“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”教學(xué)改進(jìn)方法探討

唐先習(xí)

（蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院 甘肅 蘭州 730050）

“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”是道路橋梁與渡河工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是本專業(yè)的核心課程。本課程開設(shè)的目的是使學(xué)生具備混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本知識和基本理論，掌握混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計與計算方法。課程內(nèi)容包括鋼筋混凝土材料、構(gòu)件強(qiáng)度的計算、構(gòu)件剛度的計算等。其中構(gòu)件強(qiáng)度的計算涉及構(gòu)件在拉、壓、彎、剪、扭等不同作用下的內(nèi)容，也是本門課程的重點和難點。

“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”總體上取得了良好的教學(xué)效果，但有的同學(xué)學(xué)習(xí)效果并不太理想，這與“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”這門課理論性較強(qiáng)、內(nèi)容相對抽象等有關(guān)系，但同時也和教學(xué)中未能有效結(jié)合本課程的特點、采用機(jī)動靈活的教學(xué)手段也有很大的關(guān)系。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①教學(xué)內(nèi)容里面講得比較多的是往往是應(yīng)力、應(yīng)變等的變化或分布規(guī)律，而對于導(dǎo)致該變化或分布規(guī)律產(chǎn)生的深層次原因則未詳細(xì)講解，這就會導(dǎo)致學(xué)生難以有效地掌握該規(guī)律。②構(gòu)造要求相對復(fù)雜。構(gòu)造是學(xué)生首次接觸到的內(nèi)容，由于構(gòu)造的內(nèi)容相對復(fù)雜，構(gòu)件受不同荷載作用時的構(gòu)造要求往往不同，導(dǎo)致學(xué)生掌握起來相對困難。③計算公式較多，而且有的公式內(nèi)容煩瑣，公式系數(shù)的取值規(guī)定也較為復(fù)雜，因此學(xué)生理解和掌握起來相對困難。④在混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，構(gòu)件的承載力是決定構(gòu)件截面尺寸和配筋最關(guān)鍵的因素，而混凝土裂縫的開展對于鋼筋的配置則具有更重要的意義，而這并未作為一條主線詳細(xì)提及。

1 “混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”教學(xué)研究現(xiàn)狀

在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)研究方面，張靈通等[1]以“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”課程為例，研究了虛擬仿真技術(shù)和逆向教學(xué)設(shè)計的教改思路，提升了學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。曾祥蓉等[2]明確了混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程互動教學(xué)設(shè)計的理論依據(jù)、教學(xué)目標(biāo)、操作程序和操作策略，同時還提出了互動教學(xué)設(shè)計應(yīng)注意的問題。池寅等[3]針對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程全英文教學(xué)中面臨的突出問題，提出了相應(yīng)的解決辦法并進(jìn)行了探索實踐。陳佩圓[4]則對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程思政的切入點及融入途徑進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)的教學(xué)方案。周明杰等[5]研究了基于工程教育專業(yè)認(rèn)證的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程建設(shè)問題，提出從知識、技能、素質(zhì)三個層面凝練課程目標(biāo)，制訂相應(yīng)的教學(xué)大綱。秦世強(qiáng)等[6]則探索了對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程設(shè)計的教學(xué)改革，從選題設(shè)計、具體執(zhí)行和考核過程進(jìn)行了教學(xué)改革。魏麗華等[7]結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的教學(xué)，研究了疫情形勢下的翻轉(zhuǎn)課堂模式，分析了微課制作和翻轉(zhuǎn)課堂實現(xiàn)方式及注意事項。陶燕等[8]則對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中采用形象化教學(xué)法感知結(jié)構(gòu)概念的方式進(jìn)行了研究。

以上的內(nèi)容從不同的角度對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)的方式方法進(jìn)行了研究和探討，總體內(nèi)容相對較多。但研究并未具體地結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程中教學(xué)內(nèi)容的實際特點提出教與學(xué)相結(jié)合的措施和方法，特別是提高教與學(xué)質(zhì)量的措施和方法。因此，本文結(jié)合混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教與學(xué)中的具體情況和出現(xiàn)的問題，探索研究相應(yīng)的教與學(xué)改進(jìn)方法，對學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握相關(guān)知識具有重要的意義。

