钢筋混凝土受弯实验的教学改革

陈穗茵, 周云开

(华南农业大学， 广东广州 510642)

钢筋混凝土受弯实验的教学改革

陈穗茵, 周云开

(华南农业大学， 广东广州 510642)

文章结合课堂教学，通过对钢筋混凝土简支梁的受弯实验，使理论与实践相结合，使想象与真实联系到一起，从而提高教学效果。实验过程从扎钢筋开始，进一步制作钢筋混凝土简支梁后对其进行受弯实验，同时在实验中获取数据。最后，对数据进行分析，让学生掌握混凝土结构的基本原理和设计方法。

简支梁； 钢筋混凝土梁； 应变片

近年来，大学本科教学趋向实践与理论结合，越来越多的实践教学在大学的课程中体现。而作为土木工程专业非常重要的土木工程结构实验课，是土木工程专业的一门专业技术课程，与材料力学、结构力学、混凝土结构、砌体结构、钢结构、地基基础和桥梁结构等课程直接有关，并涉及物理学、机械与电子测量技术、数理统计分析等内容。有部分研究，通过仿真的实验，期望能从现代科技中，让人无需经过实践，便能获得身临其境的感受[1]。然而，我们仍然希望通过真实的实验学习，旨在让学生获得土木工程结构试验方面的基础知识和基本技能，掌握一般工程结构试验、工程检测和鉴定的方法，以及根据试验结果作出正确的分析和结论的能力。钢筋混凝土课程，与之配套的钢筋混凝土实验也应从演示性实验向学生自行动手制作的操作性实验转变[2]。

本文主要介绍钢筋混凝土简支梁受弯实验中，教师对制作、操作及数据处理的指导，学生在操作过程中遇到的困难及解决方案[3]。

1 理论指导

在实验梁制作前，教师对学生进行理论知识的辅导，期望在制作过程中，能以感性认识结合书本的理论知识，对钢筋混凝土的受弯性能有更深刻的认知。

2 模型制作

钢筋混凝土梁的制作过程如下：

(1)绑扎钢筋。根据钢筋混凝土梁的配筋图(图1)，选取所需钢筋，测量钢筋长度是否与图示相符，并绑扎钢筋。

(2)粘贴应变片。在梁的主筋粘贴应变片，要求学生按理论知识选取应变最大的位置进行粘贴。粘贴的过程就是对钢筋混凝土受弯性能的加深认识。

图1 梁配筋(单位:mm)

(3)混凝土浇捣。设计C25混凝土配合比，并依据钢筋混凝梁的配筋图，浇筑混凝土梁。要求强度保证率95 %，要求坍落度为55～70 mm，施工现场混凝土由人工拌制，人工振捣。原材料及系数包括：P.C32.5水泥，水泥强度富余系数取1.0，碎石最大粒径10 mm，混凝土拌合物的假设质量为2 350～2 450 kg/m3。此处需要学生运用课本知识，根据设计图纸的尺寸，计算混凝土的配合比及用量。由学生自行称量所需材料的重量，将材料按应有顺序下料搅拌均匀，倒入模具。本实验所做混凝土梁的模板由金属薄板制成，底模采用木模板。浇捣时应要求学生注意模板是否有变形，导致混凝土梁截面不能达到各截面尺寸的要求。同时，应要求学生振捣时需注意。因混凝土梁尺寸较大，搬运不易，也因设备受限，不能用振动台，振捣一般由插拔式振动棒，并由学生使用短钢筋插捣完成。这里要求在浇捣钢筋混凝土的同时，制作150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方试块三联 ，用作测定28 d混凝土的抗压强度。采用标准养护的试件，应在温度为(20±5)℃的环境下静置一昼夜至二昼夜，然后编号、拆模。拆模后应立即放入温度为(20±2)℃，相对湿度为95%以上的标准养护室中养护，彼此间隔为10～20 mm，要求试件表面保持潮湿。

(4)混凝土表面粘贴应变片。提供5片应变片，要求学生粘贴在混凝土梁受力最大、应变最大的地方，自选位置。这里仍然是要求学生运用课本知识，确定位置，以便得出数据进行分析。注意让学生在粘贴应变片前打磨混凝土表面，用220#～400#粒度范围的砂纸打磨构件混凝土表面，打磨区域15 cm×15 cm(因为应变片规格1.1 cm×8.2 cm)，至表面光滑为止。打磨完成后，需用浸有丙酮的脱脂棉球清洗贴片处，直到棉球上看不见污渍为好，清洗时一定要沿单一方向进行，不要来回交替擦洗。

3 实验方案

实验加载采用液压千斤顶以一个集中力传给分配梁而形成两个集中荷载的加载方式，加载点位置如图2所示。这里需要学生根据书本知识，结合所做的模型，计算本次实验的钢筋混凝土梁的极限荷载值。要求学生对实验梁进行预加载，利用力传感器进行控制，加荷值可取极限荷载的50 %，分三级加载，每级稳定时间为1 min，然后卸载。加载过程中检查实验仪表是否正常。

图2 加载试验(单位:mm)

按估算极限荷载的十分之一左右对实验梁分级加载，相邻两次加载的时间间隔为2～3 min。在每级加载后的间歇时间内，认真观察实验梁上是否出现裂缝，加载后持续2 min后记录电阻应变仪、百分表读数。当达到实验梁极限荷载的90 %时，改为按极限荷载的5 %进行加载，直至实验梁上出现第一条裂缝，在实验梁表面对裂缝的走向和宽度进行标记，记录开裂荷载。

