SeismoStruct在高等混凝土結(jié)構(gòu)理論課程教學(xué)中的應(yīng)用

王亞楠 李志軍 周雪峰

摘 要：高等混凝土結(jié)構(gòu)理論是一門重要的土木工程專業(yè)碩士研究生的專業(yè)課，教學(xué)難度極大。為了提高高等混凝土結(jié)構(gòu)理論課程的教學(xué)效果，文章提出利用有限元軟件SeismoStruct輔助該課程的課堂教學(xué)。文章以鋼筋混凝土懸臂柱的低周反復(fù)加載試驗和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的靜力推覆分析作為教學(xué)案例，詳細(xì)論述了SeismoStruct在高等混凝土結(jié)構(gòu)理論教學(xué)中的運用，文章能幫助學(xué)生理解鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析的基本過程，而且可以彌補傳統(tǒng)教學(xué)模式的不足，提高授課效果和教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高等混凝土結(jié)構(gòu)理論；數(shù)值模擬；教學(xué)改革；研究生

中圖分類號：G642 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）18-0018-03

Abstract： Advanced theory of concrete structures is an important professional course designed for graduate students in the civil engineering major， there always had more difficulty in teaching of this course. In order to improve the course teaching effect， use of the finite element software SeismoStruct to assist classroom teaching is proposed. The low cyclic reversed loading test of reinforced concrete cantilever column and the static pushover analysis of reinforced concrete frame structure are used as teaching cases， the use of SeismoStruct in the teaching of advanced theory of concrete structures is discussed， and this will help students to understand the basis process of infinite element analysis for reinforced concrete structures， make up the shortage of traditional education mode， improve the teaching effect and teaching quality.

Keywords： advanced theory of concrete structures； numerical simulation； teaching reform； graduate student

引言

《高等混凝土結(jié)構(gòu)理論》是一門主要面向土木工程專業(yè)研究生開設(shè)的，對本科階段已學(xué)混凝土結(jié)構(gòu)基本原理進行深化拓展的課程。由于該課程具有教學(xué)內(nèi)容多、涉及知識面廣、理論性和實踐性強等特點，導(dǎo)致這門課程的教學(xué)難度極大，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足高等混凝土結(jié)構(gòu)理論課程教學(xué)的需要。因此，如何針對課程特點、學(xué)生對知識掌握程度、學(xué)科發(fā)展需求等選擇科學(xué)有效的教學(xué)模式，實現(xiàn)課程教學(xué)目標(biāo)，是每一位高等混凝土結(jié)構(gòu)理論主講教師亟需解決的問題[1-3]。

隨著計算機和計算方法的高速發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)已經(jīng)成為土木工程領(lǐng)域中除實驗研究和理論分析外的第三種研究手段。利用數(shù)值仿真技術(shù)能夠虛擬仿真土木工程領(lǐng)域中的各種試驗現(xiàn)象或工程問題，此外，數(shù)值仿真軟件強大的后處理功能可以將仿真結(jié)果直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前，激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣，提高學(xué)生理論聯(lián)系工程實際的能力。近年來，利用數(shù)值仿真技術(shù)來輔助土木工程專業(yè)相關(guān)課程的課堂教學(xué)已成為一種趨勢，SeismoStruct作為一款專業(yè)有限元軟件，其使用功能非常強大，工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計與分析并重，同時操作簡便，易于掌握。

綜上所述，本文提出將SeismoStruct引入高等混凝土結(jié)構(gòu)理論的課程教學(xué)中，以鋼筋混凝土懸臂柱的低周反復(fù)加載試驗和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的靜力推覆分析作為教學(xué)案例對SeismoStruct在高等混凝土結(jié)構(gòu)理論課程教學(xué)中的應(yīng)用進行了探討。

一、高等混凝土結(jié)構(gòu)理論課程概況

與本科階段已經(jīng)開設(shè)的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基本原理相比，高等混凝土結(jié)構(gòu)理論強調(diào)從基本理論上對混凝土材料、鋼筋混凝土構(gòu)件以及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的性能進行分析。西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院將《高等混凝土結(jié)構(gòu)理論》設(shè)定為土木工程專業(yè)碩士研究生的專業(yè)必修課，課程教學(xué)內(nèi)容包括：鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的可靠度設(shè)計理論、混凝土的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元分析、正截面承載力計算、斜截面受剪承載力計算、扭曲截面承載力計算、裂縫控制及耐久性設(shè)計、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)以及高性能混凝土等[4]。

