鋼筋混凝土受彎實驗的教學改革

陳穗茵, 周云開

(華南農業大學， 廣東廣州 510642)

鋼筋混凝土受彎實驗的教學改革

陳穗茵, 周云開

(華南農業大學， 廣東廣州 510642)

文章結合課堂教學，通過對鋼筋混凝土簡支梁的受彎實驗，使理論與實踐相結合，使想象與真實聯系到一起，從而提高教學效果。實驗過程從扎鋼筋開始，進一步制作鋼筋混凝土簡支梁后對其進行受彎實驗，同時在實驗中獲取數據。最后，對數據進行分析，讓學生掌握混凝土結構的基本原理和設計方法。

簡支梁； 鋼筋混凝土梁； 應變片

近年來，大學本科教學趨向實踐與理論結合，越來越多的實踐教學在大學的課程中體現。而作為土木工程專業非常重要的土木工程結構實驗課，是土木工程專業的一門專業技術課程，與材料力學、結構力學、混凝土結構、砌體結構、鋼結構、地基基礎和橋梁結構等課程直接有關，并涉及物理學、機械與電子測量技術、數理統計分析等內容。有部分研究，通過仿真的實驗，期望能從現代科技中，讓人無需經過實踐，便能獲得身臨其境的感受[1]。然而，我們仍然希望通過真實的實驗學習，旨在讓學生獲得土木工程結構試驗方面的基礎知識和基本技能，掌握一般工程結構試驗、工程檢測和鑒定的方法，以及根據試驗結果作出正確的分析和結論的能力。鋼筋混凝土課程，與之配套的鋼筋混凝土實驗也應從演示性實驗向學生自行動手制作的操作性實驗轉變[2]。

本文主要介紹鋼筋混凝土簡支梁受彎實驗中，教師對制作、操作及數據處理的指導，學生在操作過程中遇到的困難及解決方案[3]。

1 理論指導

在實驗梁制作前，教師對學生進行理論知識的輔導，期望在制作過程中，能以感性認識結合書本的理論知識，對鋼筋混凝土的受彎性能有更深刻的認知。

2 模型制作

鋼筋混凝土梁的制作過程如下：

(1)綁扎鋼筋。根據鋼筋混凝土梁的配筋圖(圖1)，選取所需鋼筋，測量鋼筋長度是否與圖示相符，并綁扎鋼筋。

(2)粘貼應變片。在梁的主筋粘貼應變片，要求學生按理論知識選取應變最大的位置進行粘貼。粘貼的過程就是對鋼筋混凝土受彎性能的加深認識。

圖1 梁配筋(單位:mm)

(3)混凝土澆搗。設計C25混凝土配合比，并依據鋼筋混凝梁的配筋圖，澆筑混凝土梁。要求強度保證率95 %，要求坍落度為55～70 mm，施工現場混凝土由人工拌制，人工振搗。原材料及系數包括：P.C32.5水泥，水泥強度富余系數取1.0，碎石最大粒徑10 mm，混凝土拌合物的假設質量為2 350～2 450 kg/m3。此處需要學生運用課本知識，根據設計圖紙的尺寸，計算混凝土的配合比及用量。由學生自行稱量所需材料的重量，將材料按應有順序下料攪拌均勻，倒入模具。本實驗所做混凝土梁的模板由金屬薄板制成，底模采用木模板。澆搗時應要求學生注意模板是否有變形，導致混凝土梁截面不能達到各截面尺寸的要求。同時，應要求學生振搗時需注意。因混凝土梁尺寸較大，搬運不易，也因設備受限，不能用振動臺，振搗一般由插拔式振動棒，并由學生使用短鋼筋插搗完成。這里要求在澆搗鋼筋混凝土的同時，制作150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方試塊三聯 ，用作測定28 d混凝土的抗壓強度。采用標準養護的試件，應在溫度為(20±5)℃的環境下靜置一晝夜至二晝夜，然后編號、拆模。拆模后應立即放入溫度為(20±2)℃，相對濕度為95%以上的標準養護室中養護，彼此間隔為10～20 mm，要求試件表面保持潮濕。

(4)混凝土表面粘貼應變片。提供5片應變片，要求學生粘貼在混凝土梁受力最大、應變最大的地方，自選位置。這里仍然是要求學生運用課本知識，確定位置，以便得出數據進行分析。注意讓學生在粘貼應變片前打磨混凝土表面，用220#～400#粒度范圍的砂紙打磨構件混凝土表面，打磨區域15 cm×15 cm(因為應變片規格1.1 cm×8.2 cm)，至表面光滑為止。打磨完成后，需用浸有丙酮的脫脂棉球清洗貼片處，直到棉球上看不見污漬為好，清洗時一定要沿單一方向進行，不要來回交替擦洗。

3 實驗方案

實驗加載采用液壓千斤頂以一個集中力傳給分配梁而形成兩個集中荷載的加載方式，加載點位置如圖2所示。這里需要學生根據書本知識，結合所做的模型，計算本次實驗的鋼筋混凝土梁的極限荷載值。要求學生對實驗梁進行預加載，利用力傳感器進行控制，加荷值可取極限荷載的50 %，分三級加載，每級穩定時間為1 min，然后卸載。加載過程中檢查實驗儀表是否正常。

圖2 加載試驗(單位:mm)

