《混凝土结构原理》课程改革与实践教学①

赵淑丽, 孙 超

（1.河北农业大学,河北 保定 071001;2.保定职业技术学院,河北 保定 071001）

《混凝土结构原理》课程改革与实践教学①

赵淑丽1, 孙 超2

（1.河北农业大学,河北 保定 071001;2.保定职业技术学院,河北 保定 071001）

通过对土木工程专业《混凝土结构原理》课程的调研,发现了诸多问题。针对这些问题,从教学内容、教学方法等方面阐述了实施对策,构建了以基本理论为基础,面向工程实践为导向的教学体系,探索了《混凝土结构原理》教学与工程实践衔接的途径。

混凝土结构;教学方法;工程实践;课程改革

《混凝土结构原理》是土木工程专业的主干课程,也是一门实践性强与现行规范、规程等有关的专业基础课。河北农业大学自本科2009级开始对教学计划进行了调整,《混凝土结构原理》这门课在教学计划方面同样也进行了调整。主要表现在:课程名称由《混凝土结构构件》,调整为《混凝土结构原理》;执行学期由第六学期,调整为第五学期;学时增加了4学时的教学实验,总学时48学时保持不变。课程性质仍为专业基础课,学分为3学分,课程讲授的学期末进行1.5周的课程设计。本课程自2009级土木工程专业学生第五学期,即2011年9月份起执行新的教学计划。

由于课程设置变化和相应规范标准的修订,本课程的教学内容及安排方面需要进行相应的调整和改革。另外,近几年教学研究发现,由于欠缺对专业知识的深层次理解和应用,且学生缺乏实验动手能力和综合运用能力,土木工程专业毕业生无法直接适应相应工作岗位的需求。

笔者针对河北农业大学《混凝土结构原理》课程所存在的问题进行了探讨,从教学内容及方法、教学设置及工程应用方面有针对性的提出了改革措施,以期达到教学与实际工程的衔接,提高土木工程专业学生的工程应用能力。

一、课程教学内容的变化及教学方法的改革

（一）课程教学内容的变化

中华人民共和国住房和城乡建设部对现行的《混凝土结构设计规范》GB 50010-2002进行修订,修订的主要内容为49项,新版《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010在2011年7月1日执行。本次修订对混凝土的结构设计原则和计算方法进行了较大幅度的调整,如新规范中完善规范的完整性,从以构件计算为主适当扩展到整体结构的设计,补充“结构方案”和“结构抗倒塌设计”的原则;淘汰低强钢筋,纳入高强、高性能钢筋,提出钢筋延性（极限应变）的要求;构件正截面承载力计算:“任意截面”移至正文,“简化计算”移至附录等等[1,2]。

例如,《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010中,补充"结构抗倒塌设计"原则,增强结构的整体稳固性。内容如下[2]:

结构抗倒塌设计表达式:混凝土结构在偶然作用下的防连续倒塌验算,应采用下列极限状态设计表达式:SAd≤RAd

SAd——偶然作用的效应组合设计值;

RAd——偶然作用下的结构防连续倒塌的承载力函数,根据结构的几何参数及材料强度标准值或平均值确定。

对于可能遭受偶然作用的重要结构,宜进行结构抗倒塌设计。混凝土结构的抗倒塌设计宜遵循下列原则:避免使结构中的关键构件直接遭受偶然作用;采取减小偶然作用或效应的措施;在容易遭受意外荷载影响的结构的区域增加冗余约束;增强疏散通道、避难场所及结构关键传力部位的承载能力和变形性能;采用变形性能较好的材料和结构形式。

结构防连续倒塌设计方法。拉结构件法:通过贯通水平构件的最小配筋和构造措施,使缺失支承后的水平构件能够按梁、悬索或悬臂继续承载受力,维持结构的整体稳固性;拆除构件法——按一定规则拆除主要受力构件,依靠结构体系中的剩余部分进行承载力验算;非线性分析方法——通过结构的受力-倒塌全过程的非线性分析,模拟结构的连续倒塌过程。

（二）教学方法的改革

教学内容的变化和课程设置的改变,现行规范图集的修订,工程中新问题的不断出现,新理论、新技术和新方法的不断发展,使得本课程的内容需要及时跟踪和适应学科的发展。因此,《混凝土结构原理》课程的教学理念和教学方法也应随之调整,也必须将新的技术方法和前沿的内容引入到教学过程中。

1.注重课程知识点的提炼 本课程的每一个知识点均来源工程应用的直接需要。在教学中,将基础理论、工程概念和关键问题提炼并建立实用设计方法的过程作为重点,使得学生对基础理论透彻理解,对工程问题深刻认识,并掌握问题的研究方法和实际设计方法,同时引导学生运用基础理论对一些工程问题进行研究和提炼,做到真正掌握运用相关理论处理实际工程问题的方法。