對這些教學(xué)內(nèi)容進行歸類可以看出，可靠度設(shè)計理論、本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元分析等屬于混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)課程中具有普遍適用性的核心知識點，這部分知識點在本科階段開設(shè)的混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)課程中往往很少涉及，而在研究生階段開設(shè)的高等混凝土結(jié)構(gòu)理論課程中，無論是從課程開設(shè)的目的，還是從研究生課題研究的需要來看，均應(yīng)對這部分內(nèi)容進行重點講解；有些教學(xué)內(nèi)容則與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計聯(lián)系特別緊密，如正截面承載力計算、斜截面受剪承載力計算、扭曲截面承載力計算、裂縫控制及耐久性設(shè)計、預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件計算等，在對這部分教學(xué)內(nèi)容進行講解時，應(yīng)注重與本科階段已學(xué)內(nèi)容進行聯(lián)系和對比，應(yīng)突出計算公式及相關(guān)參數(shù)的來龍去脈，對與計算公式相關(guān)的試驗進行深入講解，進一步加深學(xué)生對計算公式的理解程度和運用計算公式解決具體問題的能力，同時滿足學(xué)生開展試驗研究的科研需求；有些教學(xué)內(nèi)容如高性能混凝土、纖維混凝土、鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)等則屬于近年來相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點，因此，應(yīng)該結(jié)合目前學(xué)科的發(fā)展前沿，聯(lián)系國內(nèi)外相關(guān)文獻進行講解，充分拓展研究生的知識面。由此可見，該課程涉及的知識面甚廣，較為單一的傳統(tǒng)教學(xué)手段很難適應(yīng)該課程的教學(xué)需求，實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

目前，西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院主要采用課堂教學(xué)、課后小作業(yè)、結(jié)課考試的形式開展高等混凝土結(jié)構(gòu)理論的教學(xué)工作，旨在使學(xué)生掌握混凝土結(jié)構(gòu)的基本理論，理解計算公式的建立依據(jù)和推導(dǎo)過程，并能運用所學(xué)理論知識解決實際工程問題。這樣的課程安排注重學(xué)生知識體系的構(gòu)建，可以幫助學(xué)生全面了解混凝土的各方面知識，但由于總課時有限，學(xué)生對這些知識的學(xué)習(xí)只能淺嘗輒止，課堂教學(xué)很難收到應(yīng)有的教學(xué)效果。

二、SeismoStruct輔助高等混凝土結(jié)構(gòu)理論課程教學(xué)的優(yōu)勢

SeismoStruct作為一款土木工程專業(yè)有限元分析軟件，擁有非常豐富的材料模型庫、復(fù)雜多樣的截面形式、強大的非線性分析和后處理功能以及完全可視化的人機交互界面。該軟件具有如下特點：

1. 7種不同的分析類型。如動力和靜力時程分析、推覆分析、增量動力分析、動力特性分析、靜力分析及響應(yīng)譜分析。

2. 11種材料模型。如非線性混凝土模型、高強非線性混凝土模型、非線性鋼筋模型等。

3. 龐大的3D單元庫。如非線性纖維梁柱單元、非線性桁架單元、非線性填充墻單元等。

4. 19種滯回模型。如線性、雙線性和三線性隨動硬化模型、土-結(jié)構(gòu)相互作用模型、Takeda模型、Ramberg-Osgood模型等。

5. 多種性能準(zhǔn)則。可用于識別結(jié)構(gòu)達到不同性能極限狀態(tài)（非結(jié)構(gòu)損傷、結(jié)構(gòu)損傷及倒塌）的時刻，獲取構(gòu)件開裂、屈服、失效的順序。

混凝土和鋼筋這兩種材料的本構(gòu)關(guān)系和破壞準(zhǔn)則的定義、鋼筋混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的有限元模型、鋼筋混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)非線性有限元分析過程、鋼筋混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)的抗震性能分析等這些屬于高等混凝土結(jié)構(gòu)理論課程中的主要內(nèi)容，在學(xué)生運用SeismoStruct對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進行分析的過程中均會被反復(fù)實踐。由此可見，在高等混凝土結(jié)構(gòu)理論課程的教學(xué)過程中引入SeismoStruct，能夠幫助學(xué)生將抽象的理論知識付諸于實踐，提高學(xué)生運用所學(xué)理論知識解決工程實際問題的能力。另外，利用該軟件強大的后處理功能和完全可視化功能，能夠?qū)⒁恍?fù)雜的工程問題通過數(shù)值仿真實驗的方式生動形象的展現(xiàn)給學(xué)生，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高課堂教學(xué)效果。因此，在高等混凝土結(jié)構(gòu)理論課程的教學(xué)過程中引入SeismoStruct具有很大優(yōu)勢。

