混凝土结构设计原理课程教学方法的探讨——以受压构件正截面性能与设计为例

王英俊 （许昌学院土木工程学院，河南 许昌 461000）

1 引言

混凝土结构设计原理不仅是我校土木工程、道路与桥梁工程等专业必修的专业基础课，还是毕业后在本专业其他领域继续学习的坚实基础，也是土木类专业硕士研究生入学考试的必考课程。该课程的主要内容包括钢筋和混凝土材料的基本性能、混凝土结构构件承载能力极限状态和正常使用极限状态、梁、板、柱构件的受力性能分析、设计计算和构造措施等和预应力混凝土构件的基本性能等，内容丰富、理论严谨、实用性强，致使该课程学习相对较为枯燥，严重降低了学生学习的兴趣和教学效果，由此导致教学过程中容易出现“教师难教、学生难学”的“两难”局面。因此，如何提高本课程教学质量是目前亟需解决的问题。

针对上述特点，梁景章提出适当减少教师授课比重、采用讲练结合和讨论式、自主式的教学方法，引导和启发学生进行独立思考。魏晓刚等提出混凝土结构设计原理课程教学改革应立足于最新修订的行业规范标准，结合现场施工新技术新工艺，充分利用学校的科研平台和实验平台，调动现有的人力资源和技术优势等方面。邱尊长建议加强网络教学资源建设，即将相关课件、录像、习题、参考资料等教学资源上网，学生提前下载学习相关知识。在此基础上，着眼于“学”，以“人”为本、以“学”为中心，结合现代化教学工具，借助思维导图、flash动画制作软件等，丰富教学内容，激发学生学习兴趣、提高教学效率为目的进行教学方法的探讨与改革。以《混凝土结构设计原理》第五章偏心受压构件正截面性能与设计为例，分别从新内容的引入及展现、教学过程的设计和教学反思等方面进行探讨，方法如下。

2 新内容的引入及展现

为了更好地让学生接触新知识，对新知识有一个更好的理解。首先，搜集国内外工程应用实例发布在学习通等网络学习平台，学生进行自主学习，对新知识有一个直观的认识，并且运用所学知识进行受力分析，比如：房屋结构中的柱子边柱、角柱等，由于柱子上部从属面积的分布会导致合力点的位置并不在柱子形心处，由此形成偏心受压柱；桥柱从属面积的合力中心点也不在柱子的中心处，形成偏心受压柱等。接着，采用思维导图介绍该课程的主要内容及思路，思维导图设计见图1所示。

从图1中可以清晰地看到该部分的主要内容：首先对偏心受压柱进行试验研究，从试验现象和破坏模态中总结规律，得出大偏心受压破坏柱和小偏心受压破坏柱两种模态；然后分别对大偏心受压破坏柱和小偏心受压破坏柱进行相关分析：产生条件、破坏过程、钢筋和混凝土的应力-应变变化规律，进而推导出正截面受弯承载力计算公式，然后进行工程实例的应用。在公式推导过程中，考虑偏心受压长柱的二阶弯矩和重力二阶效应，将柱两端弯矩转化为柱弯矩设计值进行公式的运用；随后，由弯矩、轴力和纵筋配筋率之间的关系绘制M-N-ρ曲线的绘制及规律的判定；最后，根据《建筑抗震设计规范》中“三水准、两阶段”的设计要求，中震作用下结构应满足构造要求的需求，进行构造要求的讲解。

图1 偏心受压柱正截面承载力分析思维导图

3 教学过程设计

根据图1思维导图中的内容进行讲解，主要方法如下。

3.1 试验研究

录制钢筋混凝土（RC）柱在轴力和剪力共同作用下的破坏过程视频，让学生分析柱在水平荷载作用下的破坏过程，研究裂缝发展规律，总结柱在不同条件下的破坏特征，即大偏心受压破坏的条件为相对偏心距较大，且受拉钢筋配置不够多，破坏的主要特征是破坏从受拉区开始，受拉钢筋首先屈服，然后受压区混凝土被压坏；小偏心受压破坏的条件为相对偏心距较小或较大，但受拉钢筋配置较多，或相对偏心距很小，柱全截面受压，破坏的主要特征是受压钢筋屈服，受拉钢筋不屈服；若相对偏心距更小，则可能发生离纵向力较远一侧的混凝土先被压坏的情况。由此可得，大、小偏心受压破坏界限的判断依据是截面相对受压区高度，即相对受压区高度小于界限受压区高度时为小偏心受压破坏，否则，为大偏心受压破坏。

