钢筋混凝土梁受弯动态仿真在教学中的应用

周 靖

1 教学背景

混凝土结构设计原理作为土木工程专业中重要的专业必修基础课程，其主要任务是培养学生掌握钢筋及混凝土两种材料所组成结构构件的基本力学性能，具备混凝土结构构件设计能力[1].混凝土结构设计原理是土木工程专业基础课的一门重要必修课程，起着为学生后续的专业课学习、毕业设计以及毕业后从事混凝土结构设计、科研、施工等工作打下必要基础的作用，该课程在土木工程专业教学中具有重要的地位[2].

该课程具有1.内容多，涉及面广2.经验性强，公式多，符号多3.构造规定多4.实践性强等特点[3].根据多年教学经验发现学生在学习的过程中大多感到吃力.为了提高学生的学习兴趣，刘建平[4]王亚军[5].吴香国[6]等多位专业教师实践了多种课堂教学的新方法新思路新模式，但这都限于理论教学，并未与实验教学有机结合在一起.许启铿等人[7]提出了实验教学的新方法，学生在自主实验的过程中收获很大，但并未与理论计算内容有机结合，并且实验的进度不可人为调控，实验为破坏性实验不可重复.刘建平[8].纪金豹[9].张利[10]等运用多媒体教学，将仿真实验带入课堂，学生可以在课堂上进行仿真实验，尽管仿真实验可以让学生身临其境体会整个实验过程，但学生自己不可以手动操作，实验过程仅仅是一个展示并未与理论计算结合.赵志平[11]李永梅[12]运用有限元法对混凝土构件受力过程进行数值模拟，但改技术不适合本科阶段教学，学生对基本原理和方法都无法掌握.商怀帅[13]将Excel软件与混凝土结构设计原理课程相结合，实现了简单的数值计算，但没有与实验相结合，无法看到各阶段的实验现象.余世策[14]贾冬云[15]等使用LabVIEW软件对混凝土构件进行了仿真模拟，学生可以将参数输入直观看到计算结果，但并没有实现动态实时操作.

2 仿真软件

LabVIEW是一个革命性的图形编程开发环境，以G编程语言为基础，用于数据采集、控制、数据分析和图形表示等，尤其适于虚拟仪器和虚拟实验的设计.目前LabVIEW已经广泛应用于测试测量、控制、仿真、教育等各个领域.本文使用LabVIEW软件对钢筋混凝土梁进行动态仿真，学生可以手动加荷，设置参数，实时观察梁的当前状态，还可以看到理论计算结果.锻炼了学生的动手能力，巩固了课堂知识，实时把控实验进程，对实现教学目标有极大的帮助.

3 实验模型

钢筋混凝土实验梁为一简支梁，截面宽度为b，截面高度为h，梁的跨度为1.5米.梁的顶部由千斤顶加压，压力值为P，通过液压式压力试验机可以在0～100KN范围内调节压力值，实现加载.压力通过荷载分配梁平均地对距离两端支座500mm处施加荷载，于是在梁的中部500mm范围内形成了纯弯区段，两侧为了避免发生剪切破坏还配置了箍筋.混凝土的强度等级可选择C25，C30及C35，钢筋可以选用二级钢筋或三级钢筋，钢筋的直径为d.这些参数为实验模型的输入变量，学生可以手动输入数值，也可对混凝土及钢筋的型号进行选型.确定了钢筋、混凝土的型号之后，钢筋的屈服强度fy，界限相对受压区高度ξb，混凝土的轴心抗压强度fc，抗拉强度ft，抗拉强度标准值fty等输入变量可通过索引数组实现相应数值的输入.

受拉区配置钢筋的截面面积为As，受拉钢筋形心到梁底部的距离as取40mm，计算截面高度为h0，受压区高度为x，界限受压区高度为xb，最小配筋率为0.45ft/fy与0.2%中

图1 程序框图

的较大值，弯矩设计值为M，开裂弯矩为Mcr，极限受弯承载力为Mu.这些变量为输出变量，可以通过程序框内的公式计算得到相应的结果.程序框图如图1所示，程序框中的公式都是混凝土结构设计原理中梁受弯计算的基本公式通过G语言编写出的.

4 仿真运行

学生可以在前面板中输入输入变量的数值，也可以对钢筋混凝土的的型号通过下拉菜单进行选择，在前面板中输入变量窗口如图2所示.

图2 输入变量窗口

学生输入相应的数值并完成钢筋混凝土选型后，点击运行，可以通过警示灯观察是否超筋是否少筋，警示红灯亮起则表明输入变量不符合适筋梁运行的条件，可做相应的调整.警示灯窗口如图3所示.

警示灯未亮起则可以连续运行.学生可通过转动液压式压力试验机旋钮实行加载，在加载的过程中观察实验梁的受弯过程，以及弯矩数值的变化.液压式压力试验机操作旋钮如图4所示.

顺时针转动旋钮，荷载不断加大，学生可以观察到弯矩M数值也在不断加大，当弯矩值达到开裂Mcr时可以看到梁开始出现第一批裂缝，随着荷载继续不断加大，裂缝扩展，陆续出现第二批第三批裂缝，梁开始由带裂缝工作阶段进入到屈服阶段，此时荷载只增加一点，梁便产生较大的变形，直到混凝土被压碎，此时梁达到受弯承载力的极限Mu，梁发生破坏.实验梁受弯示意图如图5所示.

图3 警示灯窗口

图4 液压式压力试验机操作旋钮

图5 实验梁受弯示意图

5 结论

笔者使用LabVIEW软件，根据钢筋混凝土梁受弯的基本原理，动态仿真梁受弯的全过程.学生在前面板中可以自行设置实验梁的各个参数，选择钢筋混凝土的型号，运行后通过警示灯提示判断配筋是否合适，学生可以结合课本上适筋梁的判断标准进行对比.如果符合适筋梁的标准学生可以点击连续运行，此时转动压力试验机旋钮对梁进行加载，在加载的过程中观察弯矩数值的变化以及实验梁的变化，结合书本所学知识，判断实验梁所处的阶段，直至试验梁破坏.

梁的截面形状、配筋、材料的型号都是学生自己手动设置的，加载也是学生手动加载的，整个实验过程是动态的，一方面解决了土工实验的破坏性，不可逆性和操作性差的特点，另一方面可将实验搬进课堂，与理论教学相结合，巩固学生的理论知识，提高学生的动手能力.因此钢筋混凝土梁的仿真实验可广泛推广，并应用到教学中去，推动实现教学目标.