《混凝土結構設計原理》實驗課教學方法改革研究

張宇 屈恩相

(齊齊哈爾大學建筑與土木工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

土木工程專業致力于培養德、智、體、美、勞全面發展，具備良好的職業道德和綜合素質，較好的理論基礎及實踐能力，會學習，能動手、懂管理、有素養的高級應用型專業人才。工作中能系統解決土木工程專業復雜工程問題，這就必須對于專業課程提出了較為嚴格的規劃。《混凝土結構設計原理》在土木工程專業中有著舉足輕重的地位，也對先期課程土木工程材料、結構力學、房屋建筑學和后期課程砌體結構、鋼結構設計原理等起到一個承上啟下的作用。它是一門實踐性很強，且與現行規范、規程密切有關的專業基礎課。所以單單注重理論內容的學習和研究往往達不到很好的收效和成果，要尋求在理論知識熟練掌握的前提下結合工程實踐來解決問題，尤其是混凝土結構中構件的設計及制作，荷載施加的意義以及構件破壞的過程和原因等都能是同學們對理論知識有更深入的認識。通過本課程實驗內容的學習，培養學生發現、分析和解決問題的能力，培養學生的創新進取的品質，提出實際問題的試驗方案和對實驗結果的處理能力。因此應將教師授課的重點轉向學生的需求，重點考查人才培養目標的合理性和時效性，并依據學生的接受情況建立改進機制。工程教育專業認證是指工程類專業教育實施的專門性認證，具有國際等效、學生中心、產出導向、持續改進等特征，旨在為相關工程技術人才進入業界從業提供預備的教育保證。從1995年開始，中國對土木工程開展工程教育專業認證工作，極大提高了專業教育質量，為土建類注冊工程師在國際上的流動奠定基礎。國內眾多學者基于工程認證的要求，對土木工程專業的部分課程提出教學改革方案，在授課過程中充分發揮了學生的主觀能動性，取得了良好的教學效果。

建筑與土木工程學院現有良好的混凝土結構的實驗條件，包括土木工程材料實驗室和工程結構實驗中心等實驗室，實驗室內有完備的實驗設備，主要包括混凝土攪拌機、混凝土快速養生箱、液壓加載控制系統、靜態數據采集系統、混凝土收縮膨脹儀等，都為課程實驗的完成提供了完備的硬件基礎。

1 教學大綱

教學大綱是根據學科內容和專業教學體系和教學計劃的要求編寫的用于指導教學的文件，其規定了課程培養的目標，主要學習的內容和學習方法，突出的重難點內容以及考核的要點。根據我院應用型人才培養目標，制定了可實施性強且符合培養目標的教學大綱。

1.1 課程說明及目標

《混凝土結構設計原理》是一門實踐性很強與現行規范、規程等有關的專業基礎課。主要講授內容包括混凝土結構所用材料的性能、結構設計方法及常見的受力構件（軸心受力、受彎、受剪、偏心受力、裂縫及變形、預應力混凝土構件）的破壞特征、設計模型的建立及設計方法。通過本課程的學習能讓學生了解并掌握混凝土的荷載類型與基本的設計方法，混凝土和鋼筋材料的基本力學性能，可以用相關的課程知識對混凝土一般構件進行設計和實驗以滿足實際工程的需要。

通過本課程的學習主要想達到以下目標：1）培養學生混凝土結構施工圖識讀和一般混凝土結構梁，柱的計算設計能力，從而培養學生對混凝土結構的設計的基本了解及在結構制圖中能清晰的分辨結構的基本構件；2）通過課程學習，學生能在理論學習的基礎上養成很好的實驗習慣和創新精神，提高動手能力，能運用所學知識對實踐問題提出合理的解決方案；3）通過課程學習，對課程設計的各類實驗實踐行為有自己的想法，能夠激發學生創新精神和獨立思考和解決問題的能力。

1.2 主要內容

《混凝土結構設計原理》教學大綱中對混凝土所涉及的材料性能做出了比較詳盡的解釋，主要包括鋼筋和混凝土兩種主要材料的力學性能；混凝土結構設計的基本方法，荷載作用效應和結構抗力的計算方法；混凝土受彎構件的正截面和斜截面的破壞形態和承載力計算方法；受扭構件的和偏壓構件的設計方法及破壞的形態和過程以及針對荷載作用效應的抗力計算，在結構可靠度指標里的適用性和耐久性所要求的結構剛度和裂縫寬度和數量的限制，預應力結構施工方法和簡單的計算問題等等。其中各項內容無一不要求學生在掌握理論知識的前提下構建模型以更好的理解工程實踐中會遇到的問題。主要的重難點在于解決實際的工程問題，包括基于承載力的截面設計和既有構件的承載力計算，這往往需要學生對結構破壞狀態有更加形象直觀的認識。

