鋼筋混凝土教學中理論和規(guī)范及實踐有機結合探討★

周 廣 東

(河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

1 概述

鋼筋混凝土是土木工程類本科生的專業(yè)核心課程，包括混凝土和鋼筋的物理力學性能、受彎構件的正截面承載力、受彎構件的斜截面承載力、受壓構件的截面承載力、受拉構件的截面承載力、受扭構件的扭曲截面承載力、變形、裂縫、延性、耐久性和預應力混凝土構件等內容，涉及受力機理、破壞模式和計算方法等[1]。鋼筋混凝土課程力求使學生具備利用混凝土理論和現(xiàn)行國家與行業(yè)規(guī)范進行鋼筋混凝土結構構件和整體結構設計和復核的專業(yè)能力，其教學內容與實際工程結構和設計規(guī)范密切相關。

目前大部分鋼筋混凝土教材僅注重基礎理論的講解，缺少現(xiàn)行設計規(guī)范和工程實踐的解釋，使得鋼筋混凝土的理論、規(guī)范和實踐嚴重脫節(jié)。學生學習完成之后，雖然能夠對鋼筋混凝土相關的概念和公式進行準確的背誦，但是并不能靈活運用這些理論公式和方法解決實際工程問題。筆者在鋼筋混凝土長期教學過程中，摸索出一條理論、規(guī)范和實踐有機結合的教學新方法，使學生既能對理論和概念進行深刻理解，又能將理論合理運用于工程實踐，達到培養(yǎng)學生具有扎實基礎理論、寬廣專業(yè)知識和較強實踐能力的目的，實現(xiàn)知識、能力、素質的協(xié)調發(fā)展。

2 通過工程現(xiàn)場架起規(guī)范與實踐的橋梁

鋼筋混凝土結構構件的配筋計算是鋼筋混凝土課程的核心，也是鋼筋混凝土課程的學習難點[2]。在學習鋼筋混凝土課程之前，學生已經掌握了理論力學、材料力學和結構力學的基本理論，具有較強的理論計算能力。在實際授課時發(fā)現(xiàn)，通過對規(guī)范基本公式的講解，同學們基本上都能夠通過彎矩和軸向力的大小，選擇較為合適的梁、柱截面，得出鋼筋的理論用量。但是對于鋼筋如何在構件中擺放、梁端或柱端鋼筋如何處理、梁柱節(jié)點處鋼筋如何排列、理論計算結果與工程實踐是否一致等問題，往往使學生感到無所適從[3]。究其原因，主要是本科生大多直接從高中畢業(yè)進入大學，基本沒有深入施工現(xiàn)場學習的機會，缺少對土木工程結構細節(jié)的感性認識。針對此典型問題，我們對教學安排進行調整，將課堂理論學習與工程現(xiàn)場學習相互穿插、有機結合。

在鋼筋混凝土課程開始之前，老師帶領學生到正在施工的鋼筋混凝土結構現(xiàn)場進行參觀學習，對鋼筋混凝土結構的各種施工過程、施工工序和注意事項進行講解，同時讓學生認識梁、板、柱和剪力墻等結構構件，了解本門課程的學習目標和學習意義，以此激發(fā)學生的學習熱情。在每一種結構構件理論課程開始之前，安排學生到施工現(xiàn)場進行參觀，認識這一種結構構件的實際配筋樣式，讓學生對接下來理論課程的目的有基本的了解；在每一種結構構件理論課程結束之后，指導學生到施工現(xiàn)場進行考察，以工程項目中的某一具體構件為例，讓學生進行鋼筋的配置并畫出配筋圖，將學生的設計結果與工程實際進行比較，引導學生對自己的計算結果進行校核，幫助學生找出理論計算結果與實際工程結構之間差異的原因。另外，還根據(jù)工程特征和施工進度，在施工現(xiàn)場對規(guī)范中的各種構造要求進行現(xiàn)場講解，將枯燥晦澀的規(guī)范條文變成生動形象的實際工程案例，使學生擺脫死記硬背的學習模式。在工程實踐結束之后，要求學生撰寫學習總結和實習報告，并思考提出問題在課堂上進行討論。通過此過程，架起了規(guī)范與實踐的橋梁，不僅加深了對規(guī)范公式、方法和構造要求的理解，還鍛煉了學生運用理論知識解決實際工程問題的能力。

3 通過模型試驗建立理論與實踐的聯(lián)系

鋼筋混凝土基本理論大多通過工程破壞事故建立，而模型試驗作為工程事故的可控情景再現(xiàn)，合理利用實驗室的模型試驗進行教學，是增強鋼筋混凝土課程教學效果的有效途徑[4]。目前大部分高校鋼筋混凝土課程試驗教學都過于單一，實驗室老師完成前期的鋼筋配置、構件澆筑和傳感器粘貼，學生只進行荷載施加和傳感器讀數(shù)記錄，在此過程中，學生并不能對試驗破壞現(xiàn)象產生原因及解決辦法有深刻理解[5]。基于此，我們對鋼筋混凝土課程試驗教學的內容和過程進行全面改革，從傳統(tǒng)的加載過程試驗擴展到構件設計、制作、試驗和分析全過程，全面培養(yǎng)學生根據(jù)試驗目的進行試驗設計、試驗準備、試驗操作、數(shù)據(jù)處理、結果分析和機理探索的能力。

