“混凝土结构设计原理”教学改进方法探讨

唐先习

（兰州理工大学土木工程学院 甘肃 兰州 730050）

“混凝土结构设计原理”是道路桥梁与渡河工程专业的专业基础课，是本专业的核心课程。本课程开设的目的是使学生具备混凝土结构设计的基本知识和基本理论，掌握混凝土结构的设计与计算方法。课程内容包括钢筋混凝土材料、构件强度的计算、构件刚度的计算等。其中构件强度的计算涉及构件在拉、压、弯、剪、扭等不同作用下的内容，也是本门课程的重点和难点。

“混凝土结构设计原理”总体上取得了良好的教学效果，但有的同学学习效果并不太理想，这与“混凝土结构设计原理”这门课理论性较强、内容相对抽象等有关系，但同时也和教学中未能有效结合本课程的特点、采用机动灵活的教学手段也有很大的关系。主要表现在以下几个方面：①教学内容里面讲得比较多的是往往是应力、应变等的变化或分布规律，而对于导致该变化或分布规律产生的深层次原因则未详细讲解，这就会导致学生难以有效地掌握该规律。②构造要求相对复杂。构造是学生首次接触到的内容，由于构造的内容相对复杂，构件受不同荷载作用时的构造要求往往不同，导致学生掌握起来相对困难。③计算公式较多，而且有的公式内容烦琐，公式系数的取值规定也较为复杂，因此学生理解和掌握起来相对困难。④在混凝土结构的设计中，构件的承载力是决定构件截面尺寸和配筋最关键的因素，而混凝土裂缝的开展对于钢筋的配置则具有更重要的意义，而这并未作为一条主线详细提及。

1 “混凝土结构设计原理”教学研究现状

在混凝土结构设计原理课程教学研究方面，张灵通等[1]以“混凝土结构设计原理”课程为例，研究了虚拟仿真技术和逆向教学设计的教改思路，提升了学生的实践能力和创新能力。曾祥蓉等[2]明确了混凝土结构设计原理课程互动教学设计的理论依据、教学目标、操作程序和操作策略，同时还提出了互动教学设计应注意的问题。池寅等[3]针对混凝土结构设计原理课程全英文教学中面临的突出问题，提出了相应的解决办法并进行了探索实践。陈佩圆[4]则对混凝土结构设计原理课程思政的切入点及融入途径进行了研究，提出了相应的教学方案。周明杰等[5]研究了基于工程教育专业认证的混凝土结构设计原理课程建设问题，提出从知识、技能、素质三个层面凝练课程目标，制订相应的教学大纲。秦世强等[6]则探索了对混凝土结构设计原理课程设计的教学改革，从选题设计、具体执行和考核过程进行了教学改革。魏丽华等[7]结合混凝土结构设计原理课程的教学，研究了疫情形势下的翻转课堂模式，分析了微课制作和翻转课堂实现方式及注意事项。陶燕等[8]则对混凝土结构设计原理课程教学中采用形象化教学法感知结构概念的方式进行了研究。

以上的内容从不同的角度对混凝土结构设计原理课程教学的方式方法进行了研究和探讨，总体内容相对较多。但研究并未具体地结合混凝土结构设计原理课程中教学内容的实际特点提出教与学相结合的措施和方法，特别是提高教与学质量的措施和方法。因此，本文结合混凝土结构设计原理课程教与学中的具体情况和出现的问题，探索研究相应的教与学改进方法，对学生学习和掌握相关知识具有重要的意义。

2 教学方法的改进

2.1 从原理上解释规律

课程教学中对于结构设计原理中的一些内容，往往只是讲规律，而对于规律产生的原理往往没有详细提及，这不但增加了理解和记忆的难度，而且也不利于相应规律的掌握。比如对于复合应力状态下的混凝土强度规律，只讲了双向受压、一向受压一向受拉、双向受拉的混凝土强度变化规律。其中双向受压时，一向的混凝土强度随着另一向的压应力增加而增加；一向受压一向受拉时，双向混凝土的强度均低于单向受力的强度；双向受拉时，受拉双向的混凝土强度均接近于单向抗拉强度。

复合应力状态下混凝土强度出现这一规律，从裂缝开展的源头来讲则非常明确。混凝土强度是标准试件在标准养护条件下，依照标准试验方法测得的强度值。混凝土达到最大强度值时，不能再承受更大的力，这时主要是混凝土试件内裂缝的开展达到了一定的程度，再增加荷载试件就会被破坏。而在复合应力状态下，一个方向的应力会对另一个方向的裂缝发展产生影响。比如当试件承受一个方向（设为Y方向）的压应力Y作用时，试件裂缝的会沿着压应力Y的方向（Y方向）伸长，而在垂直于压应力Y的方向（设为X方向）变宽。当在X方向同样施加压应力X时，该压应力X就会限制原来开展的裂缝宽度进一步发展，从而使裂缝的长度难以伸长。如果想让试件仍由Y方向的压应力Y破坏，则Y方向的压应力Y就要再增大。因此，X方向的压应力X越大，Y方向的抗压强度Y就越大（见图1）。反之，将Y方向与X进行调换，会出现同样的效果。这就较好地解释了双压受拉时，一向的混凝土强度随着另一向的压应力增加而增加的规律。

图1 双向受压试件示意图

当试件在Y方向的压应力Y作用下产生沿Y方向伸长的裂缝时，如果在X方向施加拉应力X，这个拉应力X就会使原来的裂缝在X方向的宽度开展得更快，从而使裂缝在Y方向的长度伸长得也越快，这样就导致Y方向的应力Y不需要像原来一样大，试件就会在Y方向被压坏，因此试件在Y方向的抗压强度Y就降低。同样可以理解为，Y方向的压应力Y使试件在X方向的抗拉强度值X降低（见图2）。反之，将Y方向与X方向进行调换，会出现同样的结果。这就较好地解释了试件在一向受压一向受拉时双向混凝土的强度均低于单向受力的强度。

