問題導向與成果導向相融合的鋼筋混凝土結構設計原理課程教案設計

doi：10.11835/j.issn.1005-2909.2024.02.014

歡迎按以下格式引用：劉月飛，樊學平.問題導向與成果導向相融合的鋼筋混凝土結構設計原理課程教案設計［J］.高等建筑教育，2024，33（2）：104-109.

摘要：綜合考慮鋼筋混凝土結構設計原理課程章節內容較多的問題，進行合理的課程教案設計是目前較好地教授這門課的方法之一。首先，基于問題導向，總結各章節教學內容需要解決的關鍵問題；然后，基于成果導向，以問題導向中的各個關鍵問題為教學成果，開展各個章節的教案設計；最后，將鋼筋混凝土結構設計原理課程中的主要章節內容整理成易于教學的教案，從而提升教師的教學能力和提高學生接受知識的能力。問題導向與成果導向相融合的教案設計方法可為土木工程專業其他相關課程的教案設計提供參考。

關鍵詞：問題導向；成果導向；鋼筋混凝土結構設計原理；教案設計

中圖分類號：G642.0；TU375 """""文獻標志碼：A """""文章編號：1005-2909（2024）02-0104-06

一、問題導向與成果導向的基本概念與關系

所謂成果導向，就是要求得到有形或無形的輸出物；所謂問題導向，就是要求以成果導向為目標，發現、研究以及解決可能遇到的問題。堅持成果導向，實質上就是要求不忘既定成果，始終堅持向預計的輸出物（成果）努力奮斗。堅持問題導向，要以成果導向為依據，實質上是一個及時發現問題、科學分析問題、著力解決問題的過程，這正是馬克思主義方法論的優良傳統和鮮明特征。

鋼筋混凝土結構設計原理課程以理論力學、材料力學、彈塑性力學、結構力學、概率論與數理統計及土木工程材料等基礎課程理論為基礎，綜合利用力學基本理論、結構設計基本知識和方法，通過建立合理的力學模型進行詳細準確的計算分析，完成對結構體系和構件的設計并通過圖紙表現出來。該課程是后續專業課程的基礎^［1-7］。將成果導向和問題導向融合起來進行鋼筋混凝土結構設計原理課程的教案設計，其基本思路為：各章節首先以預計達到的總教學目標為成果導向；接著以成果導向為依據，以預計遇到的教學問題為問題導向；然后又以各個教學問題為成果導向，逐一解決；最后達到各章節教學方案的合理設計。流程如圖1所示。

結合圖1，重點分析受彎矩形截面梁正截面承載能力計算、受彎構件（矩形截面）斜截面承載能力計算和受扭構件（矩形截面）承載能力計算三部分的教案設計。

二、受彎矩形截面梁正截面承載能力計算的教案設計思路

受彎矩形截面梁正截面承載能力計算的成果導向為根據已知截面彎矩設計值M，計算縱向受力鋼筋的面積?？赡苡龅降膯栴}導向包括：（1）通過試驗現象詳細了解正截面受彎構件極限狀態的破壞特征；（2）基于極限狀態破壞特征的矩形截面梁受彎承載能力簡化計算方法。

（一）"受彎矩形截面梁正截面極限破壞狀態特征

通過試驗現象，如圖2所示^［1］，結合材料力學中的應力和主應力分析方法，可以得到適筋梁、超筋梁及少筋梁的極限破壞特征。（a）適筋梁的極限破壞特征：受拉鋼筋屈服和受壓邊緣混凝土壓碎，整個梁發生延性破壞，因而它的極限狀態由鋼筋的屈服強度和混凝土的抗壓強度決定；（b）超筋梁的極限破壞特征：受拉鋼筋不屈服，但受壓邊緣混凝土壓碎，整個梁發生脆性破壞，因而它的極限狀態由混凝土的抗壓強度決定；（c）少筋梁的極限破壞特征：受拉邊緣混凝土，一旦開裂，鋼筋較快屈服，整個梁發生瞬間脆性破壞，因而它的破壞由混凝土抗拉強度決定。

