《混凝土结构设计原理》实验课教学方法改革研究

张宇 屈恩相

(齐齐哈尔大学建筑与土木工程学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006)

土木工程专业致力于培养德、智、体、美、劳全面发展，具备良好的职业道德和综合素质，较好的理论基础及实践能力，会学习，能动手、懂管理、有素养的高级应用型专业人才。工作中能系统解决土木工程专业复杂工程问题，这就必须对于专业课程提出了较为严格的规划。《混凝土结构设计原理》在土木工程专业中有着举足轻重的地位，也对先期课程土木工程材料、结构力学、房屋建筑学和后期课程砌体结构、钢结构设计原理等起到一个承上启下的作用。它是一门实践性很强，且与现行规范、规程密切有关的专业基础课。所以单单注重理论内容的学习和研究往往达不到很好的收效和成果，要寻求在理论知识熟练掌握的前提下结合工程实践来解决问题，尤其是混凝土结构中构件的设计及制作，荷载施加的意义以及构件破坏的过程和原因等都能是同学们对理论知识有更深入的认识。通过本课程实验内容的学习，培养学生发现、分析和解决问题的能力，培养学生的创新进取的品质，提出实际问题的试验方案和对实验结果的处理能力。因此应将教师授课的重点转向学生的需求，重点考查人才培养目标的合理性和时效性，并依据学生的接受情况建立改进机制。工程教育专业认证是指工程类专业教育实施的专门性认证，具有国际等效、学生中心、产出导向、持续改进等特征，旨在为相关工程技术人才进入业界从业提供预备的教育保证。从1995年开始，中国对土木工程开展工程教育专业认证工作，极大提高了专业教育质量，为土建类注册工程师在国际上的流动奠定基础。国内众多学者基于工程认证的要求，对土木工程专业的部分课程提出教学改革方案，在授课过程中充分发挥了学生的主观能动性，取得了良好的教学效果。

建筑与土木工程学院现有良好的混凝土结构的实验条件，包括土木工程材料实验室和工程结构实验中心等实验室，实验室内有完备的实验设备，主要包括混凝土搅拌机、混凝土快速养生箱、液压加载控制系统、静态数据采集系统、混凝土收缩膨胀仪等，都为课程实验的完成提供了完备的硬件基础。

1 教学大纲

教学大纲是根据学科内容和专业教学体系和教学计划的要求编写的用于指导教学的文件，其规定了课程培养的目标，主要学习的内容和学习方法，突出的重难点内容以及考核的要点。根据我院应用型人才培养目标，制定了可实施性强且符合培养目标的教学大纲。

1.1 课程说明及目标

《混凝土结构设计原理》是一门实践性很强与现行规范、规程等有关的专业基础课。主要讲授内容包括混凝土结构所用材料的性能、结构设计方法及常见的受力构件（轴心受力、受弯、受剪、偏心受力、裂缝及变形、预应力混凝土构件）的破坏特征、设计模型的建立及设计方法。通过本课程的学习能让学生了解并掌握混凝土的荷载类型与基本的设计方法，混凝土和钢筋材料的基本力学性能，可以用相关的课程知识对混凝土一般构件进行设计和实验以满足实际工程的需要。

通过本课程的学习主要想达到以下目标：1）培养学生混凝土结构施工图识读和一般混凝土结构梁，柱的计算设计能力，从而培养学生对混凝土结构的设计的基本了解及在结构制图中能清晰的分辨结构的基本构件；2）通过课程学习，学生能在理论学习的基础上养成很好的实验习惯和创新精神，提高动手能力，能运用所学知识对实践问题提出合理的解决方案；3）通过课程学习，对课程设计的各类实验实践行为有自己的想法，能够激发学生创新精神和独立思考和解决问题的能力。

1.2 主要内容

《混凝土结构设计原理》教学大纲中对混凝土所涉及的材料性能做出了比较详尽的解释，主要包括钢筋和混凝土两种主要材料的力学性能；混凝土结构设计的基本方法，荷载作用效应和结构抗力的计算方法；混凝土受弯构件的正截面和斜截面的破坏形态和承载力计算方法；受扭构件的和偏压构件的设计方法及破坏的形态和过程以及针对荷载作用效应的抗力计算，在结构可靠度指标里的适用性和耐久性所要求的结构刚度和裂缝宽度和数量的限制，预应力结构施工方法和简单的计算问题等等。其中各项内容无一不要求学生在掌握理论知识的前提下构建模型以更好的理解工程实践中会遇到的问题。主要的重难点在于解决实际的工程问题，包括基于承载力的截面设计和既有构件的承载力计算，这往往需要学生对结构破坏状态有更加形象直观的认识。

