Matlab軟件融入混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)的探討
——以鋼筋混凝土柱軸力―彎矩相關(guān)曲線為例

張驚宙，胡 曉，李國強，張 超

（1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院 廣東 廣州 510006；2.同濟大學(xué)土木工程學(xué)院 上海 200092）

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理是高等院校土木工程專業(yè)的主干課程之一。該課程的主要內(nèi)容包括：混凝土結(jié)構(gòu)材料的物理力學(xué)性能、混凝土結(jié)構(gòu)的基本設(shè)計原則、受彎構(gòu)件正截面承載力計算、受彎構(gòu)件斜截面承載力計算、受壓構(gòu)件截面承載力計算、受拉構(gòu)件承載力計算、受扭構(gòu)件承載力計算和梁板結(jié)構(gòu)設(shè)計。在該課程教學(xué)中，如何將枯燥的基本原理和復(fù)雜煩瑣的計算過程傳授給學(xué)生，提高師生互動性和學(xué)生運用知識的能力，是需要特別注意的問題。

Matlab是一款科學(xué)與工程計算軟件，廣泛應(yīng)用于數(shù)學(xué)運算、計算機技術(shù)、圖像信號處理、航天工業(yè)等行業(yè)，是國內(nèi)外高校和研究部門開展科學(xué)研究的重要工具[1]。在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程中，基本構(gòu)件的受力計算、構(gòu)件截面設(shè)計和復(fù)核等都需要手工計算。考慮到該課程中計算公式和過程較多，手工計算過程煩瑣，費時費力且易出錯，運用Matlab軟件能在很大程度上提高學(xué)生的計算效率，通過參數(shù)化分析，也能幫助學(xué)生建立更直接清晰的課程概念和知識體系。因此，本文以鋼筋混凝土柱軸力―彎矩相關(guān)曲線為例，闡述Matlab 軟件在該課程教學(xué)中的應(yīng)用。該方法不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、使學(xué)生更好地掌握了課程內(nèi)容；在編寫程序的過程中，也能在很大程度上提高學(xué)生的思考能力和動手能力。

1 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程的特點及目標(biāo)

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理是土木工程專業(yè)的專業(yè)必修課程，在培養(yǎng)學(xué)生建立土木工程專業(yè)基本知識體系、綜合設(shè)計能力和土木工程實踐能力等方面有重要的地位[2-6]。本課程主要包括混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的計算原理和設(shè)計方法等，包括拉、壓、彎、剪和扭等[7-8]。在基本構(gòu)件承載力的推導(dǎo)過程中，以理論分析為依據(jù)，再引入基于工程實踐或者以試驗結(jié)果為基礎(chǔ)的若干假定[9]。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)具有判斷和評價實際結(jié)構(gòu)中混凝土構(gòu)件所處的主要受力狀態(tài)，并進行材料、截面選擇和配筋設(shè)計的能力，掌握混凝土構(gòu)件的安全性、耐久性、適用性設(shè)計對社會、安全等方面的影響，具備初步的工程分析和設(shè)計能力，為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)、專業(yè)課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計的開展等奠定基礎(chǔ)[10]。

2 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中存在的問題

筆者在開展混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)活動期間，發(fā)現(xiàn)以下三個突出問題[11]：

①計算工作量大。混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程中，涉及正截面受彎承載力計算、斜截面受剪承載力計算、受壓承載力計算、受扭承載力計算等，計算過程煩瑣復(fù)雜。尤其是關(guān)于小偏心受壓構(gòu)件的承載力計算，還需求解高次方程或聯(lián)立求解復(fù)雜方程組。學(xué)生在課后需要花費大量時間和精力完成作業(yè)。這雖然在一定程度上提高了學(xué)生的計算能力，培養(yǎng)了規(guī)范化的解題思路，但這一過程缺乏創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，導(dǎo)致學(xué)生“理論聯(lián)系實際”能力不強，很難“學(xué)以致用”。

②師生互動性差。在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中，教師完全按照教學(xué)大綱開展教學(xué)，教學(xué)過程中無法充分發(fā)揮教師的主觀能動性。教學(xué)活動生硬、枯燥，無法調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和自主性。若當(dāng)堂課內(nèi)容提前講完，剩余時間一般留給學(xué)生計算或答疑，沒有把創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)提前規(guī)劃到教學(xué)活動中。這一問題最終導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)方法固化，甚至有些學(xué)生上課只聽重點或只看計算步驟，課后作業(yè)也是根據(jù)例題“照葫蘆畫瓢”。

③學(xué)生知識遷移能力差。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生精力集中在求解過程及細(xì)節(jié)，對于很多知識點不能做到“知其所以然”。雖然很多學(xué)生掌握了該課程的考核內(nèi)容，在考試中能取得高分，但由于學(xué)習(xí)過程中建立的是“碎片化”知識框架體系，其無法將所學(xué)知識用于實際工程問題的解決，知識遷移能力很差。

3 Matlab 軟件在混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中的應(yīng)用

針對以上混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中的三大問題，引入輔助計算軟件Matlab。使用Matlab 能大幅減少學(xué)生在習(xí)題計算方面投入的精力和時間，也能減少教師上課時大篇幅講解復(fù)雜煩瑣計算過程的環(huán)節(jié)，將更多精力集中于學(xué)生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)，增強師生之間的互動，提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果；同時，學(xué)生對本課程內(nèi)容有了系統(tǒng)深入的掌握后，其知識遷移能力將會有極大的提高。

