混凝土結構基本原理教學方法創新與實踐

劉素梅+徐禮華+池寅+李浩

摘要：混凝土結構基本原理是土木工程專業的必修核心課程，基本理論屬于半經驗半理論的范疇，力學分析與計算模型具有很強的實驗性，設計方法涉及現行規范的內容。為適應本課程的特點，必須改革以課堂教學和實驗演示為主的單一教學方式，創新教學方法。結合國家精品資源共享課程建設要求，將計算機技術引進課程教學，鼓勵學生編制混凝土結構基本構件計算程序，通過程序編寫在深入理解的基礎上，熟練掌握基本構件的設計理論和設計方法，包括設計規范中的相關構造要求，從而培養協作能力和解決實際工程問題的能力。

關鍵詞：混凝土結構基本原理；基本構件；計算程序；創新教學

中圖分類號：G642.421；TU37 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2017）06-0068-04

混凝土結構基本原理是土木工程專業的必修核心課程，內容主要包括混凝土結構基本構件設計原理、設計方法及相應的構造。該課程與實際工程聯系緊密，實踐性強。其教學目的是培養學生的混凝土結構基本構件設計能力，以及分析和解決工程問題的綜合能力， 為今后從事土木工程設計、施工和管理等工作奠定堅實的基礎。

課程分為理論教學和實踐教學，包括課程設計、課間實驗等。如何針對課程特點教學，在講授設計方法時又如何結合現行設計規范，是主講教師應該認真思考的問題。對于教師而言，如何在教學中讓學生深刻理解基本理論和設計方法，并運用到實際工程中，是設計教學方法的出發點。如何在教學實踐中使課程生動，激發學生的學習興趣，提高其解決實際問題的能力，是體現教學效果的根本點。

目前中國近六百所院校每年為社會輸送幾萬名結構工程技術人員，但是近年來許多工程用人單位反映土木工程專業畢業生普遍存在一個問題：技術素質不盡如人意，表現為基礎理論不扎實，結構常識較差，只知照搬照抄，遇到具體結構問題一籌莫展，缺乏創新能力和解決實際工程問題的能力[1]。

上述現象說明，在混凝土結構教學中存在一些問題[2-4]，即重教材輕規范。

課程在講授及學習過程中，一般重視對教材內容的講解和學習，很少涉及規范內容，學生不了解規范，更不知如何將所學的知識運用于實際工程。教學模式主要以課堂教學和實驗演示為主，并配以相應的習題，教學方式單一，學生易產生視覺疲勞感，從而失去學習興趣，降低了學習效率。學習過程重視計算方法，忽視了對結構基本理論的理解，導致只會照搬公式，一旦遇到工程實際問題就不知如何解決。

為解決這些問題，同時考慮到混凝土結構實踐性強的特點，將計算機技術引入混凝土結構教學，一方面便于教師模擬說明各種試驗現象，另一方面便于學生計算分析各種工程問題，既讓課堂生動有趣，又培養學生創新思維模式，從而激發學生自主學習興趣，培養學生解決實際工程問題的能力。

為此，武漢大學混凝土結構與砌體結構國家精品資源共享課程教學團隊，自2008年開始創新并實踐混凝土結構基本原理教學方法，鼓勵學生編制混凝土基本構件設計程序，通過編制程序增強對混凝土基本構件設計理論、設計方法的理解，了解相關規范內容，培養分析和解決工程問題的能力。

一、程序編制

（一） 編制內容及要求

教學過程中，要求學生根據現行《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010）對課程涉及的基本構件設計程序。

程序需實現的功能為：根據輸入的荷載、截面和材料等信息，計算所需的鋼筋用量，選擇鋼筋，并驗算裂縫寬度和變形是否符合要求。

程序涵蓋的混凝土基本構件設計計算方法包括矩形和T形截面受彎構件正截面承載力計算、受彎構件斜截面受剪承載力計算、軸心受壓構件承載力計算、矩形和工字形截面偏心受壓構件正截面承載力計算、矩形截面偏心受拉構件正截面承載力計算、受扭構件扭曲截面承載力計算、受彎構件撓度驗算、裂縫寬度驗算。

設計參數采用可視化方法輸入。在各種構件設計和復核模塊中，內力值、截面尺寸、配筋面積等參數需要通過文本框輸入。混凝土強度、鋼筋型號和環境類別等可通過下拉列表選擇，點擊計算按鈕后，程序自動檢驗各種參數的合理性，對不滿足要求的會提醒重新輸入。

計算過程中，各種關鍵信息以對話框方式顯示。計算結束后，主要數據在計算結果面板的文本框中顯示，并導出計算書。計算書中顯示詳細計算過程和計算結果，方便用戶及時查閱計算結果信息。輸出文件路徑由用戶指定，其文件名自動生成或人為指定。

（二）編制步驟

第一步：需要繪制基本構件設計流程圖，流程圖涉及基本參數提取到核心計算程序中的方式，以及截面設計和截面復核的具體步驟。教學安排中，流程圖繪制要求在1個月內完成，并在課堂上講解流程圖中出現的問題和解決的辦法。

