàn)第一條斜裂縫，荷載不斷增加，斜裂縫也不斷變寬變長；當加載至67 kN、位移為2.1 mm時，荷載達到頂峰，此后梁的承載力開始大幅度下降?；炷亮篖2荷載加載至13 kN時開始出現(xiàn)微裂縫；荷載加載至42 kN時，裂縫由底部發(fā)展到中上部，位移增加幅度較大；當荷載加載至62 kN，荷載已無法保持，構(gòu)件徹底破壞，停止加載[11]。試件L2破壞形態(tài)如圖9所示。

（二）模擬結(jié)果分析

對比模擬值和實驗值，ABAQUS模擬實驗過程與實際實驗過程基本一致，上升段的吻合度較高，下降段的趨勢基本相同，能夠反映出混凝土梁受彎力與位移的對應(yīng)關(guān)系?；炷亮篖1和混凝土梁L2的力—位移曲線模擬值與實驗值對比如圖10、11所示。從整體上來看，模擬值曲線與實驗值曲線的趨勢一致；從局部來看，當位移加載到2.5 mm，混凝土梁L1的模擬值與實際值的峰值都達到了60 kN，而當位移加載到2 mm左右，混凝土梁L2的模擬值與實際值都在60 kN左右，相差不大。運用有限元軟件模擬鋼筋混凝土梁的受彎實驗，一方面復(fù)習(xí)了ABAQUS的有限元知識，使學(xué)生能夠更加熟練地操作有限元軟件；另一方面，學(xué)生通過構(gòu)建模型、輸入?yún)?shù)、計算數(shù)據(jù)，成功模擬出實驗過程，增強成就感，激發(fā)了科研熱情。

七、鋼筋混凝土梁受彎綜合性實驗總結(jié)

（一）對實驗中出現(xiàn)的問題的反思

學(xué)生通過實驗對混凝土的知識更加熟悉，同時也發(fā)現(xiàn)了實驗過程中自身存在的問題。首先，保護層用AB膠粘的不夠牢固，在澆灌水泥時造成鋼筋歪斜，下次實驗則直接選擇細鐵絲固定，或制作其他形式的保護層。除此之外，斜截面受剪破壞出現(xiàn)裂縫，分析試件破壞可得，試件未配置箍筋，抗剪能力不足。從壓力傳感器反映的圖像看，當荷載加載至12 kN左右時，出現(xiàn)一條斜裂縫；加載至38 kN時，斜裂縫不斷加大，貫穿整個試件。剪力增加時箍筋會限制斜裂縫的發(fā)展，因為試件缺少箍筋，斜裂縫會向剪力作用點不斷變長變寬。通過反思實驗過程中的問題來改正錯誤，這樣印象會更加深刻，對學(xué)生形成批判性思維、進行深入思考有極大好處。

（二）學(xué)生能力的提升與培養(yǎng)

1.培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識

這次實驗過程由學(xué)生自主操作，但在實驗的過程中出現(xiàn)了一些問題，如實驗中鋼筋混凝土梁出現(xiàn)斜裂縫。對試件破壞的原因?qū)W生提出了不同的意見。①斜剪破壞。未配受剪鋼筋。②養(yǎng)護不當。經(jīng)過激烈討論，學(xué)生決定通過有限元軟件模擬鋼筋混凝土梁的受力過程，以觀察試件的破壞情況。學(xué)生自主進行實驗探索，效果很好，分析出了試件破壞的原因。大膽提出意見本身就是一種創(chuàng)新，學(xué)生在不斷的討論中既解決問題，又改進了實驗。

2.推動學(xué)生不斷探索，向?qū)嶋H生活靠攏

學(xué)生自主進行實驗探索，從購買材料、設(shè)定配合比到制作混凝土試塊，再到將數(shù)據(jù)生成本構(gòu)，代入有限元軟件ABAQUS進行模擬[12]。將所學(xué)的知識和查閱的資料相結(jié)合，靈活運用以解決實驗中的問題，這反映了該實驗的綜合性、實用性[13]。實驗中的挑戰(zhàn)激發(fā)了學(xué)生對科研的興趣，也使學(xué)生掌握了更多的實驗技能，增加了學(xué)生的成就感。

3.引導(dǎo)學(xué)生凝聚團隊精神

在整個實驗過程中，4名學(xué)生相互配合、分工有序，將團隊的作用發(fā)揮到極致。學(xué)生首先通過討論進行分工，去不同的廠家自由購買材料，然后在教師的指導(dǎo)下進行實驗，再分工進行數(shù)據(jù)分析，制作PPT匯報。在整個過程中，學(xué)生的溝通能力、團隊配合能力不斷加強，培養(yǎng)了團隊精神[14]。

（三）試錯性學(xué)習(xí)的可實踐性

這次實驗提升了學(xué)生的綜合能力，既有書本上的理論知識，也有生活中的應(yīng)用探索；既有傳統(tǒng)混凝土實驗，也有有限元軟件的應(yīng)用，這與工程認證的培養(yǎng)方式相輔相成。工程認證的培養(yǎng)方式以學(xué)生為中心，通過提升課堂教學(xué)質(zhì)量、深化課堂教學(xué)改革，推動學(xué)生不斷提升素質(zhì)，向?qū)I(yè)型、創(chuàng)新型、綜合型的人才邁進。例如，初次運用有限元軟件模擬受彎實驗時出現(xiàn)了模擬與實際不符的問題，學(xué)生自主排查錯誤，查明是網(wǎng)格劃分出現(xiàn)誤差導(dǎo)致的。這也警示學(xué)生不要眼高手低，做實驗需要膽大心細，將學(xué)習(xí)的知識應(yīng)用到實際操作中。在實驗中要鼓勵學(xué)生大膽試錯，引導(dǎo)學(xué)生在錯誤中通過自省來改正，培養(yǎng)批判性思維，這也印證了該實驗是符合工程認證的培養(yǎng)方式[15]。

八、結(jié)束語

教師為學(xué)生設(shè)計了鋼筋混凝土梁受彎與有限元軟件相結(jié)合的綜合性實驗，旨在培養(yǎng)探索型人才，提高學(xué)生對科研的興趣，推動學(xué)生綜合能力的提高。以試錯性的方法自主學(xué)習(xí)，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力和團隊精神，鞏固了學(xué)生對有關(guān)混凝土基礎(chǔ)知識的掌握程度，并熟練地掌握了實驗技能。學(xué)生成功完成了實驗，取得了很好的實驗效果。綜合性實驗是學(xué)生在掌握基礎(chǔ)知識和基礎(chǔ)技能后，進行綜合訓(xùn)練的實驗，是推動學(xué)生走向科研道路的助力器。該綜合性實驗符合土木工程類實驗的發(fā)展方向，提升了土木工程類專業(yè)課程的教學(xué)質(zhì)量，取得了良好的教學(xué)效果。將科研和教學(xué)相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生自主地發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題、掌握方法、自省提升，有利于培養(yǎng)高素質(zhì)探索型人才。

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■ 編輯∕王力