數(shù)值模擬技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)加固教學中的應用

【摘要】在教學資源相對缺乏的情況下，為激發(fā)學生的學習熱情，幫助學生理解基本概念，把數(shù)值模擬技術(shù)引入到建筑結(jié)構(gòu)加固的授課過程中，形象逼真的模擬建筑構(gòu)件加固前后的破壞過程。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)加固;教學改革;數(shù)值模擬

【中圖分類號】G420 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009—8097(2009)05—0118—03

引言

教學和科研是高等學校發(fā)展的永恒主題，推動教學與科研的共同發(fā)展，促進兩者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求，也是提高辦學水平的有效途徑。伴隨著我國高等教育大眾化時代的來臨，由于高校教學資源相對短缺，如何實現(xiàn)從“規(guī)模擴張”到“質(zhì)量提升”的成功轉(zhuǎn)型呢?如何在傳授知識的同時培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力?筆者認為以科研促教學是其中一個重要的環(huán)節(jié)。把新的科研成果融會于傳統(tǒng)的教學活動中，不僅為傳統(tǒng)的課程注入了活力，有利于提高教學效果;而且能夠拓展學生的視野，激發(fā)學生的學習熱情，提高學生的學習能力，創(chuàng)新能力和就業(yè)能力。本文嘗試把工程計算中的數(shù)值模擬技術(shù)用于“建筑結(jié)構(gòu)加固”課程的授課活動中。

一 建筑加固課程中的問題及改進嘗試

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展，建筑物的檢測、鑒定、加固與改造的任務(wù)日益繁重。近幾十年來，結(jié)構(gòu)的鑒定與加固逐漸形成了一門新的技術(shù)，已經(jīng)成為土木工程技術(shù)人員知識更新的重要內(nèi)容。在很多高校，“建筑結(jié)構(gòu)加固”是土木工程專業(yè)高年級學生開設(shè)的一門專業(yè)課，該課程一個顯著的特點就是實踐性強。那么筆者在該課程的授課過程發(fā)現(xiàn):雖然土木工程專業(yè)的學生都做過一些結(jié)構(gòu)試驗，但是多數(shù)的高校還沒有開設(shè)針對土木工程專業(yè)本科生的“結(jié)構(gòu)加固試驗”，學生也很少接觸一些現(xiàn)場實踐活動，對結(jié)構(gòu)加固的概念還是非常模糊的，特別是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固前后的受力性能、破壞過程等的理解上存在一定的困難。

隨著計算機技術(shù)和數(shù)值計算理論的發(fā)展，數(shù)值模擬在材料科學與工程應用中的作用已越來越多地得到人們的重視。如美國的核爆炸研究就是通過數(shù)值模擬來實現(xiàn)的。數(shù)值模擬主要是指通過數(shù)值計算方法再現(xiàn)已知的現(xiàn)象，強調(diào)運用數(shù)值模擬的結(jié)果加深對實際實驗中觀測到的已知現(xiàn)象的解釋[1]。

RFPA(Realistic Failure Process Analysis)是由大連理工大學唐春安教授課題組開發(fā)的計算系統(tǒng)。它是一種基于有限元應力分析和統(tǒng)計損傷理論的材料破裂過程分析數(shù)值計算方法，是一個能夠模擬材料漸進破裂直至失穩(wěn)全過程的數(shù)值試驗工具。該方法的一個重要特色是考慮了材料性質(zhì)的非均性，是一種通過非均勻性模擬非線性、連續(xù)介質(zhì)力學方法模擬非連續(xù)介質(zhì)力學問題的材料破裂過程分析新型數(shù)值分析方法?；趶椥該p傷理論，便可以建立材料破裂過程分析RFPA數(shù)值分析系統(tǒng)，其基本思路是:將材料介質(zhì)模型離散化成由細觀基元組成的數(shù)值模型;假定離散化后的細觀基元的力學性質(zhì)服從某種統(tǒng)計分布規(guī)律，由此建立細觀與宏觀介質(zhì)力學性能的聯(lián)系;引入適當?shù)幕獞?、應變求解方法，分析模型的應力、應變狀態(tài);引入適當?shù)幕茐臏蕜t(相變準則)和損傷規(guī)律，分析基元的力學性質(zhì)演化即相變狀態(tài)。該計算系統(tǒng)一個重要的特點就是強調(diào)了“可視化”的效果，通過計算機顯示將一些試驗中的基本現(xiàn)象直觀演示出來。詳細的介紹參見文獻[2-4]。

