鋼筋混凝土梁受彎動態仿真在教學中的應用

周 靖

1 教學背景

混凝土結構設計原理作為土木工程專業中重要的專業必修基礎課程，其主要任務是培養學生掌握鋼筋及混凝土兩種材料所組成結構構件的基本力學性能，具備混凝土結構構件設計能力[1].混凝土結構設計原理是土木工程專業基礎課的一門重要必修課程，起著為學生后續的專業課學習、畢業設計以及畢業后從事混凝土結構設計、科研、施工等工作打下必要基礎的作用，該課程在土木工程專業教學中具有重要的地位[2].

該課程具有1.內容多，涉及面廣2.經驗性強，公式多，符號多3.構造規定多4.實踐性強等特點[3].根據多年教學經驗發現學生在學習的過程中大多感到吃力.為了提高學生的學習興趣，劉建平[4]王亞軍[5].吳香國[6]等多位專業教師實踐了多種課堂教學的新方法新思路新模式，但這都限于理論教學，并未與實驗教學有機結合在一起.許啟鏗等人[7]提出了實驗教學的新方法，學生在自主實驗的過程中收獲很大，但并未與理論計算內容有機結合，并且實驗的進度不可人為調控，實驗為破壞性實驗不可重復.劉建平[8].紀金豹[9].張利[10]等運用多媒體教學，將仿真實驗帶入課堂，學生可以在課堂上進行仿真實驗，盡管仿真實驗可以讓學生身臨其境體會整個實驗過程，但學生自己不可以手動操作，實驗過程僅僅是一個展示并未與理論計算結合.趙志平[11]李永梅[12]運用有限元法對混凝土構件受力過程進行數值模擬，但改技術不適合本科階段教學，學生對基本原理和方法都無法掌握.商懷帥[13]將Excel軟件與混凝土結構設計原理課程相結合，實現了簡單的數值計算，但沒有與實驗相結合，無法看到各階段的實驗現象.余世策[14]賈冬云[15]等使用LabVIEW軟件對混凝土構件進行了仿真模擬，學生可以將參數輸入直觀看到計算結果，但并沒有實現動態實時操作.

2 仿真軟件

LabVIEW是一個革命性的圖形編程開發環境，以G編程語言為基礎，用于數據采集、控制、數據分析和圖形表示等，尤其適于虛擬儀器和虛擬實驗的設計.目前LabVIEW已經廣泛應用于測試測量、控制、仿真、教育等各個領域.本文使用LabVIEW軟件對鋼筋混凝土梁進行動態仿真，學生可以手動加荷，設置參數，實時觀察梁的當前狀態，還可以看到理論計算結果.鍛煉了學生的動手能力，鞏固了課堂知識，實時把控實驗進程，對實現教學目標有極大的幫助.

3 實驗模型

鋼筋混凝土實驗梁為一簡支梁，截面寬度為b，截面高度為h，梁的跨度為1.5米.梁的頂部由千斤頂加壓，壓力值為P，通過液壓式壓力試驗機可以在0～100KN范圍內調節壓力值，實現加載.壓力通過荷載分配梁平均地對距離兩端支座500mm處施加荷載，于是在梁的中部500mm范圍內形成了純彎區段，兩側為了避免發生剪切破壞還配置了箍筋.混凝土的強度等級可選擇C25，C30及C35，鋼筋可以選用二級鋼筋或三級鋼筋，鋼筋的直徑為d.這些參數為實驗模型的輸入變量，學生可以手動輸入數值，也可對混凝土及鋼筋的型號進行選型.確定了鋼筋、混凝土的型號之后，鋼筋的屈服強度fy，界限相對受壓區高度ξb，混凝土的軸心抗壓強度fc，抗拉強度ft，抗拉強度標準值fty等輸入變量可通過索引數組實現相應數值的輸入.

受拉區配置鋼筋的截面面積為As，受拉鋼筋形心到梁底部的距離as取40mm，計算截面高度為h0，受壓區高度為x，界限受壓區高度為xb，最小配筋率為0.45ft/fy與0.2%中

圖1 程序框圖

的較大值，彎矩設計值為M，開裂彎矩為Mcr，極限受彎承載力為Mu.這些變量為輸出變量，可以通過程序框內的公式計算得到相應的結果.程序框圖如圖1所示，程序框中的公式都是混凝土結構設計原理中梁受彎計算的基本公式通過G語言編寫出的.

4 仿真運行

學生可以在前面板中輸入輸入變量的數值，也可以對鋼筋混凝土的的型號通過下拉菜單進行選擇，在前面板中輸入變量窗口如圖2所示.

圖2 輸入變量窗口

學生輸入相應的數值并完成鋼筋混凝土選型后，點擊運行，可以通過警示燈觀察是否超筋是否少筋，警示紅燈亮起則表明輸入變量不符合適筋梁運行的條件，可做相應的調整.警示燈窗口如圖3所示.

警示燈未亮起則可以連續運行.學生可通過轉動液壓式壓力試驗機旋鈕實行加載，在加載的過程中觀察實驗梁的受彎過程，以及彎矩數值的變化.液壓式壓力試驗機操作旋鈕如圖4所示.

順時針轉動旋鈕，荷載不斷加大，學生可以觀察到彎矩M數值也在不斷加大，當彎矩值達到開裂Mcr時可以看到梁開始出現第一批裂縫，隨著荷載繼續不斷加大，裂縫擴展，陸續出現第二批第三批裂縫，梁開始由帶裂縫工作階段進入到屈服階段，此時荷載只增加一點，梁便產生較大的變形，直到混凝土被壓碎，此時梁達到受彎承載力的極限Mu，梁發生破壞.實驗梁受彎示意圖如圖5所示.

圖3 警示燈窗口

圖4 液壓式壓力試驗機操作旋鈕

圖5 實驗梁受彎示意圖

5 結論

筆者使用LabVIEW軟件，根據鋼筋混凝土梁受彎的基本原理，動態仿真梁受彎的全過程.學生在前面板中可以自行設置實驗梁的各個參數，選擇鋼筋混凝土的型號，運行后通過警示燈提示判斷配筋是否合適，學生可以結合課本上適筋梁的判斷標準進行對比.如果符合適筋梁的標準學生可以點擊連續運行，此時轉動壓力試驗機旋鈕對梁進行加載，在加載的過程中觀察彎矩數值的變化以及實驗梁的變化，結合書本所學知識，判斷實驗梁所處的階段，直至試驗梁破壞.

梁的截面形狀、配筋、材料的型號都是學生自己手動設置的，加載也是學生手動加載的，整個實驗過程是動態的，一方面解決了土工實驗的破壞性，不可逆性和操作性差的特點，另一方面可將實驗搬進課堂，與理論教學相結合，鞏固學生的理論知識，提高學生的動手能力.因此鋼筋混凝土梁的仿真實驗可廣泛推廣，并應用到教學中去，推動實現教學目標.