（二）"基于極限狀態破壞特征的矩形截面梁承載能力簡化計算思路

本部分內容主要針對適筋梁展開分析?；跇O限狀態破壞特征進行矩形截面梁的承載能力計算需要深入理解和解決以下關鍵問題：（1）影響正截面受彎承載能力的各因素之間是相互獨立的；（2）梁在彎矩作用下產生豎向裂縫，主要原因是截面只有正應力，因而主拉應力與正應力同向，主壓應力與裂縫同向，均垂直于主拉應力；（3）混凝土和鋼筋兩種材料的力學性能，適筋梁受彎極限狀態受壓區混凝土的壓應力曲線近似于混凝土應力應變曲線的上升段，且受壓邊緣的混凝土達到抗壓強度，受拉區鋼筋達到屈服強度，不考慮混凝土的抗拉強度，主要用于安全儲備；（4）混凝土受彎梁的極限狀態設計方法，尤其是混凝土結構極限狀態的概念；（5）混凝土結構承載能力計算的基本假定，如截面應變的平截面假定要以應變檢測時的標距足夠大為前提，不考慮作為安全儲備的混凝土抗拉強度，混凝土和鋼筋的應力應變本構曲線采用混凝土結構設計規范提供的保守曲線^［8］，為確保極限應變值過大梁的適用性滿足要求，固受拉鋼筋的極限拉應變取0.1；（6）將受壓區混凝土的曲線應力圖等效為矩形應力圖，等效滿足壓應力的大小和作用點不變；（7）按照等效矩形應力圖、鋼筋的應力以及設計彎矩，得到力的平衡方程和彎矩的平衡方程?；趦蓚€平衡方程，可以實現矩形截面受彎適筋梁的配筋計算，計算過程中通過配筋率避免發生少筋破壞和超筋破壞。

融合上述矩形截面受彎梁極限破壞特征和受彎承載能力設計方法得到的教案設計，有利于教師形成較好的教學思路，便于學生掌握相關知識。在教學過程中要注意避免教師傳授知識和學生吸收知識的負杠桿效應，努力使兩者形成正杠桿效應，即：教師傳授知識越多，學生吸收的知識就越多。

三、受彎矩形截面梁斜截面承載能力計算的教案設計思路

受彎矩形截面梁斜截面承載能力計算的教學目的，即成果導向，主要為按受剪計算截面的剪力設計值V，計算確定箍筋和彎起鋼筋的數量。要達到教學目的，可能遇到的問題：（1）通過試驗現象詳細了解受剪矩形截面（無/有腹筋梁）極限破壞狀態；（2）基于極限狀態破壞特征的矩形截面（無/有腹筋）梁受剪承載能力簡化計算思路。