計算機輔助教學是把計算機作為一種新型教學媒體，將計算機技術(shù)運用于課堂教學、實驗課教學、學生個別化教學及教學管理等各教學環(huán)節(jié)，以提高教學質(zhì)量和教學效率的教學模式。現(xiàn)在國家非常重視以計算機為核心的多媒體的教育。在教學資源相對短缺這樣一種情況下，筆者利用FRPA計算軟件對結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固前后的破壞過程進行數(shù)值模擬，把科研成果、計算機輔助教學技術(shù)融合起來，用于課堂教學過程，取得不錯的教學效果。

二 舉例

在建筑結(jié)構(gòu)加固中，粘貼鋼板或者新型材料FRP條帶是混凝土受彎構(gòu)件常用的加固方法。采用大連理工大學土木工程學院開發(fā)的FRPA2D對混凝土受彎構(gòu)件加固前以及采用CFRP加固后的破壞過程進行數(shù)值模擬，并分析對比?；炷潦軓潣?gòu)件加固前的破壞過程如圖1所示。

圖2給出了采用FRP加固混凝土受彎構(gòu)件的示意圖。圖3給出了FRP加固混凝土構(gòu)件的破壞過程。很顯然，在構(gòu)件加固前和加固后的破壞過程表現(xiàn)出明顯的差異。加固前，混凝土梁的跨中形成了一條垂直的裂紋;加固后，混凝土梁跨中形成了樹根狀的裂紋系，最終構(gòu)件因FRP板與混凝土撕裂、脫落而失效。這也是外貼法加固混凝土構(gòu)件的一種典型的破壞模式。圖4是FRP加固混凝土梁的典型破壞試驗結(jié)果，可見數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

圖5給出了兩者載荷—位移曲線的對比。通過圖1、圖3以及圖5的對比，學生可以形象逼真的理解了混凝土受彎構(gòu)件加固前及加固后破壞過程的不同，而且深刻體會到外貼加固法對構(gòu)件破壞模式的改變。混凝土構(gòu)件加固前，承載力較低，破壞呈現(xiàn)脆性破壞;加固后，構(gòu)件的承載力大幅度提高，而且構(gòu)件的延性得到了改善。

如果采用傳統(tǒng)的教學方法，由于教學資源有限，學生的實踐經(jīng)驗缺乏，多數(shù)學生課程結(jié)束以后對基本概念的理解也僅停留在文字層面上。采用多媒體技術(shù)為載體把科研成果直觀、形象、有趣味地表達出來，擺脫了枯燥抽象的文字描述，深深的吸引了學生的注意力，開啟學生的想象力，同時也激發(fā)了學生的學習興趣。

四 結(jié)束語

(1)利用現(xiàn)代計算機技術(shù)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學性質(zhì)進行數(shù)值模擬，不僅具有通用性強、方便靈活、具有可重復性等特點，而且在一定程度上彌補了教學資源相對不足的問題。

(2)把數(shù)值計算方法用于建筑結(jié)構(gòu)加固課程的授課過程中，把一些不容易表達的概念可以清晰地用圖形表達出來，激發(fā)了學生的學習熱情，幫助學生深刻的理解基本概念。

(3)通過這樣一種方法，不但幫助學生學習本門課程，而且有利于激發(fā)學生對數(shù)值計算、計算機編程及繪圖等難度較大課程的興趣，對學生素質(zhì)的全面提高也具有促進作用。

(4)把新的科研成果用于本科生教學，改進了傳統(tǒng)的專業(yè)課教學，不僅可以拓展學生的視野，而且是一種提高學生創(chuàng)新能力的重要途徑。

參考文獻

[1] 王述紅，唐春安，朱萬成等.數(shù)值試驗在巖石力學實驗教學中的應用[J].實驗技術(shù)與管理，2003，20(6):140-143.

[2] 唐春安，趙文.巖石破裂全過程分析軟件系統(tǒng)RFPA 2D[J].巖土力學與工程學報，1997，16(5):507-508.

[3] C. A. Tang， Z. Z. Liang， Y. B.Zhang， et al. Fracture spacing in layered materials: a new explanation based on two-dimensional failure process modeling [J]. American Journal of Science， 2008， 308: 49-72.

[4] Xu Chang， Gaowei Yue， Haixiao Lin， Chunan Tang. Modeling the pullout behavior of fiber reinforced polymer bars from concrete [J]. Construction and Building Materials， 2010， 24(4): 431-437.

[5] 張娟霞，唐春安等.FRP加固混凝土構(gòu)件中裂紋擴展規(guī)律的數(shù)值模擬[J].工程力學，2006，23(12):143-148.

[6] Zhishen Wu， Jun Yin. Fracturing behaviors of FRP- strengthened concrete structures [J]. Engineering Fracture Mechanics， 2003，70(10):1339-13.