以下以對稱配筋的混凝土柱在壓力和彎矩共同作用下正截面達到承載力極限狀態(tài)時的N―M 曲線為例，將煩瑣的計算過程通過Matlab 程序?qū)崿F(xiàn)。利用該程序也可以方便地研究不同參數(shù)，如截面尺寸、材料強度等級和配筋率等對柱N―M 曲線的影響規(guī)律。預(yù)先編寫函數(shù)以計算給定軸力下對稱配筋的混凝土柱截面的極限彎矩，再調(diào)用該函數(shù)進行參數(shù)分析并繪制N―M 曲線。

3.1 參數(shù)的輸入

通過本節(jié)課理論知識的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生回顧并思考，要確定截面的極限彎矩需要輸入哪些參數(shù)。在該函數(shù)中，需要輸入的參數(shù)有fc（混凝土強度等級）、fy（鋼筋抗拉強度設(shè)計值）、D（拉區(qū)或壓區(qū)鋼筋直徑）、TN（拉區(qū)或壓區(qū)鋼筋總根數(shù)）、RN（拉區(qū)或壓區(qū)鋼筋排數(shù)）、b（截面寬度）、h（截面高度）、N（軸力設(shè)計值）。該函數(shù)有關(guān)的輸入?yún)?shù)說明如圖1 所示。

3.2 計算截面極限彎矩

參數(shù)輸入后，可計算配筋面積As、截面有效高度h0、和混凝土壓應(yīng)力分布調(diào)整系數(shù)、；然后根據(jù)截面軸力平衡方程，計算相對受壓區(qū)高度；再根據(jù)相對受壓區(qū)高度，區(qū)分大偏心受壓和小偏心受壓；最后根據(jù)力矩平衡方程，求出截面的極限彎矩。Matlab 函數(shù)中大小偏心情況下，截面彎矩的詳細(xì)計算步驟如圖2 所示。

圖2 混凝土柱截面極限彎矩計算過程

3.3 繪制N―M 曲線

為繪制混凝土柱在壓力和彎矩共同作用下截面的N―M 相關(guān)曲線，需要得到對應(yīng)不同軸力設(shè)計值時截面的彎矩承載力。若采用手算將費時費力，且很容易出錯。因此，可以在Matlab 中編寫程序，調(diào)用極限彎矩計算函數(shù)，從而方便地進行參數(shù)分析。除了得到特定截面的N―M 相關(guān)曲線，還可以研究截面配筋率、截面尺寸大小、混凝土強度等級和鋼筋強度等級對N―M 相關(guān)曲線的影響。

3.4 結(jié)果展示

為進一步挖掘混凝土柱大偏壓、小偏壓的深層次知識，把有關(guān)概念講清、講透，將不同參數(shù)影響下柱截面的N―M 相關(guān)曲線匯總。配筋率、截面大小、混凝土強度等級、和鋼筋強度等級對柱N―M 曲線的影響分別如圖3、圖4、圖5（p123）和圖6（p123）所示。這些結(jié)果可以讓學(xué)生對大、小偏壓有進一步認(rèn)識，比如，從圖3 可以看出，當(dāng)軸力相同時，配筋率越大的截面，其彎矩承載力也越大；然而，當(dāng)彎矩相同時，配筋率越大的截面，處于大偏心受壓時，極限軸力越小，而處于小偏心受壓時，極限軸力越大。從圖4 可以看出，柱截面越大，從大偏壓到小偏壓轉(zhuǎn)變的臨界軸力越大。從圖5 可以看出，混凝土強度等級越高，大偏壓到小偏壓轉(zhuǎn)變的臨界軸力越大；且混凝土強度等級對軸力較小時截面的N―M 相關(guān)曲線影響不大。從圖6 可以看出，當(dāng)軸力相同時，鋼筋強度等級越高，其彎矩承載力也越大；然而，當(dāng)彎矩相同時，大偏心受壓時，鋼筋強度等級越高，其彎矩承載力越小；小偏心受壓時，鋼筋強度等級越高，其彎矩承載力越大。通過對以上現(xiàn)象的講解，讓學(xué)生真正感受到在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計結(jié)果不是唯一的，滿足承載力要求的方案有很多種，且此時構(gòu)件的受力狀態(tài)也不是唯一的。

圖3 柱配筋率對N-M 曲線的影響

圖4 柱截面大小對N-M 曲線的影響

圖5 混凝土強度等級對N-M 曲線的影響

圖6 鋼筋強度等級對N-M 曲線的影響

4 總結(jié)

本文將Matlab 軟件應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理課程教學(xué)中，將原本煩瑣復(fù)雜的計算過程通過程序解決。在該教學(xué)過程中，充分調(diào)動了學(xué)生的主觀能動性，提高了課程內(nèi)容的連貫性和整體性。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以更深刻地理解本節(jié)課程的基本概念、計算方法及計算過程。同時，也可以更直觀地感受若干典型參數(shù)，如配筋率、截面尺寸、混凝土強度等級和鋼筋強度等級對柱N―M 相關(guān)曲線的影響規(guī)律。在使用Matlab 編寫程序的過程中，學(xué)生不僅能掌握諸多編程知識，思考能力和動手能力也得到了很大提高。這些知識和能力在以后的課程學(xué)習(xí)和科學(xué)研究中將對學(xué)生產(chǎn)生潛移默化的影響，對我國當(dāng)前核心素養(yǎng)基礎(chǔ)教育理念的貫徹也將起到積極推動作用。