1.3 實驗方案

《混凝土結構設計原理》的主要內容中實踐性較強的部分包括受彎破壞過程，受剪破壞過程和受壓破壞過程等，其中受壓破壞中軸心受壓破壞比較簡單易懂，破壞過程變化較少，破壞形態較為單一，本課程的教學大綱中的實驗內容并沒有體現，但受力過程相對比較復雜的受彎構件正截面破壞、受彎構件斜截面破壞和偏心受力構件實驗都寫進了實驗教學大綱，安排在理論學時之后，要求同學們在理論學習過程中就根據實驗的既有條件開始逐步設計混凝土構件的尺寸和配筋，且分成N個人數不大 于15人的小組參加必做的實驗項目，進而驗證理論計算和實驗破壞數據之間的關系，找出影響鋼筋混凝土梁柱構件承載力的關鍵因素以及在時間軸上各項力學指標的變化關系。

2 實驗內容

2.1 應變片的黏貼

應變電測法是工程中用于測量構件或結構在靜、動載荷作用下產生應變量大小的一種重要測試方法。此方法技術成熟可靠，測量時，將應變片用專用膠水牢固地粘貼在研究對象表面，組成橋路，反映測點的應變量大小。應變片種類繁多、形式多樣，但基本構造大體相同，如圖1所示，1號標所指的位置是基底，2號標所指的位置是應變片電阻絲，3號標所指位置是引線。

圖1 電阻應變片的基本結構

在應變片進入真正的工作之前應對應變片的外觀進行檢查，仔細觀察應變片的基底處的覆蓋層是否脫落破損；敏感柵是否平直、排列整齊、無銹斑、無霉點、無氣泡及引出線焊接是否牢固。為了使應變片牢固地粘貼在混凝土構件表面，需要在表面處用粗砂紙打磨，去除表面氧化層和各類污漬直至其平整光滑。應變片的黏貼要保證對應在混凝土構件表面或鋼筋表面的測點上以保證數據的準確合理，并要檢查是否貼牢以防止應變片在實驗過程中脫落或脫離導致數據失效。操作上要在構件上劃定粘貼部位，用膠水將應變片底部和構件表面相粘結。導線一端與應變片的引出線相連線，另一端與電阻應變儀相連接。使用放大鏡查看應變片底部粘接處是否有氣泡，是否有造成短路、斷路等情況。

2.2 受彎構件破壞實驗

受彎構件包括正截面和斜截面破壞兩種形態，實驗目的是了解適筋梁受彎破壞的受力過程和破壞模式；掌握混凝土構件在加載過程中出現的變形和裂縫等現象的描述和記錄；學會利用數據分析實驗過程中的現象，尤其是與理論預期有較大偏差的現象時能發現其中原因；對數據進行相關處理后形成文字進而撰寫實驗報告，加深對混凝土結構適筋梁受彎性能的理解。主要應用的儀器設備包括靜力試驗臺座、反力架、支座與支墩、液壓千斤頂、百分表及磁性表座等，普通鋼筋混凝土適筋梁的具體尺寸配筋如圖2所示。

圖2 適筋梁受彎試驗試件的配筋

混凝土梁的加載位置有很多不同的選擇，以三等分段加載進行說明。整個混凝土梁采取兩端支撐的形式，三等分點加載就需要在梁跨度1/3處和2/3處進行相同力的施加。在加載前應檢查各項儀表安裝是否牢固，讀數是否正常。如果需要預加載過程，則應施加分級荷載的前兩級。分級加載時每次的時間間隔宜為5min。混凝土受彎構件適筋梁在未開裂前，每級荷載不應大于開裂荷載值的20%，開裂以后施加的每級荷載宜保持在其承載力的10%，在加載荷載達到結構受拉鋼筋屈服狀態以后，應適當減慢加載速度，整個過程中觀察混凝土裂縫的開展和構件的變形。

3 實驗課程方案及教學方法改革

3.1 實驗課方案改革

傳統的混凝土結構實驗課方案基本是構件的直接加載，導致多數同學只注重實驗現象本身，并不能通曉整個實驗過程中設計的原理及結論。為了更好的培養學生的實踐能力和創新意識并把實驗實踐環節融入到理論環節之中，學生能在實驗過程中尋找到解決實際問題的方法和手段，對實驗課方案的改革和優化刻不容緩。如果能在實踐過程中充分的體現現階段較高的科研水平和較先進的實驗條件，就更能在學生未來的學習中注重科研的時效性和對先進技術的向往。在實驗項目開始之前保證學生們先收到相關的參考資料，便于學生理解和掌握實驗內容和步驟，頭腦中形成可靠的實驗方法和預計實驗結論。同時在資料中體現學院現有的實驗中涉及到的軟硬件條件。在每屆學生完成實驗項目時要按時編寫相關實驗數字教材，錄制實驗過程視頻資料，并在視頻中詳細地介紹實驗的基本方法、主要過程和實驗結論。要求學生認真閱讀相關往年資料，掌握實驗相關基本知識后再參加實驗，確保在實驗過程中現學現做的情況存在，保證所有學生都能順利地完成實驗。