1.3 实验方案

《混凝土结构设计原理》的主要内容中实践性较强的部分包括受弯破坏过程，受剪破坏过程和受压破坏过程等，其中受压破坏中轴心受压破坏比较简单易懂，破坏过程变化较少，破坏形态较为单一，本课程的教学大纲中的实验内容并没有体现，但受力过程相对比较复杂的受弯构件正截面破坏、受弯构件斜截面破坏和偏心受力构件实验都写进了实验教学大纲，安排在理论学时之后，要求同学们在理论学习过程中就根据实验的既有条件开始逐步设计混凝土构件的尺寸和配筋，且分成N个人数不大 于15人的小组参加必做的实验项目，进而验证理论计算和实验破坏数据之间的关系，找出影响钢筋混凝土梁柱构件承载力的关键因素以及在时间轴上各项力学指标的变化关系。

2 实验内容

2.1 应变片的黏贴

应变电测法是工程中用于测量构件或结构在静、动载荷作用下产生应变量大小的一种重要测试方法。此方法技术成熟可靠，测量时，将应变片用专用胶水牢固地粘贴在研究对象表面，组成桥路，反映测点的应变量大小。应变片种类繁多、形式多样，但基本构造大体相同，如图1所示，1号标所指的位置是基底，2号标所指的位置是应变片电阻丝，3号标所指位置是引线。

图1 电阻应变片的基本结构

在应变片进入真正的工作之前应对应变片的外观进行检查，仔细观察应变片的基底处的覆盖层是否脱落破损；敏感栅是否平直、排列整齐、无锈斑、无霉点、无气泡及引出线焊接是否牢固。为了使应变片牢固地粘贴在混凝土构件表面，需要在表面处用粗砂纸打磨，去除表面氧化层和各类污渍直至其平整光滑。应变片的黏贴要保证对应在混凝土构件表面或钢筋表面的测点上以保证数据的准确合理，并要检查是否贴牢以防止应变片在实验过程中脱落或脱离导致数据失效。操作上要在构件上划定粘贴部位，用胶水将应变片底部和构件表面相粘结。导线一端与应变片的引出线相连线，另一端与电阻应变仪相连接。使用放大镜查看应变片底部粘接处是否有气泡，是否有造成短路、断路等情况。

2.2 受弯构件破坏实验

受弯构件包括正截面和斜截面破坏两种形态，实验目的是了解适筋梁受弯破坏的受力过程和破坏模式；掌握混凝土构件在加载过程中出现的变形和裂缝等现象的描述和记录；学会利用数据分析实验过程中的现象，尤其是与理论预期有较大偏差的现象时能发现其中原因；对数据进行相关处理后形成文字进而撰写实验报告，加深对混凝土结构适筋梁受弯性能的理解。主要应用的仪器设备包括静力试验台座、反力架、支座与支墩、液压千斤顶、百分表及磁性表座等，普通钢筋混凝土适筋梁的具体尺寸配筋如图2所示。

图2 适筋梁受弯试验试件的配筋

混凝土梁的加载位置有很多不同的选择，以三等分段加载进行说明。整个混凝土梁采取两端支撑的形式，三等分点加载就需要在梁跨度1/3处和2/3处进行相同力的施加。在加载前应检查各项仪表安装是否牢固，读数是否正常。如果需要预加载过程，则应施加分级荷载的前两级。分级加载时每次的时间间隔宜为5min。混凝土受弯构件适筋梁在未开裂前，每级荷载不应大于开裂荷载值的20%，开裂以后施加的每级荷载宜保持在其承载力的10%，在加载荷载达到结构受拉钢筋屈服状态以后，应适当减慢加载速度，整个过程中观察混凝土裂缝的开展和构件的变形。

3 实验课程方案及教学方法改革

3.1 实验课方案改革

传统的混凝土结构实验课方案基本是构件的直接加载，导致多数同学只注重实验现象本身，并不能通晓整个实验过程中设计的原理及结论。为了更好的培养学生的实践能力和创新意识并把实验实践环节融入到理论环节之中，学生能在实验过程中寻找到解决实际问题的方法和手段，对实验课方案的改革和优化刻不容缓。如果能在实践过程中充分的体现现阶段较高的科研水平和较先进的实验条件，就更能在学生未来的学习中注重科研的时效性和对先进技术的向往。在实验项目开始之前保证学生们先收到相关的参考资料，便于学生理解和掌握实验内容和步骤，头脑中形成可靠的实验方法和预计实验结论。同时在资料中体现学院现有的实验中涉及到的软硬件条件。在每届学生完成实验项目时要按时编写相关实验数字教材，录制实验过程视频资料，并在视频中详细地介绍实验的基本方法、主要过程和实验结论。要求学生认真阅读相关往年资料，掌握实验相关基本知识后再参加实验，确保在实验过程中现学现做的情况存在，保证所有学生都能顺利地完成实验。

