混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理規(guī)范對比法教學(xué)研究與實(shí)踐

黃國平

摘要：為實(shí)現(xiàn)寬口徑土木工程專業(yè)厚基礎(chǔ)、強(qiáng)理論、多方向的培養(yǎng)目標(biāo)，將規(guī)范對比教學(xué)法引入混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課堂教學(xué)中，以規(guī)范比較為主線，剖析新老規(guī)范、各不同方向規(guī)范之間的異同，幫助學(xué)生更好地理解掌握混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原理，同時(shí)為后續(xù)專業(yè)分流及將來工作提供寬口徑出路作好準(zhǔn)備。

關(guān)鍵詞：寬口徑土木工程；規(guī)范對比；混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）11-0155-02

眾所周知，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程作為目前土木工程專業(yè)的主導(dǎo)課程，定位為專業(yè)基礎(chǔ)課，在寬口徑土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)教育理念的背景下，覆蓋土木工程專業(yè)下屬的建筑工程、交通土建工程、地下工程、隧道等專業(yè)方向。為實(shí)現(xiàn)寬口徑土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)，目前建筑類高?；蛟O(shè)有土木工程專業(yè)的綜合性高校就自身的具體情況及培養(yǎng)目標(biāo)不同而采用了不同的具體培養(yǎng)模式，大體可以分為兩大類：一是學(xué)生在入學(xué)時(shí)已確定土木工程下屬的某專業(yè)方向，專業(yè)基礎(chǔ)課及專業(yè)課的設(shè)置均具有明顯地方向性；而另一大土木培養(yǎng)模式，即學(xué)生入學(xué)時(shí)為土木工程，大學(xué)前三年開始基礎(chǔ)課及專業(yè)基礎(chǔ)課，三年級(jí)時(shí)實(shí)現(xiàn)專業(yè)分流，學(xué)生可以憑自己的專業(yè)興趣選修某個(gè)專業(yè)方向的專業(yè)課。可以看出，前者培養(yǎng)模式是原土木建筑類專業(yè)培養(yǎng)模式在大土木環(huán)境新形勢下的改進(jìn)，是種過度模式；而后者則是大土木工程培養(yǎng)模式。暫不探究兩種不同模式的優(yōu)劣，其培養(yǎng)目標(biāo)的細(xì)微差別及課程體系設(shè)置不同均直接影響土木工程專業(yè)主導(dǎo)課程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的課程教學(xué)。目前湖南城市學(xué)院土木工程的培養(yǎng)模式采用的是第一類模式，作為專業(yè)核心基礎(chǔ)課，不同專業(yè)方向開設(shè)的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課具有一定的專業(yè)方向性，旨在為其專業(yè)方向服務(wù)，即以某專業(yè)方向?yàn)橹骶€，相關(guān)專業(yè)方向?yàn)檩o的教學(xué)過程；同時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課是一門實(shí)踐性很強(qiáng)并與現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程緊密相關(guān)的專業(yè)基礎(chǔ)課。在該過程就要處理好基本原理及設(shè)計(jì)方法與專業(yè)方向之間的關(guān)系，或者說基本理論與專業(yè)規(guī)范之間的關(guān)系。有鑒于此，在課程教學(xué)過程中以規(guī)范對比為主線，貫穿教學(xué)始末，強(qiáng)化相關(guān)學(xué)科知識(shí)點(diǎn)之間的聯(lián)系，夯實(shí)基本原理，取得較好的教學(xué)效果；拓展學(xué)科專業(yè)方向，與寬口徑教學(xué)模式相適應(yīng)。