（一）"受剪矩形截面梁（無/有腹筋梁）極限破壞狀態的特征

通過試驗現象，如圖3所示^［1］，結合材料力學中的應力、主應力分析方法和剪力的傳遞機制，包括靠拉力或壓力傳遞剪力的梁機制（截面完好）、靠截面內力臂變化傳遞剪力的拱機制及兩者相融合的剪力傳遞機制，可得到無腹筋梁在斜壓破壞、剪壓破壞和斜拉破壞三種情況下的極限破壞特征。（a）無腹筋梁的斜壓破壞：剪力主要通過拱機制傳遞，因剪跨比較小，拱角（主壓應力角度）較大，則拱作用較大，又因較小的剪跨比使得截面彎矩產生的邊緣正應力較小，剪力產生的中間切應力較大，則斜裂縫會從截面中性軸附近迅速向兩端斜向展開，進而形成較多斜向混凝土柱，剪力傳遞的梁機制迅速消失，最后在斜向壓力的作用下發生混凝土壓碎的現象。可見無腹筋梁斜壓破壞的極限狀態主要取決于混凝土的抗壓強度，且破壞是脆性的。（b）無腹筋梁的剪壓破壞：因剪跨比適中，斜裂縫發展不是迅速完成的，剪力傳遞機制包含梁機制和拱機制，最后剪壓區的混凝土在剪力和壓力的共同作用下壓碎，破壞是脆性的，可見無腹筋梁剪壓破壞的極限狀態主要取決于混凝土復合應力下的剪壓強度。（c）無腹筋梁的斜拉破壞：剪力主要通過梁機制傳遞，因剪跨比較大，拱角（主壓應力角度）較小，則拱作用較小，又因較大的剪跨比使截面的平均正應力遠大于平均切應力，則斜裂縫會從截面底部迅速沿斜向壓力作用線展開，破壞迅速完成，剪力傳遞的拱機制較微弱，可見無腹筋梁斜拉破壞的極限狀態主要取決于受拉區混凝土的抗拉強度，且破壞是脆性的。無腹筋梁的三種破壞中，剪壓破壞的脆性最弱，因而后續的有腹筋梁的設計主要以剪壓破壞的極限狀態為準。

有腹筋梁的剪壓破壞，極限狀態為腹筋屈服，剪壓區混凝土壓碎。因而它的極限狀態主要取決于腹筋的屈服強度和混凝土的抗壓強度。

（二）"基于極限狀態破壞特征的矩形截面梁（無/有腹筋梁）受剪承載能力簡化計算思路

主要針對發生剪壓破壞的無腹筋梁和有腹筋梁受剪承載能力進行分析?；诩魤浩茐牡臉O限狀態破壞特征計算無/有腹筋矩形截面梁的受剪承載能力，需深入理解和解決以下關鍵問題：（1）為了便于分析，假定影響受剪承載能力的各因素之間相互獨立；（2）梁在剪力作用下產生斜裂縫的原因；（3）梁的剪力傳遞機制；（4）斜裂縫產生后，梁中的受力狀況；（5）可提高斜截面受剪承載能力的配筋方法；（6）分析無/有腹筋梁斜截面受剪性能的方法；（7）配筋率對有腹筋梁受剪性能的影響；（8）建立無/有腹筋梁斜截面承載能力計算方法。

上述9個問題的解決，有益于實現無/有腹筋梁受剪承載能力的簡化計算。對于問題（2），考慮截面存在切應力，主拉應力跡線方向為斜向，主壓應力跡線與裂縫同向，均垂直于主拉應力跡線，因而造成斜向裂縫；對于問題（3），考慮梁開裂前后剪力傳遞機制的變化，開裂前主要為依靠截面拉應力或壓應力的變化傳遞剪力的梁機制，開裂后主要為依靠截面內力臂的變化傳遞剪力的拱機制；對于問題（4），考慮到受拉區混凝土開裂后退出工作，使受拉鋼筋應力發生變化，進而造成截面應力狀態的變化；對于問題（5），考慮到腹筋一般沿著主拉應力方向配置，因受施工影響，抗剪鋼筋主要有箍筋和彎起鋼筋兩種腹筋；問題（6）中無腹筋梁的受剪性能主要是利用單因子分析方法，研究剪跨比、混凝土強度、縱筋配筋率、截面形狀以及截面尺寸對無腹筋梁抗剪性能的影響規律，為后續無腹筋梁受剪承載能力的計算提供基礎。有腹筋梁的受剪性能是在無腹筋梁的受剪性能基礎上，添加腹筋的受剪性能；問題（7）主要考慮腹筋在少筋狀況下一般會使有腹筋梁產生斜拉破壞，超筋一般會使有腹筋梁產生斜壓破壞，適筋一般會使有腹筋梁產生剪壓破壞，可見配筋率影響梁的受剪性能；問題（8）中無腹筋梁的受剪承載能力計算公式是在各影響因素相互獨立的情況下保守相乘得出，有腹筋梁的受剪承載能力計算公式是在無腹筋梁的計算公式基礎上添加箍筋和彎起筋的受剪承載能力計算公式得出，在計算過程中，通過控制配筋率和截面尺寸分別防止發生斜拉破壞和斜壓破壞。。