2.完善教学环节培养综合能力 工程应用综合能力是学生最缺乏的素质,体现在对工程概念和工程问题理解缺乏。因此,笔者参考了国内几所知名高校有关《混凝土结构原理》课程的设置情况,如清华大学、同济大学,并结合河北农业大学的教学计划要求,在课程教学体系上,设置了实验教学、大作业和课程设计等教学环节。

《混凝土结构实验》:在教师的指导下,由学生分组自主独立完成钢筋混凝土梁受弯性能和钢筋混凝土柱受压性能实验的全过程,包括混凝土配比设计、梁和柱构件的配筋设计、材料力学性能测定、构件的制作及安装、试验辅助材料准备、加载试验、处理试验结果并分析。通过实验学生能深刻体会实际工程和研究的各个环节。

大作业:课程教学发现学生在学习过程中难以将知识点有机结合和综合运用,所以在本课程的期中教学环节增加了大作业训练。以工程结构中常用的悬挑构件（伸臂梁）为设计题目,如雨棚或阳台,将受弯和受剪承载力、配筋构造等知识综合运用,并要考虑各方面配筋的协调,将阶段性知识进行综合运用,作为课程的期中测试情况。以此体会以往单一问题求解及章节作业中所没有遇到过的综合训练,并发现学习中存在的问题。

《混凝土结构构件设计》:要求完成结构方案、荷载和结构分析、内力组合、构件设计、施工图绘制,是一个比较完整的工程结构设计训练。因此学生自己带来了挑战性,在教师的指导下培养了学生运用混凝土结构基本理论和基本方法自主解决问题的能力,增强了对学生的分析能力、综合能力和解决实际问题能力的培养。

3.激发创新意识 工程中的新方法、新技术的出现均是来源工程应用需求的发展,这一特点是以往基础课程所没有的。在教学中充分利用每个知识点的发展过程,并结合混凝土结构最新发展趋势讲授,使学生从中体会工程和理论创新的来源。

在近几年的教学过程中,笔者还通过开放试题的形式激发学生主动思考问题的能力。目前在教学中所采用的开放试题的形式主要表现在两方面。一方面,是课后习题求解补充。例如钢筋混凝土受弯构件斜截面承载力计算中,教材中只讲授了单一截面的配筋计算,但没有整个构件配筋方案及钢筋设置情况。针对这一情况,课程教学中会引导学生如何进行构件的配筋设计,如何选择经济性和安全性更好的配筋形式。另外,提供一简支梁箍筋和弯起钢筋设置（尤其注意弯起钢筋的设置情况）例题,然后让学生解决任一受弯构件保证斜截面承载力及构造要求的配筋情况。另一方面,给学生创造学习机会,即提供经典的习题教材、介绍工程中较好的结构论坛及新技术网站,增加学生的知识面。

二、实验性教学的引入及实践

在以往的教学中,对实验内容只在课堂上进行定性描述,然后提供其它高校的相关实验视频让学生自学。在教学环节中发现学生对实验只是一知半解,更谈不上培养学生的应用和创新能力。因此,《混凝土结构原理》的教学计划中加入了教学实验4学时。针对课程情况和学校的试验室条件,笔者提出了《混凝土结构原理》实验课的开设情况。

（一）实验的主要仪器设备及材料[3-4]

1.仪器设备

（1）制作设备:混凝土搅拌机、振捣棒、钢筋切断机、弯曲机、拉伸机、钢筋加工台。

（2）加载设备:20吨液压千斤顶、钢结构反力加载架、液压油泵。

（3）测试设备:20吨荷载传感器、64点静态应变仪、±5 mm位移传感器四个、±10 mm位移传感器一个、磁性表座五个、钢结构仪器固定架一套、位移测试采集系统一台套（不少于16个通道）、裂缝观测仪。

2.辅助材料 钢筋应变片、混凝土应变片、连接导线若干、粘贴胶、质量检测尺、坍落度桶、水泥、砂、级配碎石、模板材料等。

（二）实验（课程）的基本内容与要求

基本要求:学习混凝土构件制作、测试仪器设置和应用、加载方式、加载制度、传感器的测试方法和数据采集及处理方法等（见表1）。

表1 实验课程的基本内容与要求

（三）钢筋混凝土矩形梁（钢筋混凝土受压柱）受力破坏试验分析

1.实验内容 结合课程教学内容,验证钢筋混凝土单筋矩形截面梁和钢筋混凝土受压柱受力全过程的应力（应变）分布及刚度（挠度）变化规律,受力性能及其破坏规律。

2.实验要求 （1）每个班级按学生人数分成2个小组,每组约15人;（2）由实验指导老师简介实验力学简图、测点布设依据及测试参数;仪器设备的原理及操作方法和注意事项,然后把本组学生划分为（加力、应变测读、挠度测读及裂缝测读）四组,在老师的指导下由学生动手操作;（3）试验过程中由学生测读试验梁和柱加荷的大小、裂缝产生位置及宽度及个测点的应变和挠度,尤其注意短柱的弯曲侧移值;（4）试验完成后现场核对试验记录,描绘裂缝产生位置及宽度,试验的作用下沿梁高度方向各测点纤维层上的应变和控制断面挠度;（5）整理试验数据并与计算结果（数字和图表）比较,说明试验中存在的问题。