混凝土结构实验教学主要由理论课堂中的演示性实验教学和历届录像实验教学，实验室课堂中的结构实验项目教学、计算机模拟实验教学等组成。各个实验过程相互配合，形成实验提前预习，实验操作时熟练，试验后及时处理数据的闭环，同时各个阶段相互配合形成一个较好的立体形实验教学体系。确保在理论教学完成之后能有针对性的对知识进行查漏补缺，寻找理论知识体系中难于理解的部分，在实验预做报告中提出相关问题并及时寻找解决办法，理论知识体系中的各部分内容可适当的进行模块化处理，各部分灵活的体现在实验课教学之中。实验课过程教学一般安排在理论教学之后进行，实验内容除了固有的比较重要的项目之外还应该灵活布置创新性实验及综合性实验。整个实验过程采取循序渐进，层层深入的原则，首先完成基本实验教学，像应变片的粘贴，静态数据采集系统的使用和液压加载油缸、基本反力装置的使用；其次要完成综合性实验内容，包括适筋梁破坏实验和应力应变的采集、跨中挠度的数据采集等；最后一个层次需要完成实验设计，也就是创新型实验，让学生提出自己对于实验的想法和理念并加以实施。基本实验包括验证型、演示型实验，起到验证理论作用，主要培养学生基本的试验技能。综合性试验是综合应用几门课知识进行的试验，起到深化混凝土结构理论理解的作用，主要服务混凝土结构理论教学。

3.2 教学方法改革

为了能让学生把既有的知识进行串联，此次实验课改革把之前的既有构件的直接加载改变成从构件设计到构件制作直至加载的整个过程。混凝土构件实验梁的设计都由老师指导学生完成，学生较多的情况需要进行分组，保证每位同学都能独立完成实验模型设计，并再组合各自的设计并分析对比构件设计的合理性，包括混凝土配合比设计、超筋梁、适筋梁和少筋梁的配筋设计、构件的几何尺寸选取，从众多方案中选出最合理且可实施的设计方案，最终优化得到实验模型方案。

实验构件的制作环节依然要有学生的参与，模板的支撑，钢筋的下料和绑扎形成钢筋笼，混凝土的搅拌和浇筑，学院实验室提供合理的养护条件并完成养护，最终在成型的混凝土构件上粘贴应变片并完成2种梁和1种柱的破坏实验。从整个混凝土结构的设计、制造，实施及数据处理环节来看，整个实验周期较长，涉及的老师、学生和必要的非师生参与者都很多，资金的使用量也比较大，但能确保每个学生都参与到实验的全过程中来，这就解决了实验教学中由于人数过多导致的部分实验项目被忽略的弊端。但由于设备不足，在试验设计之后的模型制作过程委托厂家加工制作以备试验之用。在实验过程中先由老师讲解指导，学生再分组操作

混凝土试验以往因条件限制，往往停留在演示性实验和视频实验的阶段，真正实验实施的过程会被一带而过，或者学生对实验项目不熟悉导致实验过程缺失。所以课程之间形成联动机制也显得很有必要。由于大二学生在实验设备、仪器操作上还未经过培训，本次实验结合了大三的“混凝土结构试验”课程和大二的“工程结构试验”课程，组成一个综合实验小组，由大三学生操作仪器仪表，大二学生负责记录测度数据，观察记录实验过程，描述试验现象与破坏特征，对破坏后的试件进行混凝土裂缝宽度检测。在实验过程中应明确人员分工和任务，以培养学生的团结协作能力，实验现场见图3。

在综合性的创新试验中，老师不再是实验的“主人”，而变成实验的“参谋”。学生作为实验的主人，在钢筋混凝土结构承载力试验中，根据试验目的并结合实验室的条件进行试验设计和论证，经其他老师审核后进行现场试验。主要包括选择适当的加载设备、量测仪器、加载模型，制定可行性高的试验方案，并针对试验方案中可能出现的意外及时采取措施。

图3 混凝土结构实验现场图

3.3 考核方式改革

考核方案的确立可以说明整个实验在课程体系中的地位，以往的实验教学在完成后只是被当作是理论课延伸的一部分，与作业有类似的地位。本次实验课程考核方案的改革主要有两个方面：首先确立实验教学的地位，在《混凝土结构设计原理》课程中把实验环节的考核单独操作，学生在未完成或实验环节未达到及格分的情况下，理论课也不能给出及格或以上的分数，这能让同学们对实验环节充分的重视起来；然后要对每位同学进行实验操作和后期数据处理两个环节的单独考核，保证在实验考核过程中的公平性，从而防止学生由于实验人数较多有蒙混过关的想法。

4 结语

近几年完成了《混凝土结构设计原理》的教学方法研究，把实验纳入课程考核之内并单独计算考核分数，能使学生在汲取理论知识的同时更形象的体会工程实践与实验的整个过程，最后达到的学习效果有着十分明显的提升，学生对于结构设计的理解更加透彻。针对实验课的课程方案的完善和授课方法的改革，使得整个混凝土结构设计过程更加完整，知识体系更加全面。