混凝土結構實驗教學主要由理論課堂中的演示性實驗教學和歷屆錄像實驗教學，實驗室課堂中的結構實驗項目教學、計算機模擬實驗教學等組成。各個實驗過程相互配合，形成實驗提前預習，實驗操作時熟練，試驗后及時處理數據的閉環，同時各個階段相互配合形成一個較好的立體形實驗教學體系。確保在理論教學完成之后能有針對性的對知識進行查漏補缺，尋找理論知識體系中難于理解的部分，在實驗預做報告中提出相關問題并及時尋找解決辦法，理論知識體系中的各部分內容可適當的進行模塊化處理，各部分靈活的體現在實驗課教學之中。實驗課過程教學一般安排在理論教學之后進行，實驗內容除了固有的比較重要的項目之外還應該靈活布置創新性實驗及綜合性實驗。整個實驗過程采取循序漸進，層層深入的原則，首先完成基本實驗教學，像應變片的粘貼，靜態數據采集系統的使用和液壓加載油缸、基本反力裝置的使用；其次要完成綜合性實驗內容，包括適筋梁破壞實驗和應力應變的采集、跨中撓度的數據采集等；最后一個層次需要完成實驗設計，也就是創新型實驗，讓學生提出自己對于實驗的想法和理念并加以實施。基本實驗包括驗證型、演示型實驗，起到驗證理論作用，主要培養學生基本的試驗技能。綜合性試驗是綜合應用幾門課知識進行的試驗，起到深化混凝土結構理論理解的作用，主要服務混凝土結構理論教學。

3.2 教學方法改革

為了能讓學生把既有的知識進行串聯，此次實驗課改革把之前的既有構件的直接加載改變成從構件設計到構件制作直至加載的整個過程。混凝土構件實驗梁的設計都由老師指導學生完成，學生較多的情況需要進行分組，保證每位同學都能獨立完成實驗模型設計，并再組合各自的設計并分析對比構件設計的合理性，包括混凝土配合比設計、超筋梁、適筋梁和少筋梁的配筋設計、構件的幾何尺寸選取，從眾多方案中選出最合理且可實施的設計方案，最終優化得到實驗模型方案。

實驗構件的制作環節依然要有學生的參與，模板的支撐，鋼筋的下料和綁扎形成鋼筋籠，混凝土的攪拌和澆筑，學院實驗室提供合理的養護條件并完成養護，最終在成型的混凝土構件上粘貼應變片并完成2種梁和1種柱的破壞實驗。從整個混凝土結構的設計、制造，實施及數據處理環節來看，整個實驗周期較長，涉及的老師、學生和必要的非師生參與者都很多，資金的使用量也比較大，但能確保每個學生都參與到實驗的全過程中來，這就解決了實驗教學中由于人數過多導致的部分實驗項目被忽略的弊端。但由于設備不足，在試驗設計之后的模型制作過程委托廠家加工制作以備試驗之用。在實驗過程中先由老師講解指導，學生再分組操作

混凝土試驗以往因條件限制，往往停留在演示性實驗和視頻實驗的階段，真正實驗實施的過程會被一帶而過，或者學生對實驗項目不熟悉導致實驗過程缺失。所以課程之間形成聯動機制也顯得很有必要。由于大二學生在實驗設備、儀器操作上還未經過培訓，本次實驗結合了大三的“混凝土結構試驗”課程和大二的“工程結構試驗”課程，組成一個綜合實驗小組，由大三學生操作儀器儀表，大二學生負責記錄測度數據，觀察記錄實驗過程，描述試驗現象與破壞特征，對破壞后的試件進行混凝土裂縫寬度檢測。在實驗過程中應明確人員分工和任務，以培養學生的團結協作能力，實驗現場見圖3。

在綜合性的創新試驗中，老師不再是實驗的“主人”，而變成實驗的“參謀”。學生作為實驗的主人，在鋼筋混凝土結構承載力試驗中，根據試驗目的并結合實驗室的條件進行試驗設計和論證，經其他老師審核后進行現場試驗。主要包括選擇適當的加載設備、量測儀器、加載模型，制定可行性高的試驗方案，并針對試驗方案中可能出現的意外及時采取措施。

圖3 混凝土結構實驗現場圖

3.3 考核方式改革

考核方案的確立可以說明整個實驗在課程體系中的地位，以往的實驗教學在完成后只是被當作是理論課延伸的一部分，與作業有類似的地位。本次實驗課程考核方案的改革主要有兩個方面：首先確立實驗教學的地位，在《混凝土結構設計原理》課程中把實驗環節的考核單獨操作，學生在未完成或實驗環節未達到及格分的情況下，理論課也不能給出及格或以上的分數，這能讓同學們對實驗環節充分的重視起來；然后要對每位同學進行實驗操作和后期數據處理兩個環節的單獨考核，保證在實驗考核過程中的公平性，從而防止學生由于實驗人數較多有蒙混過關的想法。

4 結語

近幾年完成了《混凝土結構設計原理》的教學方法研究，把實驗納入課程考核之內并單獨計算考核分數，能使學生在汲取理論知識的同時更形象的體會工程實踐與實驗的整個過程，最后達到的學習效果有著十分明顯的提升，學生對于結構設計的理解更加透徹。針對實驗課的課程方案的完善和授課方法的改革，使得整個混凝土結構設計過程更加完整，知識體系更加全面。