融合上述受剪矩形截面梁極限破壞特征和受剪承載能力設計思路得到的教案，有利于教師形成較好的教學思路，便于學生接納知識，但是在教學過程中注意避免教師傳授知識和學生掌握知識的負杠桿效應，努力使兩者形成正杠桿效應。

四、受扭矩形截面梁承載能力計算的教案設計思路

受扭矩形截面構件斜截面承載能力計算的教學目的，即成果導向，為按受扭計算截面的扭矩設計值T，計算確定受扭箍筋和受扭縱筋的數量。要達到教學目的，可能遇到的問題導向：（1）通過試驗現象詳細了解受扭矩形截面梁（無/有受扭鋼筋）極限破壞狀態；（2）基于極限狀態破壞特征的矩形截面梁（無/有受扭鋼筋）受扭承載能力簡化計算思路。

（一）"受扭矩形截面梁（無/有受扭鋼筋）極限狀態破壞特征

通過素混凝土受扭梁純扭破壞圖，如圖4所示，結合材料力學中的切應力和主應力分析方法，可知素混凝土梁主壓應力跡線為螺旋形，如圖5所示，從而受扭破壞裂縫呈螺旋狀，破壞面為三面受拉、一面受壓^［1］。素混凝土受扭梁的極限破壞狀態主要由混凝土抗拉強度決定。

由圖4和圖5可知，受扭鋼筋最合理的布置方式是按照主拉應力跡線布置，即沿著垂直于螺旋形裂縫的方向布置受扭鋼筋。考慮到施工的影響，采用圖6的受扭鋼筋布置形式較為合理，圖中受扭鋼筋包括受扭箍筋和受扭縱筋。

按照受扭鋼筋配筋率的大小，可得有受扭鋼筋純扭梁的極限狀態破壞，包括少筋破壞、適筋破壞和超筋破壞。其中，少筋破壞的極限狀態為受拉區混凝土受拉破壞，鋼筋拉斷，主要取決于混凝土的抗拉強度；超筋破壞的極限狀態為受壓區混凝土壓碎，鋼筋不屈服，主要取決于混凝土的抗壓強度；適筋破壞的極限狀態是受壓區混凝土壓碎，鋼筋屈服，主要取決于混凝土的抗壓強度和鋼筋的屈服強度。少筋破壞和超筋破壞是脆性的，適筋破壞是延性的，從而受扭梁按適筋梁設計。

（二）"基于極限狀態破壞特征的矩形截面梁受扭承載能力簡化計算思路

本部分主要對基于適筋破壞的矩形截面梁受扭承載能力展開分析?；谶m筋破壞的極限狀態破壞特征進行矩形截面梁無腹筋梁和有腹筋梁兩種狀態的受扭承載能力計算，需深入理解和解決以下關鍵問題：（1）前提假設：影響受扭承載能力的各因素之間相互獨立；（2）鋼筋混凝土梁的受扭承載能力的計算分析；（3）鋼筋混凝土梁的受扭承載能力上限和下限的計算分析；（4）彎剪扭共同作用下，鋼筋混凝土梁的鋼筋配置。

問題（2）考慮到鋼筋混凝土梁的受扭承載能力包括素混凝土梁的受扭承載能力和受扭鋼筋的受扭承載能力兩部分，受扭鋼筋按圖6配置。其中，素混凝土梁的受扭承載能力可基于彈性力學和塑性力學理論近似獲取，鋼筋的受扭承載能力可參考混凝土結構設計規范獲取^［8］；問題（3）鋼筋混凝土梁受扭承載能力上/下限分別指超筋梁和少筋梁的受扭承載能力，一般通過控制配筋率和截面尺寸分別防止發生少筋破壞和超筋破壞；問題（4）分別計算受彎縱筋、受剪箍筋、受扭箍筋及受扭縱筋，并將其疊加，即可實現彎剪扭作用下鋼筋混凝土梁的鋼筋配置。鋼筋混凝土梁的受扭承載能力計算公式是在素混凝土梁的受扭承載能力計算公式基礎上疊加受扭箍筋和受扭縱筋受剪承載能力計算公式得到，并通過控制配筋率和截面尺寸分別防止發生少筋破壞和超筋破壞。

