融合式教育视角下的结构模型实验教学剖析

胡成秋, 肖珍珍, 杨宝全, 张　林

(四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室, 水利水电学院, 四川 成都　610065)



融合式教育视角下的结构模型实验教学剖析

胡成秋, 肖珍珍, 杨宝全, 张林

(四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室, 水利水电学院, 四川 成都610065)

“水工建筑物”是水利水电工程专业本科生的一门专业课程,学生从中学习重力坝的相关理论知识,并采用材料力学法对坝体应力进行计算分析。为了培养学生的实践能力和科研能力,基于多学科交叉以及理论与实践结合的融合式教育方式,引入结构模型实验教学,让学生动手对某典型重力坝的应变进行测试,并计算坝体应力,同时引导学生对材料力学法的计算结果与模型试验成果进行对比分析。该实验课程能激发学生的研究兴趣,并促进其多学科交叉思考,提升其自主学习和分析问题等综合素质。

融合式教育； 理论与实验； 结构模型试验

随着我国高等教育的迅猛发展,我国人才战略中教育体系主线,已从传统的灌输式教育跨越为综合素质的融合式教育培养[1]。结构模型试验是对水工建筑物进行应力分析的常用方法之一,通常将理论计算和模型试验相互验证、互为补充,以验证成果的合理性[2]。针对本科生课程“水工建筑物”引入结构模型实验教学,是教学方法上的改进。本文以教学方法现代化的必然趋势——融合式教育为原则,探讨结构模型实验教学,通过对重力坝实例的应力分析,引导学生进行理论知识联系实践的学习,倡导多学科交叉思考与自主学习和分析实际问题,从而提升综合素质,突显出多学科交叉以及理论结合实际的融合式教育的意义与重要性。

1　理论与试验融合式教学

1.1融合式教育

人才培养、科学研究和社会服务是大学的主要职能,其中人才培养是大学最根本、最重要的职能[3]。专家指出,世界各国的教育经历了3次变化[4]：灌输式教育—园丁式教育—融合式教育。其中,灌输式教育旨在传授知识,园丁式教育旨在鼓励学生自由发展,但仍存在分科过多、各科缺乏整体性等诸多弊端。20世纪末,世界各国提出和实验融合的融合式教育[4]。

社会需要综合型创新人才[5]。与实验结合的融合式教育兼顾了理论与实践,以提高学生的整体素质为目标,强调各个学科的融合[6]。放眼展望,融合式教育已成为教学方法现代化的必然趋势。

1.2结构应力分析的理论与实验融合教学

水工大坝结构的设计[7]要满足安全、经济、适用三大原则,其中安全占首位。目前实际工程中往往通过理论、科学与工程计算、试验3种科学研究手段对水工大坝结构在正常工作状态下的结构性态进行研究,分析其在设计荷载作用下的应力和变形状态,评价其安全性[8]。水利水电工程专业学生在学习“水工建筑物”这门专业课程时,主要通过理论方法分析水工结构的应力状态,如采用材料力学法对重力坝的坝体应力进行计算分析,但缺乏其他方法的学习和实践,特别缺乏有针对性地对理论方法的结果进行分析。

结构模型试验[9]是水工建筑物应力分析常用方法之一,特别是一些较大型并且复杂的结构形式,若同时边界条件也复杂,则采用理论计算方法难以解决,但是可以通过结构模型试验获得较为满意的结果,而且理论计算和模型试验可以相互验证、互为补充。它主要是确定在外荷载作用下,水工建筑物表面和内部的应力及位移分布状态。本文基于多学科交叉以及理论与实践结合的融合式教育方式,引入结构模型实验教学,让学生动手对某典型重力坝的应变进行测试,并计算坝体应力,同时引导学生对材料力学法的计算结果与模型试验成果进行对比分析。

