單筋矩形梁正截面受彎破壞實驗教學研究

林慶利 邊亞東 楊小衛 殷曉三

摘 ?要：單筋矩形梁正截面受彎破壞實驗是混凝土結構設計原理學習過程中重要的教學實驗之一。以中原工學院為例，針對目前該實驗教學存在的問題提出了進行少筋梁、適筋梁和超筋梁分組實驗，并帶領學生通過設計圖紙分析、承載力計算與構件破壞特征交互驗證的一套實驗教學方法。

關鍵詞：單筋矩形梁;正截面受彎破壞;結構力學組合裝置（YJ-IIID型）;教學研究

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）20-0083-03

Abstract： The bending failure experiment of rectangular section beam with single reinforcement is one of the most important teaching experiments， during learning the course of concrete structure design principle. Taking Zhongyuan University of Technology as an example， firstly， the problems existing in this experiment teaching at present were analyzed. Subsequently， a set of improved experimental teaching methods were put forward， in which group experiment of small reinforcement beam， suitable reinforcement beam and super reinforcement beam was carried out. Meantime， under teacher's guidance， the design drawings analysis and bearing capacity calculation were completed by students， which can be cross-verified with component failure characteristics.

Keywords： rectangular section beam with single reinforcement; normal section bending failure experiment; structure mechanics combination device （YJ-IIID）; teaching research

引言

《混凝土結構》是土木工程專業的核心課程之一，該課程按照內容性質分為《混凝土結構設計原理》、《混凝土結構與砌體結構設計》和《混凝土公路橋設計》，上中下三冊。在對標工程教育專業認證標準的基礎上，中原工學院建筑工程學院于2018年修訂了土木工程專業的培養方案，將上冊和中冊作為主要學習內容，分別以《混凝土結構I》和《混凝土結構II》來進行系統學習。其中，《混凝土結構I》共60學時/4學分，主要講述混凝土結構材料的物理力學性能[1]，各種混凝土基本構件的受力性能、截面計算和構造等基本理論，屬于專業基礎知識。

《混凝土結構I》可以看作是鋼筋和混凝土兩種材料的材料力學，具有很強的理論性和實踐性。它的基本理論大多以實驗為基礎，因此除去傳統課堂授課之外，必須加強實驗教學，讓學生在教師的指導下親自動手進行實驗，觀察實驗現象，統計實驗數據并進行歸納總結[2，3]，這樣才能夠使學生更深刻地認識混凝土基本構件的破壞過程、破壞特征和破壞規律，加強理解和記憶各類基本構件的截面承載力計算和構造規定。可見，在有條件的情況下，開展各種混凝土構件的實驗教學顯得尤為重要，而單筋矩形梁正截面受彎破壞實驗就是其中最為重要的一個教學實驗。本文首先分析了當前該實驗教學存在的主要問題，進而針對有關問題提出了一套改進教學效果的方法。

一、當前教學中存在的主要問題

筆者通過對近五屆土木工程專業本科生的教學調查和混凝土實驗教學開展情況的研究發現，近五個學年以來關于單筋矩形梁正截面受彎破壞實驗教學主要存在以下幾個問題：

1. 課程內容多，學時少，沒有開展相關實驗環節。在積極準備工程教育專業認證和學科評估的背景下，土木工程專業大量核心課程的學時數量被強制壓縮。然而，混凝土結構課程知識量大，內容十分豐富，涉及大量理論公式，對學生的數學、材料力學和結構力學的功底要求很高[4]，想要在規定的學時內讓學生較好地掌握《混凝土結構I》的基本知識有一定的難度，同時對于許多教師而言也不容易將主要內容講清講透。因此，限于學時數量，有些任課教師更注重理論教學，只是將該實驗的視頻影像在課堂上給學生演示，沒有實際開展。

2. 實驗室老師負責具體操作，未讓學生親自動手實踐。出于對管理秩序和實驗效率的考慮，針對某幾屆學生雖然開展了相關實驗教學，但大多是實驗室老師負責具體操作，之后將實驗數據拷貝給學生處理。這樣一來，學生僅能觀察整個實驗破壞過程，統計實驗數據，沒有親自參與，對于如何粘貼電阻應變片、構件如何設計安裝、位移計如何使用以及如何利用靜態測試軟件采集實驗數據不能真正熟悉，無法達到鍛煉學生基本實驗技能和激發學習與科研興趣的目的。

3. 僅開展適筋梁的正截面受彎破壞實驗，對少筋梁和超筋梁缺乏足夠重視，不能形成有效對比。隨著培養方案不斷完善，單筋梁正截面受彎破壞實驗已成為《混凝土結構I》必須要進行的實驗環節。然而，當前該實驗主要是在實驗室老師的指導下讓學生分組驗證適筋梁正截面受彎的破壞過程，沒有對少筋梁和超筋梁進行實驗操作，不能形成強烈對比。此外，實驗構件均是成品采購，非實驗室人員或學生制作完成，未對構件的配筋計算和設計圖紙進行仔細分析，學生對其內部構造也不太清晰。

可見，近五個學年以來，雖然對于該實驗教學環節已經逐步開展和完善，但是仍然存在一些不足，為了更好地讓學生理解記憶單筋矩形梁正截面破壞的特征和承載力計算原理，培養學生動手操作能力和激發學習興趣，顯然有必要提出一套更加合理有效的實驗教學方法。