融合上述矩形截面受扭梁極限破壞特征和受扭承載能力設計思路得到的教案設計，有利于教師形成較好的教學思路，便于學生吸收知識。教學過程中需避免教師傳授知識和學生吸收知識的負杠桿效應，努力形成正杠桿效應。

五、結語

鋼筋混凝土結構設計原理課程的教案設計影響教師的教學水平和學生吸收知識的效果。將問題導向和成果導向結合起來，進行課程主要章節的教案設計，給出簡明的教學思路。可提高學生對相關知識的掌握程度，達到教師和學生之間教學相長的正杠桿效應，一定程度上減弱負杠桿效應。本文的教案設計方法以及思路，可為土木工程專業的相關課程提供一定的參考價值。

參考文獻：

［1］"葉列平.混凝土結構-上冊［M］.2版.北京：清華大學出版社，2005.

［2］"許英，汪宏.鋼筋混凝土結構設計原理課程教學探討［J］.高等建筑教育，2010，19（6）：81-83.

［3］"李志強，唐艷娟，夏多田.鋼筋混凝土結構設計原理教學研究I："雙筋矩形截面正截面承載能力計算［J］.教育教學論壇，"2015，14：160-161.

［4］"李志強，唐艷娟，夏多田.鋼筋混凝土結構設計原理教學研究II：T形截面正截面承載力計算［J］.教育教學論壇，"2015 """"""""（12）：192-193.

［5］"薛維培.《鋼筋混凝土結構設計基本原理》課程教學改革探討［J］.教育教學論壇，2019（33）：118-119.

［6］"宋征.道橋專業混凝土結構設計原理課程項目模塊教學探索［J］.高等建筑教育，2017，26（2）：62-65.

［7］"王秋萍，李宏偉.混凝土結構課程的教學方法初探［J］.高等建筑教育，2005，14（1）：59-61.

［8］"中華人民共和國住房和城鄉建設部.混凝土結構設計規范：GB 50010—2010［S］.北京：中國建筑工業出版社，2011.

Teaching plan design based on the fusion of problem orientation and result orientation： taking Reinforced concrete structure design principles course as an example

LIU Yuefei，"FAN Xueping

（School of Civil Engineering and Mechanics， Lanzhou University， Lanzhou 730000， China）

Abstract： There are many chapters and contents in the course of reinforced concrete structure design principles. How to reasonably design the teaching plans has become one of the main problems in well teaching this course. First， based on the problem orientation， the key problems for the teaching contents of each chapter are summarized. Then， based on the result orientation， the teaching results are all the key problems in the problem orientation， and the reasonable teaching plan design of each chapter is carried out. Finally， the main chapters for the course of reinforced concrete structure design principles are sorted into teaching plans which are easy to teach. It is expected that teachers' teaching ability and students' ability to accept knowledge will be improved. The teaching plan design method which combines the problem orientation and the result orientation proposed in this paper will provide reference for the teaching plan design of the other related courses in civil engineering.

Key words： Problem orientation; Result orientation; Reinforced concrete structure design principles; Teaching plan design

（責任編輯""鄧""云）

基金項目：蘭州大學中央高?；鹂蒲袠I務費專項資金資助（lzujbky-2022-43）；蘭州大學混凝土結構設計原理教學改革示范課程建設項目

作者簡介：劉月飛（1982—），女，蘭州大學土木工程與力學學院副教授，主要從事橋梁工程與結構健康監測研究，（E-mail）yfliu@lzu.edu.cn。