2 教學(xué)方法的改進(jìn)

2.1 從原理上解釋規(guī)律

課程教學(xué)中對于結(jié)構(gòu)設(shè)計原理中的一些內(nèi)容，往往只是講規(guī)律，而對于規(guī)律產(chǎn)生的原理往往沒有詳細(xì)提及，這不但增加了理解和記憶的難度，而且也不利于相應(yīng)規(guī)律的掌握。比如對于復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的混凝土強(qiáng)度規(guī)律，只講了雙向受壓、一向受壓一向受拉、雙向受拉的混凝土強(qiáng)度變化規(guī)律。其中雙向受壓時，一向的混凝土強(qiáng)度隨著另一向的壓應(yīng)力增加而增加；一向受壓一向受拉時，雙向混凝土的強(qiáng)度均低于單向受力的強(qiáng)度；雙向受拉時，受拉雙向的混凝土強(qiáng)度均接近于單向抗拉強(qiáng)度。

復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下混凝土強(qiáng)度出現(xiàn)這一規(guī)律，從裂縫開展的源頭來講則非常明確。混凝土強(qiáng)度是標(biāo)準(zhǔn)試件在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，依照標(biāo)準(zhǔn)試驗方法測得的強(qiáng)度值。混凝土達(dá)到最大強(qiáng)度值時，不能再承受更大的力，這時主要是混凝土試件內(nèi)裂縫的開展達(dá)到了一定的程度，再增加荷載試件就會被破壞。而在復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下，一個方向的應(yīng)力會對另一個方向的裂縫發(fā)展產(chǎn)生影響。比如當(dāng)試件承受一個方向（設(shè)為Y方向）的壓應(yīng)力Y作用時，試件裂縫的會沿著壓應(yīng)力Y的方向（Y方向）伸長，而在垂直于壓應(yīng)力Y的方向（設(shè)為X方向）變寬。當(dāng)在X方向同樣施加壓應(yīng)力X時，該壓應(yīng)力X就會限制原來開展的裂縫寬度進(jìn)一步發(fā)展，從而使裂縫的長度難以伸長。如果想讓試件仍由Y方向的壓應(yīng)力Y破壞，則Y方向的壓應(yīng)力Y就要再增大。因此，X方向的壓應(yīng)力X越大，Y方向的抗壓強(qiáng)度Y就越大（見圖1）。反之，將Y方向與X進(jìn)行調(diào)換，會出現(xiàn)同樣的效果。這就較好地解釋了雙壓受拉時，一向的混凝土強(qiáng)度隨著另一向的壓應(yīng)力增加而增加的規(guī)律。

圖1 雙向受壓試件示意圖

當(dāng)試件在Y方向的壓應(yīng)力Y作用下產(chǎn)生沿Y方向伸長的裂縫時，如果在X方向施加拉應(yīng)力X，這個拉應(yīng)力X就會使原來的裂縫在X方向的寬度開展得更快，從而使裂縫在Y方向的長度伸長得也越快，這樣就導(dǎo)致Y方向的應(yīng)力Y不需要像原來一樣大，試件就會在Y方向被壓壞，因此試件在Y方向的抗壓強(qiáng)度Y就降低。同樣可以理解為，Y方向的壓應(yīng)力Y使試件在X方向的抗拉強(qiáng)度值X降低（見圖2）。反之，將Y方向與X方向進(jìn)行調(diào)換，會出現(xiàn)同樣的結(jié)果。這就較好地解釋了試件在一向受壓一向受拉時雙向混凝土的強(qiáng)度均低于單向受力的強(qiáng)度。