一、規(guī)范對比法概述

目前很多教育學(xué)者提倡一種行之有效的教學(xué)方法——對比教學(xué)法，[1]且有許多教師將該方法應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐中，或邊實(shí)踐邊研究，取得了一定研究成果和收到較好的教學(xué)效果。該種教學(xué)方法有利于培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題和歸納概括能力，對比教學(xué)法就是引導(dǎo)學(xué)生對同一知識(shí)模塊，從不同角度出發(fā)比較、分析它們之間的聯(lián)系與區(qū)別，在對比中深入地分析它們的本質(zhì)，從而掌握知識(shí)，達(dá)到教學(xué)目的，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生提出問題、分析問題、解決問題和綜合歸納概括的能力。規(guī)范對比法源于對比教學(xué)法，是對比教學(xué)法在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)中的具體應(yīng)用和一種形式，根據(jù)該課程的內(nèi)容及知識(shí)點(diǎn)的特征融合對比教學(xué)法而形成一種新的且與該課程教學(xué)相適應(yīng)的對比法，即規(guī)范對比法。

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理主要講授混凝土結(jié)構(gòu)所用材料的性能，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，混凝土結(jié)構(gòu)中常見的種類受力構(gòu)件的破壞特征、設(shè)計(jì)模型建立及設(shè)計(jì)方法。該課程的教材及教學(xué)均是依托某行業(yè)或某專業(yè)方向的規(guī)范，進(jìn)行相關(guān)理論、原理及設(shè)計(jì)方法的講授?；炷两Y(jié)構(gòu)廣泛用于土木工程各專業(yè)領(lǐng)域，由于各領(lǐng)域結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身幾何尺寸、所受荷載、所處環(huán)境及行業(yè)習(xí)慣均存在較大差異，其相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)方法不盡不同；因此各專業(yè)方向的混凝土結(jié)構(gòu)相應(yīng)規(guī)范規(guī)程還未統(tǒng)一，同時(shí)行業(yè)規(guī)范的延續(xù)性及習(xí)慣性很難統(tǒng)一。另一方面由于社會(huì)的進(jìn)步、科技的創(chuàng)新、材料的發(fā)展以及人們對結(jié)構(gòu)受力認(rèn)識(shí)的不斷深入等等，各行各業(yè)的混凝土相關(guān)規(guī)范以大約10年左右的時(shí)間修訂或更新一次，這都給寬口徑的大土木教育教學(xué)理念下的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理教學(xué)帶來挑戰(zhàn)。規(guī)范對比教學(xué)方法具有一般對比教學(xué)法優(yōu)勢，同時(shí)也較好地解決了該課程教學(xué)中的上述矛盾。

二、新老規(guī)范對比

如上所述，各行混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范均隔一定時(shí)間進(jìn)行一次更新或修訂，新規(guī)范往往是老規(guī)范的進(jìn)一步完善，刪減與時(shí)代不相適宜或欠科學(xué)的條款，將多年來的工程經(jīng)驗(yàn)和研究新成果反映在新規(guī)范中。在課堂教學(xué)過程中對涉及相關(guān)規(guī)范且新老規(guī)范有變異的地方，進(jìn)行比較分析，探討修改的合理性與科學(xué)性，既利于提高學(xué)生分析問題的能力，也利于幫助學(xué)生領(lǐng)悟新的設(shè)計(jì)理念。

2011年實(shí)施的面向建筑工程的混凝土規(guī)范《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010），[2]以下簡稱10《建混規(guī)》，就與2002年實(shí)施的《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2002），[3]以下簡稱02《建混規(guī)》有一定的差異，增加了不少新的內(nèi)容，甚至某些計(jì)算公式差別還特別大。比如兩者在處理偏心受壓構(gòu)件縱向彎曲構(gòu)件的影響時(shí)，方法和公式各異。在10《建混規(guī)》中推薦采用偏心受壓構(gòu)件考慮軸向壓力在撓曲桿件中產(chǎn)生的二階效應(yīng)后控制截面的彎矩設(shè)計(jì)值，其計(jì)算公式為：，其中，Cm為構(gòu)件截面偏心距調(diào)節(jié)系數(shù)；ηns為彎矩增大系數(shù)；M2對同一主軸組合絕對值交大的彎矩設(shè)計(jì)值。相對的，在02《建混規(guī)》中卻引進(jìn)一個(gè)大于1的偏心距增大系數(shù)η，采用把偏心距ea乘以η，來考慮偏心受壓構(gòu)件縱向彎曲構(gòu)件的影響，該規(guī)范提供的計(jì)算公式為：

