工程結(jié)構(gòu)全壽命維護(hù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1005-2909（2025）03-0135-09

“雙一流\"建設(shè)任務(wù)要求各大高校更新教育思想觀(guān)念，以服務(wù)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展為導(dǎo)向，進(jìn)一步完善高水平科研支撐拔尖創(chuàng)新人才培養(yǎng)的機(jī)制，全面提升學(xué)生的綜合素質(zhì)、科學(xué)精神和創(chuàng)造能力。作為傳統(tǒng)工科的土木工程學(xué)科，同樣應(yīng)當(dāng)積極響應(yīng)國(guó)家的號(hào)召，以國(guó)家重大需求為導(dǎo)向，深化改革學(xué)科教學(xué)方法和手段，突出學(xué)科建設(shè)重點(diǎn)方向，并且注重培養(yǎng)學(xué)生科研能力、實(shí)踐能力和學(xué)科交叉能力等[1-5]。

經(jīng)過(guò)幾十年的高速發(fā)展，我國(guó)基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域達(dá)到一定的飽和狀態(tài)，新建筑的建設(shè)速度逐漸減緩，因此建筑行業(yè)開(kāi)始關(guān)注既有建筑的加固修復(fù)。一方面，大量的既有建筑結(jié)構(gòu)臨近使用壽命年限，需要對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)估和加固;另一方面，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的進(jìn)步，一些早期修建的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)行的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范要求，需要對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的改造和升級(jí)。

一、工程結(jié)構(gòu)全壽命維護(hù)課程設(shè)計(jì)

同濟(jì)大學(xué)順應(yīng)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，率先在混凝土結(jié)構(gòu)基本原理課程中，增加了“驗(yàn)算”（評(píng)估）原理，還引入了環(huán)境作用下結(jié)構(gòu)性能退化的相關(guān)內(nèi)容。同時(shí)，學(xué)校新開(kāi)設(shè)了工程結(jié)構(gòu)全壽命維護(hù)課程，旨在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)工程結(jié)構(gòu)全壽命維護(hù)的概念，促進(jìn)其了解工程結(jié)構(gòu)全壽命過(guò)程各階段的劃分及其特點(diǎn)，掌握工程結(jié)構(gòu)全壽命維護(hù)的基本理論與技術(shù)，為后續(xù)研究生課程學(xué)習(xí)奠定必要的理論基礎(chǔ)。具體課程目標(biāo)如下。

課程目標(biāo)1：了解工程結(jié)構(gòu)全壽命過(guò)程各階段的劃分及其特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)時(shí)變可靠性理論和全壽命經(jīng)濟(jì)分析方法的發(fā)展與應(yīng)用。

課程目標(biāo)2：了解施工階段混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制方法和技術(shù)，以及施工階段結(jié)構(gòu)安全性的監(jiān)測(cè)技術(shù)，熟悉施工階段的劃分和結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，以及早齡期混凝土的時(shí)變特性，掌握施工階段時(shí)變結(jié)構(gòu)安全性的分析方法。

課程目標(biāo)3：了解引起結(jié)構(gòu)性能退化的環(huán)境作用的時(shí)空分布特征，熟悉環(huán)境作用下主要結(jié)構(gòu)材料的劣化機(jī)理，掌握環(huán)境作用下時(shí)變結(jié)構(gòu)性能的分析方法。

課程目標(biāo)4：熟悉既有結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù)和抽樣理論，掌握既有工程結(jié)構(gòu)與擬建結(jié)構(gòu)的差異，以及既有結(jié)構(gòu)的可靠性評(píng)定理論和方法。

課程目標(biāo)5：熟悉工程結(jié)構(gòu)加固改造技術(shù)的發(fā)展和適用范圍，掌握加固結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)方法。