第二步：選擇編制程序的依托軟件平臺。為提高編制軟件使用的便捷性，要求選擇可視化的軟件平臺。大部分學生選擇了VC++集成開發環境編寫，其實現的功能可概括為：實現各種混凝土基本構件的設計算法，可視化輸入各種設計參數，以文本文件方式輸出詳細的設計計算過程和設計結果。

第三步：主體程序設計及調試階段。調試時，需考察基本構件設計過程中各種可能出現的情況。以單筋矩形截面梁正截面承載力計算為例，程序設計中需考慮截面設計和復核中出現超筋梁、少筋梁的可能性和處理辦法。

由于任務量較大，學生需要分組完成程序設計。一般10名學生一組，其中4名學生負責流程圖繪制，6名學生負責主程序設計和調試。

（三）界面設計

程序設計時，首先需要設計一個可以交換式輸入的界面。如圖1、圖2為某小組設計界面。

（四） 數據庫構建及參數提取

在界面上輸入相關參數時，可以采取兩種方式：（1）直接在界面文本框輸入強度值，利用文本框屬性提取參數值，傳遞給主計算程序；（2）首先構建相應數據庫，在界面上通過下拉列表菜單選取，并將對應參數傳遞給主計算程序，后者的使用性能更優。endprint

程序中，對于取值相對固定的設計參數，如混凝土強度抗拉強度及抗壓強度、保護層厚度、鋼筋抗拉強度及抗壓強度等設計參數，均采用輸入混凝土強度等級或輸入鋼筋型號后程序自動取值的方式，以及數據庫方式提取參數。

以混凝土強度為例，程序中以下拉列表的方式提供選擇（C15、C20、C25、C30、C35等），計算過程中，程序會根據混凝土等級的選擇結果給出序號，以相應序號為定位數據，在全局數組中獲得各種詳細參數的具體取值。全局數組定義在主程序類中，可以在其他類中隨時調用。例如，當選擇C15混凝土等級時，定位數據為0，要獲得混凝土抗壓強度時，直接調用g_fc[0]即可獲得相應數據。

（五）計算結果提取

為便于程序的調試及使用，計算過程中的關鍵值可以在計算結果界面上顯示（如圖3），如受彎構件正截面承載力計算中的受壓區高度、相對界限受壓區高度、最小配筋率等。同時，整個計算過程以文本文件的形式給出。

為形成相對完整的文本數據，計算過程中的所有中間數據均保存在類的變量中，在形成輸出文件時，直接讀取中間關鍵數據，以一定的格式寫文件即可。整個文件輸出流程同計算過程相一致。

二、程序運行實例

以下利用一組學生編寫的設計程序對一根簡支梁進行設計。

條件：已知某單筋矩形截面梁，截面尺寸b×h=250 mm×500 mm，承受的彎矩設計值M=260 kN·m，采用混凝土強度等級C30，HRB400鋼筋，環境類別為一類。求所需縱向鋼筋截面面積和配筋。

輸入的參數及計算結果如圖4所示，導出的計算書如圖5所示。

三、結語

興趣是學習的最好老師。如何激發學生學習興趣、引導學生自主思考，讓其在有限的學時內掌握扎實的基礎理論是教學的關鍵。將計算機技術引入混凝土結構教學，鼓勵學生邊學習邊編程，大大激發了學生的學習興趣。

學生在編制混凝土結構基本構件設計程序過程中，首先需要具備編寫程序的能力，其次需要深入理解基本構件的設計理論和設計方法，并掌握設計規范中相關構造要求。這鍛煉了學生分析和解決實際工程問題的能力，編寫程序過程中的分組合作，也鍛煉了學生的團隊協作能力[5]。

通過計算機技術的引進創新課堂教學方法，為學生的課外學習和參加各種結構競賽開辟新的途徑。教師可以利用計算機技術模擬試驗現象，使課堂更生動。學生可以利用計算機模擬分析結構模型，選擇最優方案，節約時間和經費，也可利用計算機編程，實現一些創新想法，大大提高了效率。可以預見，在不久的將來，計算機技術會在課堂和課后得到更為廣泛的應用。

參考文獻：

[1]徐有鄰.授人以魚，不如授人以漁——對混凝土結構教學的建議[J].東南大學學報（哲學社會科學版），2012，14（S2）：7-10.

[2]劉素梅，徐禮華.混凝土結構基本原理課程雙語教學實踐與總結[J].高等建筑教育，2015，24（3）：112-116.

[3]李永梅，李玉占，孫國富.數值仿真分析技術在混凝土結構教學中的應用——以鋼筋混凝土雙向板受力分析為例[J].實驗室研究與探索，2016，35（10）：80-84.

[4]許鵬奎，虞廬松. 我國高等工程教育的發展現狀、問題及趨勢分析[J].武漢理工大學學報（社會科學版），2013，26（4）：633-637.

[5]牛建剛，薛剛.混凝土結構教學過程中學生綜合能力培養的探索[J]. 東南大學學報（哲學社會科學版），2012，14（S2）：229-231.endprint