；；。可見兩規(guī)范采用公式完全不同，對二者的差異提出質(zhì)疑，引導(dǎo)學(xué)生思考。事實(shí)上，構(gòu)件在偏壓作用下會(huì)側(cè)向撓曲，這對截面的彎矩產(chǎn)生不利的影響，即通常所謂的效應(yīng)；那么對偏心受壓混凝土構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)，可以有兩種思維來考慮這種不利的效應(yīng)，一是增大作用效應(yīng)，二是降低抗力；10《建混規(guī)》就是采用彎矩增大系數(shù)ηns的增大作用效應(yīng)法，02《建混規(guī)》則是引入偏心距增大系數(shù)η的降低抗力法，因?yàn)槠木鄬κ軌簶?gòu)件的抗壓承載力是不利的，偏心距越大其抗壓承載力越低；由此兩種計(jì)算方法之間是存在內(nèi)在聯(lián)系的。

又比如在橋涵工程領(lǐng)域，現(xiàn)行的混凝土規(guī)范是《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2004），[4]簡稱《公橋規(guī)》；目前也處在新規(guī)范的修訂與討論階段，已發(fā)布《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D62-2012征求意見稿）。[5]在課堂教學(xué)過程中，論及相關(guān)問題時(shí)，可適當(dāng)就征求意見稿開展討論，與現(xiàn)行《公橋規(guī)》比較，探討其修改的合理性及科學(xué)性，使學(xué)生更為深刻地理解規(guī)范，靈活準(zhǔn)確地應(yīng)用規(guī)范，而不盲從規(guī)范。

三、建筑規(guī)范與公路橋涵規(guī)范對比

目前土木工程專業(yè)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理的教學(xué)中，涉及最多的也就是前面所述的兩部規(guī)范，即《建混規(guī)》和《公橋規(guī)》。在課堂教學(xué)實(shí)踐中，對比兩部規(guī)范發(fā)現(xiàn)二者之間的總體設(shè)計(jì)理論類似，而涉及一些具體構(gòu)件的具體設(shè)計(jì)問題可能有較大不同，一些相關(guān)的構(gòu)造規(guī)定也是差別較大。

就設(shè)計(jì)方法而言，兩規(guī)范均采用以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，按分項(xiàng)系數(shù)的設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行的設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)時(shí)均應(yīng)進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩種極限狀態(tài)設(shè)計(jì)。其承載能力極限狀態(tài)實(shí)用表達(dá)公式基本上相同，正常使用極限狀態(tài)實(shí)用表達(dá)公式有較大的差別，見表1。

3.4.2條 對于正常使用極限狀態(tài)，鋼筋混凝土構(gòu)件、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件應(yīng)分別按荷載的準(zhǔn)永久組合并考慮長期作用的影響或標(biāo)準(zhǔn)組合并考慮長期作用的影響，采用系列極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行驗(yàn)算：S≤C 6.1.1條 公路橋涵的持久狀況應(yīng)按正常使用極限狀態(tài)的要求，采用作用的短期效應(yīng)組合、長期效應(yīng)組合并考慮長期作用的影響，對構(gòu)件的抗裂、裂縫寬度和撓度進(jìn)行驗(yàn)算

由表1對比分析，準(zhǔn)永久組合與長期效應(yīng)組合對應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)組合與短期效應(yīng)組合對應(yīng)。但準(zhǔn)永久組合與長期效應(yīng)組合表達(dá)式基本是一致的，而標(biāo)準(zhǔn)組合與短期效應(yīng)組合的表達(dá)式不盡相同，且就組合效應(yīng)值的水平而言，標(biāo)準(zhǔn)組合高于短期效應(yīng)組合。與《公橋規(guī)》的短期效應(yīng)組合更為接近的是新實(shí)施的《建筑荷載規(guī)范》（GB50009-2012）中的頻遇組合，但表達(dá)式也稍有不同。