根據(jù)課程目標(biāo)，設(shè)計(jì)了工程結(jié)構(gòu)全壽命維護(hù)的教學(xué)內(nèi)容，如表1所示。工程結(jié)構(gòu)全壽命維護(hù)實(shí)驗(yàn)基本情況如表2所示，其內(nèi)容設(shè)置與工程結(jié)構(gòu)全壽命維護(hù)課程教學(xué)單元7、8對(duì)應(yīng)。本研究基于課程的第二部分內(nèi)容——結(jié)構(gòu)加固改造理論、技術(shù)和案例，以CFRP加固混凝土梁受彎性能實(shí)驗(yàn)為例，開(kāi)展教學(xué)探索。

二、CFRP加固混凝土梁受彎性能概述

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP）是由纖維材料（如玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、玄武巖纖維等）與基體材料通過(guò)纏繞、模壓或拉擠等成型工藝制成的復(fù)合材料。由于FRP材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、高彈性模量、耐腐蝕等優(yōu)異性能，以及易裁剪、施工快、對(duì)原有結(jié)構(gòu)改變較小等特性，近二十年來(lái)土木工程領(lǐng)域廣泛將FRP材料應(yīng)用于既有建筑的加固和修復(fù)工程。其中，外貼CFRP片材粘貼加固混凝土結(jié)構(gòu)是常見(jiàn)的加固方式之一，在梁構(gòu)件受拉面粘貼CFRP片材可以有效提高梁的抗彎承載力，同時(shí)控制裂縫發(fā)展，改善梁的使用性能。

竣工于1924年的上海郵政總局大樓，素有“遠(yuǎn)東第一”的美譽(yù)，為國(guó)家級(jí)文物。受限于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)理念及條件，結(jié)構(gòu)沒(méi)有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，同時(shí)使用的材料強(qiáng)度不高。長(zhǎng)期服役后，結(jié)構(gòu)發(fā)生了板底開(kāi)裂、梁鋼筋銹蝕等病害，在2003年采用外貼CFRP材料的方式對(duì)梁、樓板等構(gòu)件進(jìn)行了加固。該方式極大地保留了這棟歷史建筑的美感。

在工程結(jié)構(gòu)全壽命維護(hù)課程體系中引入CFRP的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)新技術(shù)、新材料的認(rèn)識(shí)，進(jìn)一步培養(yǎng)其工程結(jié)構(gòu)全壽命維護(hù)思維。在教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)講解工程案例、播放施工視頻，有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開(kāi)拓學(xué)生的工程視野。教師帶領(lǐng)學(xué)生開(kāi)展工程問(wèn)題分析，思考解決方法，能夠提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。

三、CFRP加固混凝土梁受彎性能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

（一）試件設(shè)計(jì)

（1）試件尺寸（矩形截面）： b×h×l=120mm×200mm×1800mm 0（2）混凝土強(qiáng)度等級(jí)：C40。（3）縱向受拉鋼筋種類(lèi)：HRB400。（4）箍筋的種類(lèi)：HPB300。（5）縱向鋼筋混凝土保護(hù)層厚度： 20mm 。（6）本次實(shí)驗(yàn)使用兩種型號(hào)的試件，相應(yīng)的配筋情況如圖1和表3所示。（7）CFRP片材的種類(lèi)：東麗碳纖維布，品名號(hào)碼為 UT70-20（200g/m²） ，使用纖維T70012K。單層CFRP片材的厚度為 0.111mm 。CFRP具體粘貼情況如表4所示。（8）結(jié)構(gòu)粘膠采用碳素纖維加固工法用含浸樹(shù)脂SANYURESINL-500系列。該系列包括L-500A/B，L-267A/B和RN-6A/B三種產(chǎn)品，A為主劑，B為硬化劑。其中L-500用作碳纖維復(fù)合材料浸漬/粘接用膠粘劑，L-267用作底層找平修補(bǔ)膠，RN-6用作底層樹(shù)脂。結(jié)構(gòu)膠的使用方法、施工次序和注意事項(xiàng)均參照產(chǎn)品使用的說(shuō)明書(shū)。結(jié)構(gòu)膠層的設(shè)計(jì)厚度為 1mm 。