3.2 理论分析

在实际工程中，分析永久荷载、可变荷载、地震荷载和风荷载等共同作用下柱端弯矩的分布情况，有以下三种情况：第一，两端弯矩值相等且单曲率弯曲；第二，两端弯矩值不相等且单曲率弯曲；第三，两端弯矩值不相等且双曲率弯曲。在这些弯矩的作用下，柱子将产生二阶效应，弯矩则修正为柱设计弯矩M。

图2 矩形截面非对称配筋大偏心受压构件截面应力计算图形

以大偏心受压构件为例，进行柱在弯矩M和轴力N共同作用下的受力分析。

根据受力平衡可得（系数法）：

公式适用条件：

3.3 工程实例的解决

根据偏心受压柱的破坏规律及计算公式的适用条件，如何将计算公式应用到实际工程中，是理论教学的主要目的。工程应用主要分为两部分：对新建工程进行截面设计和对在役工程进行截面校核。无论哪种情况，都应有一整套解决方案，见图3所示。

图3 偏心受压柱解题思路

根据图3所示解题思路，对某一钢筋混凝土框架结构中的框架柱进行非对称配筋设计：该柱截面尺寸b=300mm，h=400mm,a=40mm，结构安全等级为二级，承受的轴向压力设计值为N=340kN，弯矩设计值M=184.458kN·m，弯矩作用平面内柱上下两端的支撑长度为3.5m，垂直于弯矩作用平面方向柱的计算长度l=4.2m，混凝土强度等级为C30，纵筋采用HRB400级钢筋，求受拉、受压钢筋配筋截面面积。

解：①判别偏压类型

故按大偏心计算

②计算受拉和受压钢筋截面面积

③配置钢筋

④验算垂直于弯矩作用平面的受压承载力

满足受压承载力的要求

3.4 弯矩-轴力-纵筋配筋率曲线的绘制

在偏心受压构件受力过程中，弯矩、轴力和纵筋配筋率之间相互影响、相互联系，通过MATLAB软件编程绘制三者之间的关系，见图4所示。在此图中，如果轴力不变，则纵筋配筋率随着弯矩的增加而增加；如果弯矩不变，大偏心时，纵筋配筋率随轴力的增加而降低，小偏心则相反。牢记这个规则，在给定几组不同内力组合时，会很轻松地判断出内力的最不利组合，既省时，又准确。

图4 弯矩-轴力-纵筋配筋率关系曲线

4 知识能力的巩固及拓展

课堂教学时间有限，所有工程实际情况不可能在课堂之中完成，应借助课堂以外的时间对知识进行复习和巩固。教师通过学习通等网络学习平台发布课后作业，作业类型涵盖截面设计和截面校核的各个方面，促使学生对知识点的牢固掌握；然后学生作业提交到学习通等网络平台，教师通过微信群或QQ群随时指导学生作业中的问题，达到发现问题、及时解决学生学习过程中的问题，增加学生自主学习的信心，提高学习效率。

在学习课本知识的过程中，应了解国内外研究最新进展。通过图书馆等网络资源及时掌握最新信息，并将其发布在学习通等以供学生随时了解。

5 教学反思和总结

在整个教学过程，以工程实例引入新知识点，使学生对知识有了直观上的认识；以思维导图的形式展现该知识点的主要内容，使学生清晰地了解新知识点的内容，做到心中有数；针对不同的教学内容，采用不同的教学方法，使课堂精神面貌焕然一新，调动了学生学习的积极性；学习通等网络学习平台的使用，使学生可以随时随地学习，接受新知识，促进学生知识能力的提高。该教学方法和思路不仅可以应用到本课程的教学过程中，还可以应用到具有类似课程的教学过程中，为其他教师的教学提供参考。