钢筋混凝土教学中理论和规范及实践有机结合探讨★

2018-03-22周广东

山西建筑 2018年31期

周广东

(河海大学土木与交通学院，江苏南京 210098)

1 概述

钢筋混凝土是土木工程类本科生的专业核心课程，包括混凝土和钢筋的物理力学性能、受弯构件的正截面承载力、受弯构件的斜截面承载力、受压构件的截面承载力、受拉构件的截面承载力、受扭构件的扭曲截面承载力、变形、裂缝、延性、耐久性和预应力混凝土构件等内容，涉及受力机理、破坏模式和计算方法等[1]。钢筋混凝土课程力求使学生具备利用混凝土理论和现行国家与行业规范进行钢筋混凝土结构构件和整体结构设计和复核的专业能力，其教学内容与实际工程结构和设计规范密切相关。

目前大部分钢筋混凝土教材仅注重基础理论的讲解，缺少现行设计规范和工程实践的解释，使得钢筋混凝土的理论、规范和实践严重脱节。学生学习完成之后，虽然能够对钢筋混凝土相关的概念和公式进行准确的背诵，但是并不能灵活运用这些理论公式和方法解决实际工程问题。笔者在钢筋混凝土长期教学过程中，摸索出一条理论、规范和实践有机结合的教学新方法，使学生既能对理论和概念进行深刻理解，又能将理论合理运用于工程实践，达到培养学生具有扎实基础理论、宽广专业知识和较强实践能力的目的，实现知识、能力、素质的协调发展。

2 通过工程现场架起规范与实践的桥梁

钢筋混凝土结构构件的配筋计算是钢筋混凝土课程的核心，也是钢筋混凝土课程的学习难点[2]。在学习钢筋混凝土课程之前，学生已经掌握了理论力学、材料力学和结构力学的基本理论，具有较强的理论计算能力。在实际授课时发现，通过对规范基本公式的讲解，同学们基本上都能够通过弯矩和轴向力的大小，选择较为合适的梁、柱截面，得出钢筋的理论用量。但是对于钢筋如何在构件中摆放、梁端或柱端钢筋如何处理、梁柱节点处钢筋如何排列、理论计算结果与工程实践是否一致等问题，往往使学生感到无所适从[3]。究其原因，主要是本科生大多直接从高中毕业进入大学，基本没有深入施工现场学习的机会，缺少对土木工程结构细节的感性认识。针对此典型问题，我们对教学安排进行调整，将课堂理论学习与工程现场学习相互穿插、有机结合。

在钢筋混凝土课程开始之前，老师带领学生到正在施工的钢筋混凝土结构现场进行参观学习，对钢筋混凝土结构的各种施工过程、施工工序和注意事项进行讲解，同时让学生认识梁、板、柱和剪力墙等结构构件，了解本门课程的学习目标和学习意义，以此激发学生的学习热情。在每一种结构构件理论课程开始之前，安排学生到施工现场进行参观，认识这一种结构构件的实际配筋样式，让学生对接下来理论课程的目的有基本的了解；在每一种结构构件理论课程结束之后，指导学生到施工现场进行考察，以工程项目中的某一具体构件为例，让学生进行钢筋的配置并画出配筋图，将学生的设计结果与工程实际进行比较，引导学生对自己的计算结果进行校核，帮助学生找出理论计算结果与实际工程结构之间差异的原因。另外，还根据工程特征和施工进度，在施工现场对规范中的各种构造要求进行现场讲解，将枯燥晦涩的规范条文变成生动形象的实际工程案例，使学生摆脱死记硬背的学习模式。在工程实践结束之后，要求学生撰写学习总结和实习报告，并思考提出问题在课堂上进行讨论。通过此过程，架起了规范与实践的桥梁，不仅加深了对规范公式、方法和构造要求的理解，还锻炼了学生运用理论知识解决实际工程问题的能力。

3 通过模型试验建立理论与实践的联系

钢筋混凝土基本理论大多通过工程破坏事故建立，而模型试验作为工程事故的可控情景再现，合理利用实验室的模型试验进行教学，是增强钢筋混凝土课程教学效果的有效途径[4]。目前大部分高校钢筋混凝土课程试验教学都过于单一，实验室老师完成前期的钢筋配置、构件浇筑和传感器粘贴，学生只进行荷载施加和传感器读数记录，在此过程中，学生并不能对试验破坏现象产生原因及解决办法有深刻理解[5]。基于此，我们对钢筋混凝土课程试验教学的内容和过程进行全面改革，从传统的加载过程试验扩展到构件设计、制作、试验和分析全过程，全面培养学生根据试验目的进行试验设计、试验准备、试验操作、数据处理、结果分析和机理探索的能力。