（9）CFRP片材加固混凝土梁存在多種破壞模式，主要包括混凝土壓碎破壞、CFRP片材拉斷、端部剝離破壞和中部剝離破壞。

（二）實(shí)驗(yàn)裝置

CFRP片材加固混凝土梁四點(diǎn)受彎性能實(shí)驗(yàn)采用的加載裝置如圖2所示，加載設(shè)備為千斤頂。裝置采用兩點(diǎn)集中力加載，在跨中形成純彎段，由千斤頂及反力梁施加壓力，分配梁分配荷載，壓力傳感器測(cè)定荷載值。

（三）加載方式

本實(shí)驗(yàn)采用單調(diào)分級(jí)加載，每次加載時(shí)間間隔15分鐘。正式加載前，為檢查儀器儀表讀數(shù)是否正常，需要預(yù)加載，預(yù)加載所用的荷載是分級(jí)荷載的前2級(jí)。

梁的加載步驟如下：（1）在加載到開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)荷載計(jì)算值的 90% 以前，每級(jí)荷載不宜大于開(kāi)裂荷載計(jì)算值的 20% ;（2）達(dá)到開(kāi)裂實(shí)驗(yàn)荷載計(jì)算值的 90% 以后，每級(jí)荷載值不宜大于其荷載值的 5% ：（3）當(dāng)試件開(kāi)裂后，每級(jí)荷載值取 10% 的承載力實(shí)驗(yàn)荷載計(jì)算值 （P_?） 的級(jí)距；（4）當(dāng)加載達(dá)到縱向受拉鋼筋屈服后，按跨中位移控制加載，加載的級(jí)距為鋼筋屈服工況對(duì)應(yīng)的跨中位移△y;（5）加載到臨近破壞前，拆除所有儀表，然后加載至破壞[6]。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)加載過(guò)程中出現(xiàn)以下情況時(shí)，認(rèn)為構(gòu)件達(dá)到承載力極限狀態(tài)，即可停止加載：（1）對(duì)有明顯物理流限制的熱軋鋼筋，受拉主筋的受拉應(yīng)變達(dá)到0.01;（2）受拉主筋被拉斷;（3）受拉主筋處最大垂直裂縫寬度達(dá)到 1.5mm ;（4）撓度達(dá)到跨度的1/30；（5）受壓區(qū)混凝土壓壞;（6）CFRP片材被拉斷；（7）CFRP片材端部片材與梁體間出現(xiàn)局部剝離；（8）跨中裂縫處粘結(jié)界面發(fā)生宏觀(guān)的連續(xù)剝離。

四、CFRP加固混凝土梁受彎性能實(shí)驗(yàn)的教學(xué)分析

（一）CFRP片材加固梁受彎性能實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)

為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，CFRP片材加固梁受彎性能實(shí)驗(yàn)一改傳統(tǒng)的教學(xué)模式，在設(shè)計(jì)時(shí)以學(xué)生為主導(dǎo)，教師提供指導(dǎo)和輔助。在實(shí)驗(yàn)課開(kāi)始前，教師準(zhǔn)備好一批尺寸大小合適的鋼筋混凝土梁的澆筑養(yǎng)護(hù)，以便使用。實(shí)驗(yàn)課開(kāi)始，教師花2個(gè)課時(shí)向?qū)W生介紹CFRP片材加固混凝土梁的受彎特性。CFRP片材加固梁截面的應(yīng)變分析如圖3所示。

根據(jù)平截面假定，不考慮受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂后鋼筋與混凝土間的相對(duì)滑移，忽略CFRP片材和結(jié)構(gòu)膠層的厚度，截面的曲率與應(yīng)變之間的幾何關(guān)系如下：

式（1）中： ? 為截面的曲率； ε_c^t 為截面受壓區(qū)邊緣混凝土的壓應(yīng)變； ε_s 為縱向受拉鋼筋的應(yīng)變； h 為截面的高度； h₀ 為截面的有效高度； ξ_n 為混凝土受壓區(qū)高度和截面有效高度的比值，即相對(duì)受壓區(qū)高度； ε_t^b 為截面受拉區(qū)邊緣混凝土的拉應(yīng)變； ε_f 為CFRP片材的應(yīng)變，忽略CFRP片材和結(jié)構(gòu)膠層的厚度時(shí)，近似地認(rèn)為 ε_f=ε_r^b 。