三、课程设计环节的改革及实践

钢筋混凝土课程设计是理论教学结合实际的重要实践环节之一,是学习完钢筋混凝土结构理论课程后进行的一次全面的综合练习。其目的在于加深对结构计算基本理论和基本知识的理解,提高学生结构设计、解决实际问题的能力。根据近几年课程教学中出现的问题,提出以下改革方向。

1.设计题目工程化 因原教学内容中,设计题目均为单向板肋梁楼盖设计且无具体工程情况,所以提出设计题目工程化。设计题目可根据办公楼、教学楼和工业厂房等实际工程采用单向板肋梁楼盖设计、双向板肋梁楼盖设计和无梁楼盖设计,由学生根据兴趣自主选题。课程设计的选题尽量接近和结合实际工程,培养学生工程设计的能力和思维方式。

2.注重培养学生综合设计能力 课程设计中,不少学生只是简单地照搬设计样板,或抄袭其他同学的设计,不能深刻理解设计原理。而结构设计涉及面很广,包括荷载组合、结构外型及尺寸的选定、钢筋的布置、施工工艺及技术、维护、经济性等多种因素。要使一个构件得到良好的受力和经济性,必须对上述各种因素进行合理设计。

通过培养学生综合设计能力可提高学生综合分析问题、解决问题的能力,增强了学生靠拢生产实际的意识。

3.增强培养学生运用手册、标准图和规范的能力

学生在课程设计过程中表现为依赖于教材和指导教师,在查用《混凝土结构设计规范》、《建筑结构荷载规范》和有关标准图集等方面欠缺。施工图绘制的深度不够,图面质量较差。

例如,课程设计中常用的09G901-4混凝土结构施工钢筋排布规则与构造详图（现浇砼楼面与屋面板）中单向板下部钢筋排布构造（图1）应用情况[5],学生表现为计算完受力钢筋后,不能运用相关图集进行钢筋布置和施工图的绘制。

图1 单向板下部钢筋排布构造

自2009年开始,笔者在土木工程专业的课程设计中加入综合设计能力和相关规范图集的运用。通过两年的试用,发现学生的设计思维能力提高了、规范和图集运用情况取得了良好改善,但运用的层次及理解程度还须进一步提高。

四、结束语

笔者于2009年3—7月和2010年3月和7月在对《混凝土结构原理》的讲授过程中,分别对土木工程专业2006级141名学生和2007级107名学生进行调查分析。90%的学生对《混凝土结构原理》课程教学过程中采用的开放试题、相关规范和图集的引用比较满意,学生期望混凝土结构实验的开展以及课程的调整。

《混凝土结构原理》课程的教学改革与实践教学方法,解决了教学中出现的有关问题,培养学生与工程对接的能力,增强学生的解决问题的能力与创新能力。笔者提出的教学改革及实践难免有不足之处,希望广大教育工作者验证与探讨。

[1] GB50010-2002.混凝土结构设计规范[S].

[2] GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].

[3] GB50152-92.混凝土结构试验方法标准[S].

[4] 姚振纲,刘祖华.建筑结构试验[M].上海,同济大学出版社.2009.95-103.

[5] 09G901-4.混凝土结构施工钢筋排布规则与构造详图（现浇砼楼面与屋面板）[S].

The reformation and practical teaching of the
course Princip les o f Concrete Structures

ZHAO Shu-li1,SUN Chao2

（1.College of U rban and Rural Construction,Agricultural University of Hebei,Baoding 071001;2.Baoding Vocational and Technical College,Hebei,Baoding 071001）

In thispaper,the p roblem s are found during the research of the course ofPrinciplesof concretestructuresabout the civil engineering major.To solve these p roblem s,this paper describes the countermeasures from the teaching content and teaching methods,etc.The educational system is constructed for the foundation of basic theory and the engineering p ractice-oriented system.In the end,this paper exp lores the interfacemeansof the teaching and engineering p ractice about the course.

concrete structures;teaching methods;engineering p ractice;course refo rmation

G 642.0 < class="emphasis_bold">文献标志码:A

A

1008-6927（2011）02-0189-04

2010-11-15

赵淑丽（1979-）,女,河北邢台人,在读博士,讲师,从事结构工程方向研究。

（编辑:刘雪春）