2　实例分析

本文以水工建筑物中较常见的挡水建筑物重力坝为研究对象,开展某典型重力坝结构模型试验,使学生参与整个试验过程,并要求对试验成果进行应力分析。此外,为了引导学生将理论联系实践,学会多学科交叉思考与自主学习和分析问题,鼓励学生利用已学材料力学法再次分析应力,并与结构模型试验成果对比并分析。以融合式教育视角探析实验教学的多元素,提高学生综合素质。本文列出2种方法分析过程及成果对比以供参考。

2.1工程概况

研究对象取某水电站枢纽的非溢流重力坝段,坝高72m,坝顶宽8m,坝底宽60m,上游边坡系数n = 0,下游边坡系数m = 0.84。坝基面高程470.00m,坝上游设计水位540.00m,坝下游无水。坝体材料为混凝土,容重γp= 2.40t/m3,弹性模量为18.0GPa,泊松比为0.2,地基的弹模为20.0GPa,泊松比为0.2,容重γp= 2.60t/m3。坝体混凝土材料的容许抗压强度为5MPa,容许抗拉强度为0.65MPa。

2.2结构模型试验

2.2.1模型制作与量测

应力结构模型按照相似原理进行制作,其要求模型材料为线弹性材料,试验选择工程试验中常用的石膏材料,先浇筑预制块,再将干燥的预制块按照模型设计要求雕刻成形。制作模型时,先制作坝基,再将坝体粘接在坝基上面。

试验重点考虑坝的自重和水压,在计算出原型的荷载后,根据相似原理换算出模型所受的水压和自重。使用“千斤顶加荷法”加载模拟水压,油压千斤顶用WY-300/V型五通道自控油压稳压装置供压。在坝基处等间距布置1、2、3、4、5个应变测点,每个测点粘接3片直角应变花,采用万能数值测试装置(UCAM-70AL)测量应变,在坝体下游面上的水平和竖直方向共布置3个测点安装6个变位计,使用SP-10A位移数显仪测试坝体变位。其布置如图1所示。

图1　试验模型图

2.2.2试验过程和结果

加油压对模型进行预压之后,加载至1倍正常水荷载,测试应变和位移数据,测试2次,计算时进行加权平均,以消除误差。

根据结构模型试验的相似原理,试验获得每个测点x方向(即0°方向)、y方向(即90°方向)和45°方向的应变之后,采用以下公式进行应力计算[10]：

x方向应力：

y方向应力：

剪应力：

主应力：

式中：σx、σy分别为测试x方向(即0°方向)和y方向(即90°方向)的应力，E、μ为模型坝体的变形模型和泊松比，ε0、ε90和ε45分别为测点x方向(即0°方向)、y方向(即90°方向)和45°方向的应变，τxy为测试剪应力、σ1,2为测点的第一和第二主应力，α第一主应力与 x轴或y轴的夹角，逆时针为正，顺时针为负。

通过计算获得模型坝体的应力，并根据相似关系换算成原型坝体对应部位的应力，该坝段的主应力分布如图2所示。图中压应力为负值，拉应力为正值。

图2　坝基面主应力图(模型试验成果)

2.3材料力学法

本次计算取单位宽度(b=1.0m)作为计算单元,只考虑正常蓄水位情况下自重、静水压力、扬压力这3个基本荷载的组合情况[11]。应力计算先用偏心受压公式计算水平截面上的正应力σy,再利用平衡条件求出截面上边缘和内部各点的应力分量τ和σx,求出任意点的3个应力分量σx、σy和τ以后,即可计算该点的主应力和第一主应力的方向α。由以上的计算同样可绘制坝基面各特征点的主应力分布图,如图3所示。图中压应力为正值,拉应力为负值。

图3　坝基面主应力图(材料力学法计算成果)

2.4两种方法成果对比

将2种方法获得的典型重力坝坝基面的应力成果进行对比分析,主应力对比表如表1所示。表中拉应力为负值、压应力为正值。

表1　两种方法坝基面各特征点主应力成果对比表

由表1可知,对于第一主应力来讲,两者的结果均符合常规,即在正常荷载作用下,坝体均呈现出坝踵小压应力、坝趾最大压应力的状态,材料力学法和模型试验计算的结果规律基本一致,表明用模型试验的方法来研究大坝的结构性态是可行的,特别对于高坝,更是不可缺少的手段。当然两者在数值上存在一定的差异,模型试验所得到的应力值相对较大,这主要与模型中自重的加载有一定关系。由于石膏材料无法满足自重相似,需要用千斤顶加自重,这种用面力代替体积力的办法引起了一定的误差。