對(duì)單筋矩形截面受彎構(gòu)件的正截面承載力作簡(jiǎn)化分析，忽略CFRP片材和結(jié)構(gòu)膠層的厚度，將受壓區(qū)混凝土的曲線(xiàn)應(yīng)力圖形等效為矩形應(yīng)力圖形，如圖4所示，設(shè)等效后的混凝土壓應(yīng)力為 αf_c ，等效矩形應(yīng)力圖形的高度為 β_rx_n 。對(duì)于強(qiáng)度等級(jí)不大于C50的混凝土，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化可取 α₁=1.00，β₁=0.80^[7] 。

根據(jù)軸向力和力矩平衡條件，有：

α₁f_cbx=σ_sA_s+σ_fA_f，

式（2）和式（3）中： f_c 為混凝土的抗壓強(qiáng)度； b 為梁截面寬度； σ_s，A_s 為鋼筋的應(yīng)力和截面積； σ_f，A_f 為CFRP片材的應(yīng)力和截面積； h_fe 為CFRP片材的面積重心至受壓邊緣的有效高度，當(dāng)在構(gòu)件受拉面粘貼CFRP片材時(shí)，可取 h_fe=h 。

由于CFRP片材加固混凝土梁存在多種破壞模式，在考慮不同破壞模式下對(duì)應(yīng)的受彎承載力極限狀態(tài)時(shí)，需要確定CFRP片材的拉應(yīng)變極限值，將其代入公式（1）—（3）進(jìn)行綜合求解，可以得到梁的極限承載力狀況。需要注意的是不同破壞模式下極限狀態(tài)的CFRP片材拉應(yīng)變極限值需要通過(guò)不同方式計(jì)算，包括混凝土壓碎破壞、CFRP片材拉斷、端部剝離破壞和中部剝離破壞等。根據(jù)CFRP片材端部處粘膠層的剝離主應(yīng)力 σ₁ 與混凝土抗拉強(qiáng)度 ：f_t 的比較，可以判斷梁是否因CFRP片材端部應(yīng)力集中而出現(xiàn)端部剝離破壞：當(dāng) σ₁gt;f_t 時(shí)，發(fā)生端部剝離[；當(dāng) σ_1??t 時(shí)，不發(fā)生端部剝離。該情況下通過(guò)受壓區(qū)混凝土被壓碎、CFRP片材被拉斷、CFRP片材與混凝土界面產(chǎn)生剝離破壞（即中部剝離破壞）時(shí)CFRP片材的有效拉應(yīng)變 E_fe，m1?_fe，m2 ，以及CFRP片材被拉斷時(shí)換算得到的拉應(yīng)變 f_fd/E_f 三者數(shù)值的比較，可以判斷梁的破壞類(lèi)型9。教師可以引導(dǎo)學(xué)生推理可能存在的破壞模式及其極限狀態(tài)模型，并鼓勵(lì)學(xué)生在課后自行查閱相關(guān)文獻(xiàn)，自主探究學(xué)習(xí)CFRP片材加固梁的受彎特性。

理論課結(jié)束后，教師可將學(xué)生分成若干小組，讓學(xué)生通過(guò)小組學(xué)習(xí)探究的方式，分別設(shè)計(jì)不同的CFRP片材粘貼形式，以期產(chǎn)生不同的破壞模式，并合作撰寫(xiě)對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方案。同時(shí)，教師可在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行若干次演示實(shí)驗(yàn)，供有時(shí)間、有興趣或在設(shè)計(jì)中遇到困惑的學(xué)生前來(lái)學(xué)習(xí)和模仿。學(xué)生提交的實(shí)驗(yàn)方案經(jīng)教師審核和修改后，方可正式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)室中，學(xué)生共同觀(guān)察各組設(shè)計(jì)的梁的破壞過(guò)程和破壞模式，并進(jìn)行小組評(píng)分。小組成員根據(jù)各自在實(shí)驗(yàn)中的貢獻(xiàn)程度進(jìn)行組內(nèi)互評(píng)打分。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，每個(gè)學(xué)生各自撰寫(xiě)本小組的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出總結(jié)反思。教師從各組實(shí)驗(yàn)方案效果、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)中學(xué)生參與程度，以及小組互評(píng)、組內(nèi)打分等方面對(duì)每個(gè)學(xué)生進(jìn)行綜合評(píng)分。