圖2 一向受壓一向受拉試件示意圖

而對于雙向受拉的試件，先假設(shè)試件在X方向的拉應(yīng)力作用下開裂，則裂縫順著與X方向垂直的Y方向伸長，裂縫的寬度沿著X方向變寬。而當(dāng)在Y方向也施加拉應(yīng)力時，該拉應(yīng)力對裂縫在X方向的寬度幾乎沒有什么影響，而對于裂縫在Y方向的長度也不產(chǎn)生大的影響，因此在Y方向施加的拉應(yīng)力對于試件在X方向的抗拉強(qiáng)度幾乎沒有影響（見圖3）。反之，將X方向與Y進(jìn)方向行調(diào)換，會出現(xiàn)同樣的結(jié)果。這就較好地解釋了試件在雙向受拉時，受拉雙向的混凝土強(qiáng)度均接近于單向抗拉強(qiáng)度。

圖3 雙向受拉構(gòu)件示意圖

2.2 積極進(jìn)行歸納總結(jié)

在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的內(nèi)容里，結(jié)構(gòu)的構(gòu)造問題是同學(xué)們較難掌握的一個主要內(nèi)容，構(gòu)造主要包括混凝土保護(hù)層厚度、主鋼筋直徑、主鋼筋距離、構(gòu)造鋼筋直徑、構(gòu)造鋼筋距離等。問題的難點在于對于不同的受力構(gòu)件，比如對于受彎構(gòu)件和受壓構(gòu)件，結(jié)構(gòu)的構(gòu)造要求往往不同，因此容易造成學(xué)生對于相關(guān)構(gòu)造掌握和記憶的困難。在這種情況下，最好就是采用歸納總結(jié)的方式進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)和學(xué)習(xí)。具體就是從這方面內(nèi)容的教學(xué)開始，就將各種構(gòu)造分門別類地填在表格中。隨著學(xué)習(xí)的深入，不斷增加不同受力形式構(gòu)件的構(gòu)造，通過歸納總結(jié)進(jìn)行學(xué)習(xí)和掌握。構(gòu)造要求的參考表格見表1。

表1 鋼筋混凝土構(gòu)件的構(gòu)造要求

以受彎構(gòu)件的教學(xué)為例，在進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的教學(xué)時，根據(jù)教材及相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，確定混凝土最小保護(hù)層厚度，以及建議的最大保護(hù)層厚度，將相應(yīng)的內(nèi)容填到表格的對應(yīng)欄目內(nèi)。對于鋼筋的直徑，則分為主鋼筋的直徑和構(gòu)造鋼筋的直徑。兩種鋼筋的直徑分別包括鋼筋的外徑和鋼筋的公稱直徑，這兩種直徑代表的意義不一樣，規(guī)范上對其數(shù)值的規(guī)定也不一致，因此一定要明確區(qū)分，以免產(chǎn)生混淆。而對于鋼筋的距離，同樣分為主鋼筋的距離和構(gòu)造鋼筋的距離，并有鋼筋間距和鋼筋凈距兩種表示方法，鋼筋間距是鋼筋的中心到另外鋼筋中心的距離，而鋼筋凈距則是鋼筋邊緣至另外鋼筋邊緣之間的最短距離，規(guī)范中有時要求的是鋼筋間距，有時要求的是鋼筋凈距，這一點同樣需要明確。

受彎構(gòu)件教學(xué)完成后，在進(jìn)行受剪構(gòu)件的教學(xué)時，對于構(gòu)造的每一項要求，要與受彎構(gòu)件的相應(yīng)要求進(jìn)行對比歸納。同時還要從原理上搞清楚造成構(gòu)造要求不同的原因，從而進(jìn)一步強(qiáng)化對構(gòu)造要求的理解和掌握。受扭構(gòu)件、受拉構(gòu)件和受壓構(gòu)件以及復(fù)合受力構(gòu)件的教學(xué)，也采用同樣的方式進(jìn)行。

2.3 靈活采用對比分析

在混凝體結(jié)構(gòu)設(shè)計原理中，部分內(nèi)容是相互并列、同時又循序漸進(jìn)的。特別是對于復(fù)合受力構(gòu)件，其受力特性由各項單荷載作用產(chǎn)生的特性耦合而成，因此復(fù)合受力構(gòu)件的力學(xué)計算公式也往往是由單項荷載作用計算公式耦合而成。將復(fù)合受力構(gòu)件的計算公式與各單項荷載作用的計算公式進(jìn)行對比分析，搞清楚公式的相同點與不同點，對于增強(qiáng)學(xué)生理解和掌握公式具有重要的作用。