另外由获得的主应力还可以判断该坝段的强度是否满足要求[12]。由规范中的强度指标可知：当坝基计入扬压力时,坝体中的应力值均应为压应力,即σ≥0,在不计入扬压力时,坝体中的应力σ≥0.25γh(式中γ为水的容重,单位为KN/m3；h为计算点的静水头,单位为m)；坝体下游面的最大主压应力,不得大于混凝土的容许压应力；在施工期坝内主压应力不得大于混凝土的容许压应力,在坝的下游面可以有不大于0.2MPa的主拉应力。混凝土的容许压应力根据其极限强度及相应的安全系数确定,本工程中取为5MPa。

由主应力图(见图2、图3)可以看出,在坝趾处压应力水平较高,出现了应力集中但其应力均小于混凝土的抗压强度,满足设计要求。

3　结论

将结构模型试验引入本科教学课程中,使学生能深入、直观地了解模型测试技术,以及学会采用试验手段解决工程中的实际问题,巩固所学知识。应用结构模型试验方法、材料力学法进行重力坝的应力分析,培养学生具备一定的模型试验基本理论知识及操作技能,以及分析问题和解决问题的能力。与实验结合的融合式教育,将理论课堂教育升华到实际操作训练的综合培养,可激发学生的研究兴趣,引导学生学会开放思维，进行多学科思考,将理论联系实际,学会分析问题,从本质上理解并进行多方面论证，保证研究的严谨性,培养了学生的综合能力。

在重力坝应力分析方法上,材料力学法和模型试验方法各有自己的特色和不足。材料力学法不考虑地基的影响,与实际情况不符。但多年的工程实践证明,对于中等高度的坝,应用这一方法按规定的指标进行设计可保证工程安全。模型试验由于石膏材料无法满足自重相似,需要用千斤顶加自重,用面力代替体积力会引起一定的误差。2种方法相互验证,互为补充,可以更好地验证成果的合理性,保证工程安全。

References)

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Analysisonstructuralmodelexperimentalteachingunderperspectiveofintegratededucation

HuChengqiu,XiaoZhenzhen,YangBaoquan,ZhangLin

(StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverDevelopmentandProtection,CollegeofWaterResourcesandHydropower,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

TheHydraulicStructuresisoneoftheprofessionalcoursestothewaterresourcesandhydropowerengineeringundergraduates.Thestudentslearntherelevanttheoreticalknowledgeofthegravitydam,andusethematerialmechanicsmethodtoanalyzethedamstress.Inordertocultivatethestudents’practicalabilityandscientificresearchability,thestructuralmodeltestteachingisintroducedbasedonintegratededucationalmodewhichpromotesmultidisciplinaryapproachandcombiningtheorywithpractice.Letthestudentstestthestrainofatypicalgravitydamandcalculatethedamstresspersonally.Guidethestudentstocomparethecalculationresultsofmaterialmechanicsmethodandstructuralmodeltest.Theexperimentalcoursecanstimulatethestudents’interestinstudy,andpromotetheirmultidisciplinarycrossthinking,andimprovetheircomprehensivequalitysuchasautonomouslearningandanalyzingproblems.

integratededucation;theoryandexperiment;structuralmodeltest

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.047

2015- 11- 03

国家自然科学基金资助项目(51379139)

胡成秋(1957—),男,四川自贡,高级实验师,从事水工结构模型试验相关的研究和教学工作

E-mail：271569251@qq.com

杨宝全(1985—),男(白族),云南大理,博士,讲师,从事水利水电工程的教学科研工作.

E-mail：yangbqscu1019@163.com

G642.0

B

1002-4956(2016)5- 0181- 04