（二）CFRP片材加固梁受彎性能實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

同濟(jì)大學(xué)于2022年1月開(kāi)展的CFRP片材加固受彎性能實(shí)驗(yàn)中，采用的加載裝置如圖5所示，加載設(shè)備為千斤頂。此次實(shí)驗(yàn)共設(shè)置5根實(shí)驗(yàn)梁，各自的鋼筋、CFRP片材使用情況如表3和表4所示。試件的預(yù)測(cè)及實(shí)際破壞荷載如表5所示。

通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，各組試件的破壞模式均與預(yù)期相符合。除空白對(duì)照試件的實(shí)際破壞荷載大于理論破壞荷載外，混凝土壓碎試件、CFRP片材被拉斷試件、FRP片材中部剝離試件和CFRP片材端部剝離試件的實(shí)際破壞荷載均與理論密切相符，其中CFRP片材被拉斷試件實(shí)際破壞荷載略高于理論。5組試件的荷載-跨中撓度關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示?？傮w而言，經(jīng)過(guò)CFRP片材加固后的混凝土梁，其極限抗彎承載力有不同程度的提高，但延性相比有一定程度的下降。

通過(guò)分析、計(jì)算和對(duì)比試件受彎極限承載力的過(guò)程，可以培養(yǎng)學(xué)生處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、解決實(shí)踐問(wèn)題的能力，提升學(xué)生靈活運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力，以及綜合分析的水平。同時(shí)，可以讓學(xué)生直觀(guān)地感受CFRP片材加固混凝土梁的優(yōu)良效果，認(rèn)識(shí)到新材料、新工藝給土木工程技術(shù)注入的活力與能量，為學(xué)生將來(lái)從事科研相關(guān)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

（三）CFRP片材加固梁受彎性能實(shí)驗(yàn)的教學(xué)優(yōu)點(diǎn)

1.創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

CFRP片材加固混凝土梁的四點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，是在傳統(tǒng)混凝土教學(xué)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，通過(guò)引入新材料和新工藝，對(duì)梁受彎性能教學(xué)的一次探索與創(chuàng)新。實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目的是通過(guò)研究張貼CFRP片材的混凝土梁四點(diǎn)受彎破壞的全過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)CFRP片材的加固效果，同時(shí)掌握測(cè)試混凝土受彎構(gòu)件基本性能的方法。這項(xiàng)創(chuàng)新的教學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅適應(yīng)現(xiàn)階段建筑行業(yè)加固修復(fù)既有建筑的大方向，還能鍛煉學(xué)生的科研能力和科研素養(yǎng)。CFRP片材加固混凝土梁四點(diǎn)受彎實(shí)驗(yàn)采用“引人一組合一開(kāi)放”的思路，對(duì)傳統(tǒng)的混凝土教學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新拓展。該實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)W(xué)科前沿技術(shù)和學(xué)生已學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)相結(jié)合，給土木工程學(xué)科的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容創(chuàng)新提供了一個(gè)良好的思路。

2.革新實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式

CFRP片材加固混凝土梁四點(diǎn)受彎實(shí)驗(yàn)一改傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中老師主導(dǎo)的教學(xué)模式，讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)課的主體，發(fā)揮學(xué)生的主人翁意識(shí)。從前期理論學(xué)習(xí)時(shí)自行拓展閱讀相關(guān)文獻(xiàn)開(kāi)始，到實(shí)驗(yàn)前自己撰寫(xiě)、改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方案再由教師審核，再到實(shí)驗(yàn)中學(xué)生各自觀(guān)察彼此評(píng)分這一系列過(guò)程，能幫助