比如對于受彎構(gòu)件的斜截面抗剪，在進(jìn)行斜截面抗剪承載力計算時，為保證構(gòu)件不發(fā)生斜壓破壞，規(guī)定了承載力公式的適用范圍，即規(guī)定了上限值（截面最小尺寸），其公式為：

對于受扭構(gòu)件的承載力計算，為防止出現(xiàn)少筋破壞的情況，同樣規(guī)定了承載力公式應(yīng)用的上限值（截面最小尺寸），其公式為：

而對于剪扭復(fù)合構(gòu)件，計算其承載力時的公式同樣規(guī)定了上限值，其公式為：

對比公式（1）、公式（2）和公式（3）可知，公式（3）就是公式（1）和公式（2）的疊加組合，其承載的強(qiáng)度取的也是兩項效果的組合作用，這樣就可以把公式（1）、公式（2）和公式（3）進(jìn)行對比掌握，同時加深了學(xué)生對公式的理解。

2.4 抓好混凝土裂縫這條主線

對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，主要內(nèi)容包括材料的性能、構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度三部分，在這三部分中，混凝土的裂縫是貫穿始終的一個關(guān)鍵線索。在混凝土的材料部分，以裂縫開展到一定程度、試件的承載力不能再增加作為材料的強(qiáng)度值。而在構(gòu)件的強(qiáng)度部分，包括構(gòu)件承受拉、壓、彎、剪、扭等的作用，承載力計算的依據(jù)是材料的強(qiáng)度設(shè)計值，而構(gòu)件破壞的表現(xiàn)形式仍然是構(gòu)件的混凝土裂縫，特別是混凝土結(jié)構(gòu)表面的裂縫發(fā)展?fàn)顩r。而在構(gòu)件的剛度方面，對于受彎構(gòu)件而言，主要就是撓度和裂縫寬度，這個寬度仍是裂縫的表面寬度。

在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的教學(xué)中，可結(jié)合構(gòu)件表面裂縫的位置、形狀以及尺寸，以及裂縫產(chǎn)生的時間和發(fā)展規(guī)律，對構(gòu)件裂縫產(chǎn)生的原因、裂縫產(chǎn)生后對構(gòu)件承載力的影響進(jìn)行預(yù)判。比如對于受跨中荷載作用的梁體，彎矩作用下的受拉裂縫往往會從跨中底部出現(xiàn)，慢慢向上延伸，裂縫的橫斷面形狀一般為楔形，延伸方向與梁體縱軸線垂直。而剪力作用下的剪裂縫往往出現(xiàn)在支座附近，大約在支座向跨中部位方向的一倍梁高范圍內(nèi)，裂縫表面形狀顯示為兩端尖、中間寬的梭形，裂縫的延伸方向與梁體縱軸線的夾角約為45°，且裂縫的上端向跨中方向傾斜。而對于受扭構(gòu)件，則會沿構(gòu)件表面產(chǎn)生螺旋形裂縫。因此，受彎構(gòu)件底部配置縱向鋼筋承受拉應(yīng)力，而在受剪區(qū)域則采用彎起鋼筋與裂縫的縱向延伸方向垂直以抵抗裂縫的開展。而在受剪部位配置箍筋抗剪以及受扭構(gòu)件配置主筋和箍筋構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)來抗剪，則是根據(jù)具體情況而采取的措施。在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理的教與學(xué)中抓好混凝土裂縫這一條主線，則可對于該課程的教與學(xué)起到關(guān)鍵的作用。

3 結(jié)語

在“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理”的教學(xué)中，通過采用以上多種靈活的教學(xué)手段，使同學(xué)們掌握了學(xué)習(xí)該門課程的技巧，而不再像以前一樣僅憑著記憶進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時，靈活的教學(xué)手段也提高了同學(xué)們學(xué)習(xí)的積極性和主動性，從而使同學(xué)們的學(xué)習(xí)成績有了很大的提高，取得了良好的教學(xué)效果。