“混凝土結構設計原理”實驗教學的改革探討與實踐

魏明強 魏相君 高忠虎

摘?要：“混凝土結構設計原理”這門課程不但在土木工程專業中屬于理論性與實踐性都很強的專業課程，同時該課程所對應的實驗也是土木工程專業最為綜合與復雜的實驗。在新的《高等學校土木工程本科指導性專業規范》的指導下該實驗得到進一步的加強，這與學校現有的實驗軟硬件條件產生了矛盾，本文提出了一種新的實驗方法以及結構設計原理實驗課的綜合化設計理論，能很好地解決了這一矛盾，使學生通過實驗真正理解并掌握了混凝土結構的原理與設計方法，為學生將來從事工程建設打下堅實的基礎。

關鍵詞：混凝土結構實驗；綜合化設計；教學改革；加載裝置

Discussion?and?Practice?on?Experimental?Teaching?Reform

of?Concrete?Structure?Design?Principle

Wei?Mingqiang?Wei?Xiangjun?Gao?Zhonghu

School?of?Civil?Engineering，Northwest?University?for?Nationalities?GansuLanzhou?730030

Abstract：Concrete?Structure?Design?Principle?is?a?professional?course?with?intensive?theory?and?practice.The?corresponding?experiment?of?this?course?is?also?the?most?comprehensive?and?complex?experiment?of?civil?engineering.Under?the?guidance?of?the?new?guiding?professional?code?for?civil?engineering?undergraduates?in?Colleges?and?universities，this?experiment?has?been?further?strengthened，which?conflicts?with?the?existing?experimental?software?and?hardware?conditions?of?the?University.This?paper?creatively?puts?forward?new?experimental?methods?and?the?comprehensive?design?theory?of?structural?design?principle?experiment，which?solves?this?contradiction?well，makes?students?truly?understand?and?master?the?principles?and?designs?method?of?concrete?structure?through?experiments，and?lays?a?solid?foundation?for?students?to?engage?in?engineering?construction?in?the?future.

Keywords：concrete?structure?experiment；integrated?design；reform?in?education；loading?device

土木工程本科專業涉及的“混凝土結構設計原理”是一門理論性與實踐性都很強的專業課程，理論公式多且課程內容豐富，與其他專業基礎課和專業課聯系緊密，是一門信息量及教學難度均較大的課程。其中的課程實驗包含的學時在《高等學校土木工程本科指導性專業規范》中推薦較少，因此在實際教學工作中無疑將面臨實驗教學內容多、授課學時少的矛盾。如何合理結合本校教學實際來組織實驗教學，根據該課程的實驗教學目的和任務，依據《高等學校土木工程本科指導性專業規范》，對“混凝土結構設計原理”實驗教學進行改革，以“重基礎、強實踐”為原則，優化并整合實驗教學內容，減少驗證性以及演示性實驗，增加綜合性與設計性環節［1］。讓學生從被動參向主動參與進行轉變，使學生在規定的課時內理解并掌握本課程實驗具有一定的現實意義［1］。

本文將從該課程實驗教學中遇到的問題、教學方法、內容和手段等方面進行探索。首先，完善鋼筋混凝土實驗教學綜合加載裝置配置，根據實際情況，研究一套集加載、數據采集為一體，便于實驗過程中及時進行數據采集和分析的實驗裝置；其次，提出土木工程專業綜合實驗的思路，對土木工程專業實驗進行整合；最后，輔以線上線下相結合的實驗方法，最終形成該課程的實驗教學改革，對提高本課程的實踐教學提供幫助。

1?“混凝土結構設計原理”實驗所面臨的難點

1.1?實驗內容繁復且實驗學時較少

“混凝土結構設計原理”的課程實驗是土木工程專業最為復雜且大型的實驗［2］。本課程實驗所涉及的理論知識非常廣泛，“混凝土結構設計原理”的實驗課程是在掌握高等數學、土木工程材料、力學等相關先導課程為前提的基礎上從而進行開展實驗的，實驗內容多而雜，且與工程實踐聯系緊密［3］。實驗分為鋼筋混凝土梁正截面破壞實驗與鋼筋混凝土梁斜截面破壞實驗，其中鋼筋混凝土梁正截面破壞實驗又包括適筋梁、超筋梁與少筋梁三種破壞實驗，而鋼筋混凝土梁斜截面破壞實驗又包括斜壓破壞、斜拉破壞與剪壓破壞三種破壞實驗。而每一種破壞實驗的周期都很長，且“混凝土結構設計原理”實驗的構件準備工作還包括鋼筋的下料、混凝土的配合比設計、鋼筋籠的綁扎、應變片的粘貼、支模、混凝土的澆注以及試件的養護等，再加上實驗前加載裝置和測試裝置的準備和安裝，全部完成整個實驗的周期較長。而《高等學校土木工程本科指導性專業規范》推薦學時較少，只有8個課時，在如此少的學時下很難按常規實驗思路來完成上述實驗。