三、SeismoStruct在高等混凝土結(jié)構(gòu)理論課程教學(xué)中的應(yīng)用案例

（一）鋼筋混凝土懸臂柱的低周反復(fù)加載試驗

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能作為高等混凝土結(jié)構(gòu)理論課程的重要組成部分，它包含了鋼筋混凝土梁、柱、節(jié)點及剪力墻的抗震性能等主要內(nèi)容。該部分內(nèi)容的實踐性很強，然而傳統(tǒng)的教學(xué)模式主要借助現(xiàn)場試驗研究形成的圖像和文字進行授課，導(dǎo)致學(xué)生的參與度不高，難以真正地理解并掌握這部分內(nèi)容。借助SeismoStruct軟件，學(xué)生可以對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能進行數(shù)值仿真實驗，下文以鋼筋混凝土懸臂柱的低周反復(fù)加載試驗為例來說明該軟件在輔助鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能這一部分內(nèi)容教學(xué)中的應(yīng)用。

圖1所示為基于SeismoStruct的鋼筋混凝土懸臂柱低周反復(fù)加載數(shù)值仿真試驗示意，其中，圖（a）為懸臂柱的有限元分析模型，圖（b）為試驗時定義的位移加載制度，圖（c）為試驗過程中懸臂柱變形的可視化，圖（d）為通過分析得到的懸臂柱截面處的彎矩-轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線，圖（e）為通過分析得到的構(gòu)件荷載-位移滯回曲線。通過運用SeismoStruct進行數(shù)值仿真實踐，使學(xué)生更加直觀、形象地理解與掌握低周反復(fù)加載、彎矩-曲率關(guān)系曲線、滯回曲線等與鋼筋混凝土構(gòu)件抗震性能分析相關(guān)的重要概念，使抽象的知識形象化。

（二）鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的靜力推覆分析

靜力推覆分析法是在側(cè)向靜力單調(diào)加載下對結(jié)構(gòu)進行的彈塑性分析，這種分析方法比進行非線性動力分析簡單，可用于近似評估結(jié)構(gòu)抵御地震的能力。圖2所示為運用SeismoStruct建立的某一榀5層鋼筋混凝土框架的有限元分析模型，圖3所示為通過對該一榀框架進行推覆分析得到的推覆曲線，即結(jié)構(gòu)頂點位移與基底剪力的關(guān)系曲線。整個分析過程有助于加深學(xué)生對靜力推覆分析法這一概念的理解。

運用SeiSmostruct進行鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的靜力推覆分析除了可以得到反映結(jié)構(gòu)抗震性能的推覆曲線外，還可以將結(jié)構(gòu)的損傷演化過程以可視化的方式展現(xiàn)出來，如圖4所示，讓學(xué)生更加直觀的了解結(jié)構(gòu)從完好、損傷直至破壞的全過程，使該部分內(nèi)容的課堂教學(xué)變得生動起來。

四、結(jié)束語

在高等混凝土結(jié)構(gòu)理論課程的教學(xué)過程中引入有限元軟件SeismoStruct具有很大優(yōu)勢。相比于傳統(tǒng)的教學(xué)手段，借助SeismoStruct能夠使這門課程的課堂教學(xué)更加地形象和生動，同時能夠給學(xué)生將抽象的理論知識付諸于工程實踐提供平臺，使學(xué)生更加充分地參與到該課程的教學(xué)過程中，提高學(xué)生運用所學(xué)理論知識解決工程實際問題的能力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高教學(xué)質(zhì)量。

參考文獻：

[1]沈璐，婁亞非，陳鳳山.應(yīng)用型人才培養(yǎng)為導(dǎo)向的高等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)課程改革[J].中國冶金教育，2017（03）：1-2.

[2]沈璐，婁亞非，上官子昌.地方院校水利工程專業(yè)碩士《高等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)》課程體系構(gòu)建[J].教育現(xiàn)代化，2017，4（02）：124-125+135.

[3]魯正，楊玉玲.中外土木工程防災(zāi)專業(yè)高等混凝土課程比較研究[J].高等建筑教育，2017，26（01）：61-64.

[4]趙國藩.高等鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.