學(xué)生跳出“學(xué)生思維”，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，激發(fā)學(xué)生的科研激情。在本科教學(xué)階段引入這種革新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，引導(dǎo)學(xué)生依托新材料、新工藝和學(xué)科前沿技術(shù)開(kāi)展合適的創(chuàng)新實(shí)踐，寓教于研、研學(xué)并重，能同時(shí)提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的教師和學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力[10]。

3.提高實(shí)踐教學(xué)的受重視度

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往未得到師生足夠的關(guān)注，成績(jī)考核方式單一，且學(xué)生一學(xué)期通常只有幾次機(jī)會(huì)進(jìn)人實(shí)驗(yàn)室，缺乏學(xué)習(xí)主動(dòng)性。CFRP片材加固混凝土梁四點(diǎn)受彎實(shí)驗(yàn)符合科研性實(shí)驗(yàn)的理念，增加了實(shí)驗(yàn)課時(shí)、提高實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生開(kāi)放程度，設(shè)置了理論學(xué)習(xí)、自主探索、小組探究、教師指導(dǎo)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證、反思總結(jié)等環(huán)節(jié)。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)改革了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的學(xué)習(xí)評(píng)價(jià)制度，從整個(gè)實(shí)驗(yàn)課程的各個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)進(jìn)行考核，有效激勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)、奮發(fā)學(xué)習(xí)、全面發(fā)展。

（四）CFRP片材加固梁受彎性能實(shí)驗(yàn)的設(shè)置建議

在推廣應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮不同學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和理論知識(shí)的掌握水平等。集約分層式\"教學(xué)是比較理想的教學(xué)模式，依據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、知識(shí)水平和空余時(shí)間等情況，將其分為不同層次的學(xué)習(xí)小組，分別配給不同深度、廣度和自主度的教學(xué)資源。這種模式既能充分適應(yīng)不同學(xué)生的學(xué)習(xí)需要，又能充分利用有限的教學(xué)資源，大幅優(yōu)化創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果[1]。

在CFRP片材加固混凝土梁四點(diǎn)受彎實(shí)驗(yàn)中，CFRP的長(zhǎng)度、寬度和厚度等是重要變量，對(duì)CFRP片材加固梁的受彎性能影響很大。這要求學(xué)生在教師的指導(dǎo)下查閱文獻(xiàn)，切實(shí)掌握理論后再自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中除了尋求教師指導(dǎo)，還可以參考使用CFRP片材加固混凝土梁四點(diǎn)受彎實(shí)驗(yàn)計(jì)算小程序，盡可能保證正式實(shí)驗(yàn)的成功率。

實(shí)驗(yàn)考核需綜合評(píng)估學(xué)生的理論掌握程度、實(shí)驗(yàn)操作能力、小組合作貢獻(xiàn)、學(xué)習(xí)態(tài)度、實(shí)驗(yàn)效果和實(shí)驗(yàn)報(bào)告質(zhì)量，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度和實(shí)踐精神，并鼓勵(lì)其進(jìn)行科研探索。多維度的考核評(píng)分機(jī)制能夠提高學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的重視程度，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)[11]。分小組設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，有助于合理控制實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)和節(jié)約時(shí)間成本，同時(shí)還能培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力，促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)思考、自由分配任務(wù)，保證學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的主體地位[12]。

在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，建議學(xué)生繪制裂縫分布圖、荷載-撓度關(guān)系曲線(xiàn)、彎矩-曲率關(guān)系曲線(xiàn)、荷載-縱筋應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)、CFRP片材應(yīng)變沿長(zhǎng)度分布曲線(xiàn)、荷載-跨中CFRP應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)，以考察CFRP片材加固混凝土梁的受彎性能特性。同時(shí)，建議學(xué)生對(duì)混凝土梁進(jìn)行正截面與斜截面承載力分析、構(gòu)件承載力分析、使用性能分析，并對(duì)實(shí)際值與理論值之間的差距作出反思與小結(jié)。