按估算極限荷載的十分之一左右對實驗梁分級加載，相鄰兩次加載的時間間隔為2～3 min。在每級加載后的間歇時間內，認真觀察實驗梁上是否出現裂縫，加載后持續2 min后記錄電阻應變儀、百分表讀數。當達到實驗梁極限荷載的90 %時，改為按極限荷載的5 %進行加載，直至實驗梁上出現第一條裂縫，在實驗梁表面對裂縫的走向和寬度進行標記，記錄開裂荷載。

4 數據處理

根據實驗過程中記錄的百分表讀數，要求學生計算各級荷載作用下實驗梁的實測跨中撓度值，作出鋼筋混凝土梁跨中彎矩和撓度的關系M-f對比曲線。根據實驗過程中記錄的受力主筋的應變儀讀數，計算實驗梁跨中的鋼筋應變平均值，作鋼筋混凝土梁跨中彎矩和主筋應變M-ε對比曲線。根據實驗過程記錄的受壓混凝土的應變儀讀數，作出梁跨中彎矩和受壓混凝土應變關系M-εc對比曲線，并繪制各級荷載下鋼筋混凝土梁的平均應變沿梁高度的分布圖。

5 不足之處

(1)使用設備的不足。其中最突出的是沒有振動臺，混凝土的振搗存在蜂窩現象，特別是梁底搗實不易。

(2)學生的技術不熟。在混凝土的計算用量階段，通過理論知識的學習，學生基本能將混凝土各材料的用量大致計算正確。但是稱取材料的過程不夠嚴格，砂石沒有篩分，沒有注意保存材料，致使材料中含有水分，導致計算與實際稍有差別。攪拌過程中投料順序、投料的量把握不夠準確，經常使水分流失，使混凝土的成品與預期有出入。由于梁的尺寸較小，鋼筋較多，學生的技術也不熟練，插搗的時間和精力、耐力都不足，造成澆搗的不勻稱。養護的過程有部分學生未能按要求進行每日的養護。又由于澆搗的過程中有部分學生移動到了應變片，致使鋼筋的應變值在加載過程中無法讀出數據。

(3)如前所述，鋼筋的應變片在澆搗過程中容易失效，導致數據不完整。而在加載過程中，出現部分鋼筋因受彎拉伸，應變片繃斷的情形。這些都造成應變片數據有部分不完整，造成后期的數據處理中出現困難。

(4)加壓點的位置稍微偏大，如果兩個加壓點間的距離保持著1/3的梁長，裂紋出現的順序應更接近理論預測。

6 解決方案

增加振動臺是首要需解決的問題。而在資金不允許、場地不允許的情況下，實驗過程中強調搗實不均勻的壞處，加強搗實的指導工作，是指導中應加大力度的[4]。

增加視頻的示范教導，增加施工現場的體驗實習時間，著重加強與實驗相關的施工過程的操作性部分。有條件的可以邀請有經驗的施工人員，做示范性操作，到實驗課來做現場操作，讓學生有感性認識[5]。

應變片的粘貼，應作多種嘗試。比如用702膠水、水玻璃等多種不同膠水嘗試使應變片固定。澆搗時要求先由專人負責保護應變片。加壓時切忌加壓太快，避免使鋼筋意外出現彎曲過快的情形，影響到應變片。

加壓點的位置，可作調整，使加壓后的數據更貼近理論知識，更接近實際情況。

7 結論

通過實驗， 期望能讓學生把所學的理論知識應用到實際的結構試驗中，同時提高學生的動手能力。在大學生的科技創新活動中，可以鼓勵學生自行設計，并根據設計制作模具及鋼筋，這樣能調動學生的積極性及設計意識，更能把書本知識聯系實際。當前的本科教學，強調讓學生走出象牙塔，讓學生多接觸現實工作[6]。以前的教學，注重理論知識的學習，學生在畢業后難以想象和接受現實工作中的具體內容，不能快速接近技術核心。通過這些實驗課的學習，更好地把理論知識和實踐結合到一起，有利于理論知識的鞏固和實踐知識的接受[7]，初步接觸試驗的基本方法和對試驗數據的處理、分析，更加清晰地了解建筑結構試驗的大致實際操作、分析方法，進一步明確了土木工程結構試驗在土木工程領域的重要性。

[1] 何愛軍,張少波,宋曉軟,等. 鋼筋混凝土梁破壞實驗的仿真分析[J].北方工業大學學報，2012(3): 72-76.

[2] 劉陳桃,孫毅,賈慶,等. 鋼筋混凝土簡支梁受彎實驗研究[J].山西建筑, 2015(35): 68-69.

[3] 閆學恭. 鋼筋混凝土結構在建筑工程中的重要作用[J].現代裝飾: 理論，2013(3) : 157.

[4] 王高強，李松正，侯小華． 淺析鋼筋混凝土結構在建筑工程中的應用[J].門窗，2014(10) : 76.

[5] 余世策, 蔣建群, 劉承斌, 等. 賞星云鋼筋混凝土實驗創新的探索與實踐[J].實驗室科學, 2009(5): 148-151.

[6] 武建華, 黃超.教學中培養學生創新思維的探討[J] .高等建筑教育, 2007, 16(1): 32 -34

[7] 易萍華, 鄧治平.土木工程專業對學生進行創新教育的思考[J].高等建筑教育, 2007,6(1): 38 -41.

華南農業大學水利與土木工學院教改課題; 華南農業大學校級質量工程《土木工程計算機軟件應用》精品資源共享課(項目編號:K16271)

陳穗茵(1980～)，女，碩士,高級工程師, 主要從事造價工程、實驗室的研究與教學工作；周云開(1983～)，女，碩士，實驗師，主要從事市政工程設計、實驗教學工作。

TU317+.1

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[定稿日期]2017-03-29