針對目前國內大學生普遍存在的“眼高手低、動手能力弱、協(xié)作能力差”的問題，鼓勵學生進行鋼筋混凝土構件的全過程試驗。將鋼筋混凝土梁受彎破壞試驗、鋼筋混凝土梁受剪破壞試驗和鋼筋混凝土柱偏心受壓破壞試驗作為鋼筋混凝土課程的三大核心試驗。以5名～8名學生組成一個試驗小組，要求每組根據(jù)試驗大綱和試驗目的完成試驗方案和試驗計劃的設計，每組派出一名代表對試驗方案進行匯報，然后進行全班討論，教師進行適當?shù)囊龑В罱K形成完善的試驗計劃。根據(jù)試驗計劃，教師督促每組在時間節(jié)點之前完成相應的工作。

學生模型試驗的主要過程包括：第一步，試驗構件制作。根據(jù)試驗方案的構件尺寸、混凝土強度和鋼筋配置要求，學生進行構件澆筑模板的制作、鋼筋骨架的制作、鋼筋應變片粘貼、混凝土的配合設計、混凝土的拌合澆筑和混凝土的養(yǎng)護。通過此過程，學生能夠深刻理解鋼筋混凝土結構的施工過程，也能通過試驗構件制作過程中出現(xiàn)的問題了解鋼筋混凝土結構施工過程中的注意事項。第二步，試驗準備。根據(jù)試驗要求，進行構件網格線繪制、測試儀表的安裝與調試、試驗試件固定和加載設備固定，學生的團隊合作能力、耐心和動手能力得到了極大的鍛煉。第三步，破壞試驗。根據(jù)試驗加載方案進行構件加載，同時記錄各種儀器儀表的讀數(shù)，觀察試件的變形和裂縫發(fā)展情況，提升學生的觀察能力。第四步，試驗分析。根據(jù)試驗現(xiàn)象分析破壞模式產生的原因和應對措施。在此過程中，學生能夠將理論知識與工程實踐進行融合，破解工程難題。

在試驗過程中，鼓勵學生提出自己的疑問和設想，并最大限度的創(chuàng)造條件讓學生去驗證。比如：按照配合比設計的混凝土的理論強度和實際強度是否一致、相同配筋量的鋼筋用粗的還是細的好、混凝土中鋼筋的實際應變與測試應變是否一致等問題。由學生完成各種對比試驗，并在課堂上進行討論，不僅能夠增加學生的學習成就感和學習積極性，還能增加學生的知識深度和廣度。

4 通過細致推導形成理論與規(guī)范的紐帶

鋼筋混凝土設計規(guī)范推薦的結構構件計算公式和方法大部分是半經驗半理論公式，雖然有一部分嚴格的理論推導，但是也有工程實踐的總結，這使得很多鋼筋混凝土設計規(guī)范的計算公式與理論推導結果之間存在一定的差距。在授課過程中，由于老師對鋼筋混凝土理論和規(guī)范理解比較深入，能夠非常自然的進行基本理論和規(guī)范公式之間的過渡，因此，在授課過程中，極易忽略基本理論和規(guī)范公式之間的差異。而學生在前期學習高等數(shù)學、理論力學、材料力學等課程時，已經習慣于理論上的嚴格推導，造成學生對規(guī)范公式和方法理解困難。因此，通過細致推導讓學生理解理論方法和規(guī)范方法之間的過渡成為靈活應用規(guī)范方法的關鍵。

鋼筋混凝土結構構件基本計算公式的形成過程可以總結為：模型試驗→破壞模式→理論模型→基本假定→計算簡化→平衡方程→計算公式。通過前面的模型試驗，學生基本可以建立模型試驗、破壞模式和理論模型之間的聯(lián)系，如何通過理論模型得到規(guī)范計算公式成為掌握鋼筋混凝土結構知識的重要環(huán)節(jié)。通過仔細分析可以發(fā)現(xiàn)，雖然理論模型和規(guī)范公式從形式上存在一些差距，但是規(guī)范公式都是從理論模型衍生出來的，比如鋼筋混凝土單筋矩形梁的受彎承載力計算公式。通過模型試驗我們發(fā)現(xiàn)，在梁破壞時，受拉區(qū)混凝土產生了大量的裂縫，鋼筋的應變和混凝土的應變沿高度呈線性變化，因此引入截面應變保持平面和不考慮混凝土抗拉強度等假定，得到鋼筋混凝土梁正截面上的非線性混凝土應力。通過積分和力的平衡，能夠實現(xiàn)將非線性混凝土應力轉化為均勻的應力，進而推導出鋼筋混凝土梁正截面承載力的基本計算公式。可以看出，只要在平時授課時適當重視理論模型和規(guī)范公式之間的聯(lián)系，就能夠實現(xiàn)理論模型和規(guī)范公式的有機結合，有效提升學生對規(guī)范方法的理解能力以及理論聯(lián)系實際的能力。

5 結語

經過多年的鋼筋混凝土課程教學總結，將理論、規(guī)范和實踐有機結合，不僅增強了學生的專業(yè)知識，還鍛煉了學生的動手能力和利用理論知識解決實際工程問題的能力。鋼筋混凝土課程對于土木工程專業(yè)學生職業(yè)素質的培養(yǎng)至關重要，教師需要不斷改進教學方法、提出新的教學模式，提升土木工程人才培養(yǎng)水平。