针对目前国内大学生普遍存在的“眼高手低、动手能力弱、协作能力差”的问题，鼓励学生进行钢筋混凝土构件的全过程试验。将钢筋混凝土梁受弯破坏试验、钢筋混凝土梁受剪破坏试验和钢筋混凝土柱偏心受压破坏试验作为钢筋混凝土课程的三大核心试验。以5名～8名学生组成一个试验小组，要求每组根据试验大纲和试验目的完成试验方案和试验计划的设计，每组派出一名代表对试验方案进行汇报，然后进行全班讨论，教师进行适当的引导，最终形成完善的试验计划。根据试验计划，教师督促每组在时间节点之前完成相应的工作。

学生模型试验的主要过程包括：第一步，试验构件制作。根据试验方案的构件尺寸、混凝土强度和钢筋配置要求，学生进行构件浇筑模板的制作、钢筋骨架的制作、钢筋应变片粘贴、混凝土的配合设计、混凝土的拌合浇筑和混凝土的养护。通过此过程，学生能够深刻理解钢筋混凝土结构的施工过程，也能通过试验构件制作过程中出现的问题了解钢筋混凝土结构施工过程中的注意事项。第二步，试验准备。根据试验要求，进行构件网格线绘制、测试仪表的安装与调试、试验试件固定和加载设备固定，学生的团队合作能力、耐心和动手能力得到了极大的锻炼。第三步，破坏试验。根据试验加载方案进行构件加载，同时记录各种仪器仪表的读数，观察试件的变形和裂缝发展情况，提升学生的观察能力。第四步，试验分析。根据试验现象分析破坏模式产生的原因和应对措施。在此过程中，学生能够将理论知识与工程实践进行融合，破解工程难题。

在试验过程中，鼓励学生提出自己的疑问和设想，并最大限度的创造条件让学生去验证。比如：按照配合比设计的混凝土的理论强度和实际强度是否一致、相同配筋量的钢筋用粗的还是细的好、混凝土中钢筋的实际应变与测试应变是否一致等问题。由学生完成各种对比试验，并在课堂上进行讨论，不仅能够增加学生的学习成就感和学习积极性，还能增加学生的知识深度和广度。

4 通过细致推导形成理论与规范的纽带

钢筋混凝土设计规范推荐的结构构件计算公式和方法大部分是半经验半理论公式，虽然有一部分严格的理论推导，但是也有工程实践的总结，这使得很多钢筋混凝土设计规范的计算公式与理论推导结果之间存在一定的差距。在授课过程中，由于老师对钢筋混凝土理论和规范理解比较深入，能够非常自然的进行基本理论和规范公式之间的过渡，因此，在授课过程中，极易忽略基本理论和规范公式之间的差异。而学生在前期学习高等数学、理论力学、材料力学等课程时，已经习惯于理论上的严格推导，造成学生对规范公式和方法理解困难。因此，通过细致推导让学生理解理论方法和规范方法之间的过渡成为灵活应用规范方法的关键。

钢筋混凝土结构构件基本计算公式的形成过程可以总结为：模型试验→破坏模式→理论模型→基本假定→计算简化→平衡方程→计算公式。通过前面的模型试验，学生基本可以建立模型试验、破坏模式和理论模型之间的联系，如何通过理论模型得到规范计算公式成为掌握钢筋混凝土结构知识的重要环节。通过仔细分析可以发现，虽然理论模型和规范公式从形式上存在一些差距，但是规范公式都是从理论模型衍生出来的，比如钢筋混凝土单筋矩形梁的受弯承载力计算公式。通过模型试验我们发现，在梁破坏时，受拉区混凝土产生了大量的裂缝，钢筋的应变和混凝土的应变沿高度呈线性变化，因此引入截面应变保持平面和不考虑混凝土抗拉强度等假定，得到钢筋混凝土梁正截面上的非线性混凝土应力。通过积分和力的平衡，能够实现将非线性混凝土应力转化为均匀的应力，进而推导出钢筋混凝土梁正截面承载力的基本计算公式。可以看出，只要在平时授课时适当重视理论模型和规范公式之间的联系，就能够实现理论模型和规范公式的有机结合，有效提升学生对规范方法的理解能力以及理论联系实际的能力。