1.2?實驗設備以及實驗場地的限制

“混凝土結構設計原理”的實驗最初是按照演示實驗的思路配備實驗設備以及實驗場地，但《高等學校土木工程本科指導性專業規范》要求實驗從演示實驗轉變為學生動手的實驗，并且對實驗分組人數進行了限定，要求不超過4人/組，這使現有的設備以及場地都無法滿足規范的要求，并且隨著學生規模的不斷擴大和科研試驗的快速發展，這種矛盾日益增加。目前西北民族大學土木工程學院的加載設備僅有四組，加載方式為千斤頂+反力架的聯合加載模式，其中由于室內場地限制，故這四組設備被放置在原位實驗室即露天放置，而露天放置導致設備極易損壞且維修成本較高，基本每次實驗時有一半設備不能正常工作，而目前每屆招生人數在200人左右，要按照4人/組的原則完成規范里規定的實驗基本不可能。

1.3?實驗的高成本

由于“混凝土結構設計原理”的實驗屬于破壞實驗，即實驗的構件不能重復使用，而按照規范要求完成實驗，則平均每人需要破壞掉1.25根實驗梁，每屆按200人計算則需消耗實驗梁250根，其中每根實驗梁如果從外界采購則需0.1萬元左右，那么每年實驗耗材就需要25萬元，這里面還不包括前期實驗設備的采買及維護，故而該實驗消耗大、成本高且操作復雜，故很難開展大批量的現場實驗。

2?“混凝土結構設計原理”實驗課程的教學改革

面對上述在實驗中遇到的困難與問題，本文著重從實驗的方法、思路以及對土木工程實驗進行綜合設計等方面進行考慮。

2.1?改良鋼筋混凝土實驗教學綜合加載裝置

鋼筋混凝土實驗教學在很大程度依賴于實驗裝置，現有的實驗設備提供的實驗荷載僅為靜荷載且不穩定，不穩定的荷載在數據還未采集完成時已經發生了變化導致實驗數據的不準確，并且結構實驗室原有的實驗裝置功能單一，數量較少，且與其他實驗聯合實驗的可擴展性差，無法滿足“混凝土結構設計原理”課程實驗教學的硬件要求，根據實際情況，作者自己研發了一套杠桿式的鋼筋混凝土實驗教學綜合加載裝置并申請了國家專利（專利名稱：一種鋼筋混凝土適筋梁正截面實驗裝置，專利號：CN202022303256.3），該加載裝置力的傳導方式簡單，實驗裝置不僅能提供靜荷載，而且能提供動荷載，還可將靜荷載與動荷載進行同時施加，實現動荷載與靜荷載的耦合。并且本專利的實驗裝置通過杠桿原理施加荷載，使荷載的施加更為簡便且提供穩定的荷載，故本專利的實驗裝置更加接近于工程實際，同時實驗原理簡單且易于操作，故易于在教學中推廣。

高等學校土木工程學科專業指導委員會對土木工程專業本科教學提出了指導性專業規范，在該規范中明確要求加強鋼筋混凝土適筋梁正截面實驗。該實驗在實驗過程中主要有力的施加與變形的測量這兩大塊，其中現有實驗裝置中力的施加中主要由千斤頂完成，而千斤頂在施加力之后，由于實驗梁的撓曲變形導致千斤頂所施加的荷載不穩定，其次千斤頂在施加荷載時只能施加靜荷載，這與現實中鋼筋混凝土梁既受恒載又受活載的現狀不符，不能完成實驗的要求。而本專利所設計的實驗裝置則能很好地解決上述問題，既可以施加穩定的荷載，又可以同時施加動荷載與靜荷載，使鋼筋混凝土適筋梁正截面實驗與實際工程更加貼合，達到教學要求。本鋼筋混凝土適筋梁正截面實驗裝置簡圖如下圖所示：

鋼筋混凝土適筋梁正截面實驗裝置圖

本裝置主要包括實驗梁、荷載分配梁、加載裝置、位移讀取裝置。實驗梁為鋼筋混凝土適筋梁，加載裝置主要包括加力架、動砝碼、靜砝碼以及電動機，位移讀取裝置為百分表。加力架采用杠桿原理，從而可以加載較大的荷載且荷載穩定。

該裝置具體實驗使用方法為：

（1）按照上圖的方式布置鋼筋混凝土適筋梁1、荷載分配梁2、位移計4以及杠桿加載系統。

（2）根據梁的極限荷載分級施加各級垂直壓力，垂直壓力中靜荷載由靜砝碼8提供，動荷載由電動機9與動砝碼10提供，電動機9可控制動荷載的頻率，動砝碼10可控制動荷載的大小。一切安裝好之后可對實驗梁施加耦合且穩定的動、靜荷載。