對于具體設(shè)計(jì)問題，即混凝土構(gòu)件的拉、壓、彎、剪、扭等的承載能力設(shè)計(jì)計(jì)算及正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算，二者規(guī)范計(jì)算公式或處理手段的異同，在教學(xué)過程中同樣以比較式的方法進(jìn)行講授或加以討論?，F(xiàn)將二者相關(guān)計(jì)算公式列于表2，以示異同。規(guī)范的相關(guān)計(jì)算公式對比可知，除了一些字母符號(hào)表達(dá)略有不同外，對于構(gòu)件的軸心抗拉、軸心抗壓、抗彎、抗扭設(shè)計(jì)的計(jì)算式較為一致。這由于二者引進(jìn)了相同的假設(shè)，相似的破壞特征，及類似的破壞機(jī)理或破壞模型，導(dǎo)致最終推導(dǎo)出的基本計(jì)算式是相同的。但對于斜截面抗剪，由于抗剪機(jī)理復(fù)雜，目前兩規(guī)范建議公式均是半理論半經(jīng)驗(yàn)性的計(jì)算式，不同行業(yè)間的工程經(jīng)驗(yàn)差異決定了各自采用不同的計(jì)算公式。在裂縫寬度計(jì)算時(shí)，10《建混規(guī)》采用的是綜合理論（半粘結(jié)半滑移理論）的裂縫寬度計(jì)算公式；而進(jìn)行裂縫寬度計(jì)算公式；《公橋規(guī)》是考慮影響裂縫寬度的主要因素，反映主要因素與裂縫寬間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，故二者公式差別也較大?！督ɑ煲?guī)》與《公橋規(guī)》在正常使用極限狀態(tài)下驗(yàn)算受彎構(gòu)件的撓度時(shí)，不僅剛度就計(jì)算公式有差異，且在考慮長期作用的方式也不同的；受彎構(gòu)件在準(zhǔn)永久組合的作用下，瞬時(shí)產(chǎn)生的撓度即短期撓度fs，可以依據(jù)短期剛度Bs得到，而考慮長期作用的影響下，由于混凝土材料的收縮、徐變等特性瞬時(shí)撓度會(huì)不斷增大的趨勢，這時(shí)就有兩種不同的出來方式。一是《建混規(guī)》采用長期剛度B計(jì)算得到長期撓度；二是《公橋規(guī)》引入撓度長期增長系數(shù)ηθ，先利用短期剛度計(jì)算得出短期fs，然后在將fs放大，即乘以ηθ得到長期撓度。

四、結(jié)語

任何一種教學(xué)方法都不能脫其離教學(xué)內(nèi)容，規(guī)范對比法既有對比教學(xué)法理論內(nèi)涵，同時(shí)有與該課程的內(nèi)容特征相符的實(shí)踐教學(xué)方法?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理知識(shí)點(diǎn)多、公式多、涉及規(guī)范多，在教學(xué)過程中以規(guī)范對比貫穿始末，比較并分析新老規(guī)范、不同行業(yè)規(guī)范之間的異同，適當(dāng)啟發(fā)學(xué)生，讓學(xué)生充分理解原理，構(gòu)建土木專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，這與“大土木”專業(yè)設(shè)置要求和土木工程專業(yè)“寬基礎(chǔ)、多方向”的培養(yǎng)理念是相吻合的。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳琦，劉儒德.當(dāng)代教育心理學(xué)[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2007.

[2]GB50010-2010，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]GB50010-2002，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[4]JTG D62-2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]JTG D62-2012，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范（征求意見稿）[S].

（責(zé)任編輯：王意琴）