二、實驗教學改進方法探討

本實驗采用煙臺新天地試驗技術有限公司設計的YJ-IIID型結構力學組合裝置進行加載，如圖1所示。在具體進行該實驗教學時，可以采用如下幾個步驟：

1. 劃分實驗小組，分別對單筋矩形截面少筋梁、適筋梁和超筋梁進行加載測試，但在加載前并不告知該小組所測試構件的配筋情況。一般情況下，土木工程一個班級人數在32人左右，可以均勻地分成4組，包含少筋梁、適筋梁和超筋梁三種類型，其中可以有任意一種類型多出1組，事先不指明構件的配筋類型。首先，每一小組成員之間互相配合，共同完成梁體正表面打網格線和在跨中位置粘貼混凝土電阻應變片。接著，四個小組依次進行構件安裝調試、加載和采集數據等操作內容。一個小組進行加載時，其他三組一起認真觀察構件的破壞全過程。

2. 每個小組根據試驗現象判斷簡支梁配筋類型，并進行實驗數據分析處理。現以超筋梁為例，如果簡支梁出現混凝土受壓區邊緣先破碎，而下部受拉鋼筋不屈服，基本沒有預兆的情況下由于受壓區混凝土被壓碎而突然破壞的破壞形態，則說明該實驗表現出的是超筋梁破壞特征，可以判定為超筋梁，如圖2所示。某小組對應獲得的實驗數據，見表1。由此繪制出的M-f（彎矩-撓度）關系曲線和M-？著S關系曲線，分別見圖3和圖4。

由表1可知，該構件正截面所能承受的極限彎矩值為20.87kN·m，達到極限彎矩后實驗現象表現為受壓區混凝土突然被壓碎，而此時縱向受拉鋼筋的平均應變值僅約為1318個微應變，遠未達到正截面承載力計算的基本假定-縱向受拉鋼筋極限拉應變為10000個微應變，實驗現象表現為受拉鋼筋不屈服。

3. 進行設計圖紙分析，并通過配筋計算驗證簡支梁配筋類型。在以往實驗教學過程中，都是對購買的成品構件直接進行加載驗證，學生對其內部構造不甚清楚。進行設計圖紙分析之后，可使學生更加直觀地認識構件的配筋情況，熟悉縱向受拉鋼筋、架立筋與箍筋如何綁扎形成鋼筋骨架，以及構件的純彎段是怎樣進行配筋設計的。同樣以超筋梁為例，對應的設計圖紙如圖5所示，具體配筋和截面尺寸見表2。

通過配筋計算驗證簡支梁配筋類型的具體步驟如下：

由力的平衡條件可得：

fyAs=？琢1fcbx ? ? ? ? ?（1）

查規范可知[5]，C25混凝土：fc=11.9N/mm2，ft=1.27N/mm2;HRB335鋼筋：fy=300N/mm2;？孜b=0.550。

于是，x？燮xb=？孜bh0=0.550×（150-20-6-7）=64.35mm其中，箍筋直徑是6mm，縱筋直徑14mm，混凝土保護層厚度為20mm。

則適筋梁的最大配筋面積為：

As，max=？琢1fcbxb/fy=1.0×11.9×100×64.35/300=255.26mm2

適筋梁的最小配筋率取0.2%和0.45ft/fy的較大值，經計算較大值為0.2%，則適筋梁的最小配筋面積應為：

As，min=0.2%■bh0=0.2%bh=0.2%×100×150=30mm2

故適筋梁的縱向受拉鋼筋截面面積應控制在[30，255.26]mm2范圍內，而表2中構件的縱向受拉鋼筋選用了2根直徑14mm的HRB335鋼筋，其截面面積As=308mm2，則確實屬于超筋梁，這樣也就與第2.步中觀察的超筋梁的破壞現象和實驗數據得到了交互驗證。

三、結束語

《混凝土結構設計原理》課程應重視實驗教學，單筋矩形截面簡支梁正截面受彎承載力實驗是這門課程中最重要的一個教學實驗。筆者通過對所任教學院近五屆土木工程專業本科生的實驗教學情況進行調查研究，分析了當前教學中存在的主要問題，針對這些具體問題提出了一套實驗教學的改進方法，鍛煉了學生的動手實踐能力，激發了學習興趣，便于學生更深刻地理解受彎構件正截面的受彎性能，從而更好地掌握單筋梁正截面受彎承載力計算原理等知識。改進的教學方法，還應在今后的實踐教學過程中不斷優化和完善。

參考文獻：

[1]東南大學，天津大學，同濟大學.混凝土結構設計原理（第五版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2012.

[2]周翠玲，馮竟竟，張耀軍.工程教育專業認證背景下鋼筋混凝土結構課程教學改革[J].山東農業工程學院學報，2018，35（11）：28-31.

[3]藍麗江，張站祥.《混凝土結構設計》課程教學改革探討[J].教育教學論壇，2018（43）：122-123.

[4]徐華，陳正，余波，等.北部灣區域高校混凝土結構課程教學改革研究[J].高等建筑教育，2018，27（1）：45-48.

[5]GB50010-2010混凝土結構設計規范（2015年版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2016.