對(duì)于沒(méi)有科研基礎(chǔ)的本科生，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)可能面對(duì)許多挑戰(zhàn)，因此教師要注重前期理論的講解，為學(xué)生推薦可供參考的文獻(xiàn)，并在學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的過(guò)程中耐心指導(dǎo)，指出問(wèn)題，從而激發(fā)學(xué)生科研興趣。在最終進(jìn)行考核評(píng)分時(shí)，教師不宜過(guò)分注重實(shí)驗(yàn)方案的成功與否，以免降低學(xué)生科研的積極性。

五、結(jié)語(yǔ)

本研究以CFRP片材加固混凝土梁四點(diǎn)受彎實(shí)驗(yàn)為例，探索了工程結(jié)構(gòu)全壽命維護(hù)課程的新型實(shí)踐教學(xué)模式。該模式通過(guò)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主觀(guān)能動(dòng)性，讓學(xué)生成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主導(dǎo)者，促進(jìn)了學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)理論的深化、拓展和實(shí)踐應(yīng)用。同時(shí)，為本科生提供了親身參與科研實(shí)踐的機(jī)會(huì)，培養(yǎng)了其獨(dú)立思考的能力和個(gè)性化的科學(xué)思維。該模式可為其他學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供創(chuàng)新思路，具有推廣價(jià)值與教學(xué)意義。然而，本研究主要聚焦實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)方面，未來(lái)將進(jìn)一步關(guān)注教學(xué)成效評(píng)估和目標(biāo)達(dá)成度，逐步完善課程內(nèi)容體系。

參考文獻(xiàn)：

[1]李靜，兀婷，陳正，等.新工科背景下土木工程材料課程的教學(xué)改革[J].科教文匯（中旬刊），2021（23）：76-78.

[2]勾紅葉，蒲黔輝，李小珍，等.土木工程專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與探討[J].高等建筑教育，2020，29（1）：133-139.

[3]鄧華鋒，李建林，王樂(lè)華，等.提高土木工程專(zhuān)業(yè)課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平的思考[J].高等建筑教育，2015，24（1）：119-122.

[4]王承鑫，徐龍軍，張?zhí)靷?“新工科\"背景下實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探討[J].高等建筑教育，2019，28（2）：101-105.

[5]李福海，吳昊南，姜怡林，等.基于新材料的梁抗彎性能實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索[J].高等建筑教育，2021，30（2）：146-153.

[6]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)：GB/T50152—2012[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[7]顧祥林.混凝土結(jié)構(gòu)基本原理[M].3版.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2015.

[8]歐陽(yáng)煜，錢(qián)在茲．粘貼片材加固混凝土梁時(shí)的端部剝離應(yīng)力分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2000，30（8）：51-54.

[9]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料工程應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：GB50608—2020[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2020.

[10]張清華，賈東林，卜一之.基于高性能材料實(shí)驗(yàn)的學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2019，36（1）：16-19，32.

[11]余世策，錢(qián)匡亮，劉承斌，等．鋼筋混凝土實(shí)驗(yàn)的集約分層式教學(xué)模式[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008，25（8）：132-135.

[12]錢(qián)匡亮，彭宇，錢(qián)曉倩，等.建筑材料實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革和實(shí)踐嘗試[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2016，19（5）：83-87.

Abstract： Currently，the development of the construction industry presents a new situation and pattern.After decades of rapid development，the field of infrastructure construction in China has shown a certain saturation state，and the construction speed of new buildings in China has slowed down. Therefore，the construction industrybegins to focus on the reinforcement and repairof existing buildings.Combined with the experimental teaching of life cycle maintenance of engineering structures，this paper analyzes in the failure mode and ultimate bearing capacity of concrete beam systems strengthened with carbon fiber-reinforced polymer （CFRP）， summarizes the new methods and ideas of using new materials to carry out bending tests of concrete beams，and puts forward the innovative reform of the structural experiment teaching mode， which integrates major national needs，engineering practice and teaching experiments.As the optimization and supplement of traditional teaching，this mode is conducive to stimulating students‘experimental interest and innovative thinking，and cultivating their ability to find and solve problems as well as combine theory and engineering application.

Key words： life cycle maintenance; CFRP; experimental teaching; teaching reform; flexural experiment

（責(zé)任編輯 代小進(jìn)）