4 数据处理

根据实验过程中记录的百分表读数，要求学生计算各级荷载作用下实验梁的实测跨中挠度值，作出钢筋混凝土梁跨中弯矩和挠度的关系M-f对比曲线。根据实验过程中记录的受力主筋的应变仪读数，计算实验梁跨中的钢筋应变平均值，作钢筋混凝土梁跨中弯矩和主筋应变M-ε对比曲线。根据实验过程记录的受压混凝土的应变仪读数，作出梁跨中弯矩和受压混凝土应变关系M-εc对比曲线，并绘制各级荷载下钢筋混凝土梁的平均应变沿梁高度的分布图。

5 不足之处

(1)使用设备的不足。其中最突出的是没有振动台，混凝土的振捣存在蜂窝现象，特别是梁底捣实不易。

(2)学生的技术不熟。在混凝土的计算用量阶段，通过理论知识的学习，学生基本能将混凝土各材料的用量大致计算正确。但是称取材料的过程不够严格，砂石没有筛分，没有注意保存材料，致使材料中含有水分，导致计算与实际稍有差别。搅拌过程中投料顺序、投料的量把握不够准确，经常使水分流失，使混凝土的成品与预期有出入。由于梁的尺寸较小，钢筋较多，学生的技术也不熟练，插捣的时间和精力、耐力都不足，造成浇捣的不匀称。养护的过程有部分学生未能按要求进行每日的养护。又由于浇捣的过程中有部分学生移动到了应变片，致使钢筋的应变值在加载过程中无法读出数据。

(3)如前所述，钢筋的应变片在浇捣过程中容易失效，导致数据不完整。而在加载过程中，出现部分钢筋因受弯拉伸，应变片绷断的情形。这些都造成应变片数据有部分不完整，造成后期的数据处理中出现困难。

(4)加压点的位置稍微偏大，如果两个加压点间的距离保持着1/3的梁长，裂纹出现的顺序应更接近理论预测。

6 解决方案

增加振动台是首要需解决的问题。而在资金不允许、场地不允许的情况下，实验过程中强调捣实不均匀的坏处，加强捣实的指导工作，是指导中应加大力度的[4]。

增加视频的示范教导，增加施工现场的体验实习时间，着重加强与实验相关的施工过程的操作性部分。有条件的可以邀请有经验的施工人员，做示范性操作，到实验课来做现场操作，让学生有感性认识[5]。

应变片的粘贴，应作多种尝试。比如用702胶水、水玻璃等多种不同胶水尝试使应变片固定。浇捣时要求先由专人负责保护应变片。加压时切忌加压太快，避免使钢筋意外出现弯曲过快的情形，影响到应变片。

加压点的位置，可作调整，使加压后的数据更贴近理论知识，更接近实际情况。

7 结论

通过实验， 期望能让学生把所学的理论知识应用到实际的结构试验中，同时提高学生的动手能力。在大学生的科技创新活动中，可以鼓励学生自行设计，并根据设计制作模具及钢筋，这样能调动学生的积极性及设计意识，更能把书本知识联系实际。当前的本科教学，强调让学生走出象牙塔，让学生多接触现实工作[6]。以前的教学，注重理论知识的学习，学生在毕业后难以想象和接受现实工作中的具体内容，不能快速接近技术核心。通过这些实验课的学习，更好地把理论知识和实践结合到一起，有利于理论知识的巩固和实践知识的接受[7]，初步接触试验的基本方法和对试验数据的处理、分析，更加清晰地了解建筑结构试验的大致实际操作、分析方法，进一步明确了土木工程结构试验在土木工程领域的重要性。

[1] 何爱军,张少波,宋晓软,等. 钢筋混凝土梁破坏实验的仿真分析[J].北方工业大学学报，2012(3): 72-76.

[2] 刘陈桃,孙毅,贾庆,等. 钢筋混凝土简支梁受弯实验研究[J].山西建筑, 2015(35): 68-69.

[3] 闫学恭. 钢筋混凝土结构在建筑工程中的重要作用[J].现代装饰: 理论，2013(3) : 157.

[4] 王高强，李松正，侯小华． 浅析钢筋混凝土结构在建筑工程中的应用[J].门窗，2014(10) : 76.

[5] 余世策, 蒋建群, 刘承斌, 等. 赏星云钢筋混凝土实验创新的探索与实践[J].实验室科学, 2009(5): 148-151.

[6] 武建华, 黄超.教学中培养学生创新思维的探讨[J] .高等建筑教育, 2007, 16(1): 32 -34

[7] 易萍华, 邓治平.土木工程专业对学生进行创新教育的思考[J].高等建筑教育, 2007,6(1): 38 -41.

华南农业大学水利与土木工学院教改课题; 华南农业大学校级质量工程《土木工程计算机软件应用》精品资源共享课(项目编号:K16271)

陈穗茵(1980～)，女，硕士,高级工程师, 主要从事造价工程、实验室的研究与教学工作；周云开(1983～)，女，硕士，实验师，主要从事市政工程设计、实验教学工作。

TU317+.1

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[定稿日期]2017-03-29