（3）讀取位移計4以及動靜荷載值并記錄，觀察梁受理破壞過程以及裂縫的發展。

本發明形式簡單，傳力明確，易于操作，且施加的動、靜荷載不會因實驗梁發生撓曲變形而產生變化，所施加荷載穩定可靠，能夠滿足實驗需要。

2.2?“混凝土結構設計原理”實驗的綜合化設計

“混凝土結構設計原理”實驗內容不僅僅包含該課程的實驗內容，同時涵蓋了土木工程其他專業課程的一些實驗。在混凝土構件澆筑制作階段，該課程的實驗就包含了“土木工程材料”中關于混凝土配合比等相關實驗；在混凝土構件鋼筋綁扎與支模版階段，該課程的實驗就包含了“土木工程施工實習”中現場施工實習所要學習的內容；在構件的加載階段，該課程的實驗就包含了“結構實驗”中關于加載、應變片的原理及粘貼、位移計的安裝、應變采集原理以及數據采集等一系列實驗；在混凝土構件線上虛擬分析階段，該課程的實驗就包含了“有限元”中數值模擬的基本原理以及應用。而上述課程有些開設在“混凝土結構設計原理”的實驗課之前，有些則開設在“混凝土結構設計原理”的實驗課之后，導致學生在沒有掌握相關知識時便開設“混凝土結構設計原理”的實驗課，使得老師講解相關知識比較費勁，學生學習起來也比較困難。同時“混凝土結構設計原理”的實驗包含了其他一些實驗課的相關內容，這造成了學生對相關實驗的重復學習，產生財力、人力、物力的浪費。

針對上述問題本文提出對結構設計原理實驗的綜合化設計，即將“結構設計原理實驗”“土木工程材料”“土木工程施工實習”“結構實驗”“有限元”等課程實驗結合起來，形成一門綜合性的大實驗，避免了結構設計原理實驗中實驗課程重復開展、相關實驗課程開展的先后順序錯亂等問題，緩解了結構設計原理實驗課時不夠的困難。具體操作為在大一、大二學習“土木工程材料”與“土木工程施工實習”課程時完成結構設計原理實驗中混凝土構件的制作，在大三學習“結構實驗”與“有限元”課程時完成結構設計原理實驗中混凝土構件的傳感器鋪設與數據的采集，以及虛擬仿真計算，最后在“結構設計原理實驗”中進行加載并分析構件破壞形態，從而完美地完成了“結構設計原理實驗”的課程目標，并解決了以前遇到的相關問題。

2.3?線上線下虛擬仿真結合

“混凝土結構設計原理”的實驗具有破壞性強、耗費高、安全系數低等特點，查閱網上資料目前還沒有一個高校對本科生開放了所有構件的破壞實驗，但目前數值仿真技術的應用日益成熟，有多款軟件已在全球大范圍應用，如有限元分析軟件ANSYS、ABQUAS等，其仿真計算結果也得到業內學者的認可，故我們完全可以將結構設計原理部分構件的破壞實驗進行線上的虛擬仿真［4］。借助于線上虛擬仿真實驗，可以極大地拓寬了實體實驗的對象，彌補線下實驗的不足，線上線下相結合后可覆蓋所有的知識點。同時，通過線下虛擬仿真實驗，可以改變以往被動參與實驗過程的狀況，每個學生可以自己動手設計實驗的各個環節，掌控實驗的每一個步驟。在線上虛擬仿真實驗的過程中，可以實時監控并處理實驗數據，繪制相應的力與變形曲線，讓學生對實驗構件的受力機理及相關理論知識有了直觀且深入的理解。此外，學生在完成教學要求的實驗外，還可以根據自己的想法增加其他的實驗工況，開拓思維，提高認知水平，培養科研創新能力［5］。

3?結論

本文針對在土木工程專業“混凝土結構設計原理”的實驗遇到的課程開設順序不符合客觀學習規律、課時較少難以完成所以實驗、實驗周期長成本高等問題，提出了新的實驗加載方案，凝練出了“混凝土結構設計原理”的綜合化設計思路，補充了線上虛擬仿真的實驗方法，解決了教學活動中所出現的問題，使學生真正理解并掌握混凝土結構的原理與設計方法，采取了更靈活的方式，培養了學生分析問題和解決問題的能力，為學生將來從事工程建設打下堅實的基礎。

參考文獻：

［1］許英，汪宏，張益多，等.混凝土結構設計原理教學方法與教學手段探討［J］.高等建筑教育，2008（03）：8891.

［2］郭恒寧，賀志啟，劉艷，等.土木工程實驗教學的虛擬仿真平臺設計［J］.實驗技術與管理，2019，36（03）：143145.

［3］夏紅春.混凝土結構設計原理課程教學改革與實踐［J］.高等建筑教育，2019，28（01）：8387.

［4］宋巖.基于卓越工程師計劃的“混凝土結構設計原理”課程教學改革［J］.蘭州教育學院學報，2013，29（12）：8384+87.

［5］韓林海，牟廷敏，王法承，等.鋼管混凝土混合結構設計原理及其在橋梁工程中的應用［J］.土木工程學報，2020，53（05）：124.

基金項目：西北民族大學教育教學改革研究一般項目（2020YBJG59）；中央高校基本科研業務費專項資金（31920210079）

作者簡介：魏明強（1982—?），男，漢族，甘肅人，碩士，西北民族大學土木工程學院副教授，研究方向：巖土與地下工程。