图2 一向受压一向受拉试件示意图

而对于双向受拉的试件，先假设试件在X方向的拉应力作用下开裂，则裂缝顺着与X方向垂直的Y方向伸长，裂缝的宽度沿着X方向变宽。而当在Y方向也施加拉应力时，该拉应力对裂缝在X方向的宽度几乎没有什么影响，而对于裂缝在Y方向的长度也不产生大的影响，因此在Y方向施加的拉应力对于试件在X方向的抗拉强度几乎没有影响（见图3）。反之，将X方向与Y进方向行调换，会出现同样的结果。这就较好地解释了试件在双向受拉时，受拉双向的混凝土强度均接近于单向抗拉强度。

图3 双向受拉构件示意图

2.2 积极进行归纳总结

在混凝土结构设计原理的内容里，结构的构造问题是同学们较难掌握的一个主要内容，构造主要包括混凝土保护层厚度、主钢筋直径、主钢筋距离、构造钢筋直径、构造钢筋距离等。问题的难点在于对于不同的受力构件，比如对于受弯构件和受压构件，结构的构造要求往往不同，因此容易造成学生对于相关构造掌握和记忆的困难。在这种情况下，最好就是采用归纳总结的方式进行相关内容的教学和学习。具体就是从这方面内容的教学开始，就将各种构造分门别类地填在表格中。随着学习的深入，不断增加不同受力形式构件的构造，通过归纳总结进行学习和掌握。构造要求的参考表格见表1。

表1 钢筋混凝土构件的构造要求

以受弯构件的教学为例，在进行相关内容的教学时，根据教材及相关规范的规定，确定混凝土最小保护层厚度，以及建议的最大保护层厚度，将相应的内容填到表格的对应栏目内。对于钢筋的直径，则分为主钢筋的直径和构造钢筋的直径。两种钢筋的直径分别包括钢筋的外径和钢筋的公称直径，这两种直径代表的意义不一样，规范上对其数值的规定也不一致，因此一定要明确区分，以免产生混淆。而对于钢筋的距离，同样分为主钢筋的距离和构造钢筋的距离，并有钢筋间距和钢筋净距两种表示方法，钢筋间距是钢筋的中心到另外钢筋中心的距离，而钢筋净距则是钢筋边缘至另外钢筋边缘之间的最短距离，规范中有时要求的是钢筋间距，有时要求的是钢筋净距，这一点同样需要明确。

受弯构件教学完成后，在进行受剪构件的教学时，对于构造的每一项要求，要与受弯构件的相应要求进行对比归纳。同时还要从原理上搞清楚造成构造要求不同的原因，从而进一步强化对构造要求的理解和掌握。受扭构件、受拉构件和受压构件以及复合受力构件的教学，也采用同样的方式进行。

2.3 灵活采用对比分析

在混凝体结构设计原理中，部分内容是相互并列、同时又循序渐进的。特别是对于复合受力构件，其受力特性由各项单荷载作用产生的特性耦合而成，因此复合受力构件的力学计算公式也往往是由单项荷载作用计算公式耦合而成。将复合受力构件的计算公式与各单项荷载作用的计算公式进行对比分析，搞清楚公式的相同点与不同点，对于增强学生理解和掌握公式具有重要的作用。

比如对于受弯构件的斜截面抗剪，在进行斜截面抗剪承载力计算时，为保证构件不发生斜压破坏，规定了承载力公式的适用范围，即规定了上限值（截面最小尺寸），其公式为：

对于受扭构件的承载力计算，为防止出现少筋破坏的情况，同样规定了承载力公式应用的上限值（截面最小尺寸），其公式为：

而对于剪扭复合构件，计算其承载力时的公式同样规定了上限值，其公式为：

对比公式（1）、公式（2）和公式（3）可知，公式（3）就是公式（1）和公式（2）的叠加组合，其承载的强度取的也是两项效果的组合作用，这样就可以把公式（1）、公式（2）和公式（3）进行对比掌握，同时加深了学生对公式的理解。

2.4 抓好混凝土裂缝这条主线

对于钢筋混凝土结构而言，主要内容包括材料的性能、构件的强度和刚度三部分，在这三部分中，混凝土的裂缝是贯穿始终的一个关键线索。在混凝土的材料部分，以裂缝开展到一定程度、试件的承载力不能再增加作为材料的强度值。而在构件的强度部分，包括构件承受拉、压、弯、剪、扭等的作用，承载力计算的依据是材料的强度设计值，而构件破坏的表现形式仍然是构件的混凝土裂缝，特别是混凝土结构表面的裂缝发展状况。而在构件的刚度方面，对于受弯构件而言，主要就是挠度和裂缝宽度，这个宽度仍是裂缝的表面宽度。

在混凝土结构设计原理的教学中，可结合构件表面裂缝的位置、形状以及尺寸，以及裂缝产生的时间和发展规律，对构件裂缝产生的原因、裂缝产生后对构件承载力的影响进行预判。比如对于受跨中荷载作用的梁体，弯矩作用下的受拉裂缝往往会从跨中底部出现，慢慢向上延伸，裂缝的横断面形状一般为楔形，延伸方向与梁体纵轴线垂直。而剪力作用下的剪裂缝往往出现在支座附近，大约在支座向跨中部位方向的一倍梁高范围内，裂缝表面形状显示为两端尖、中间宽的梭形，裂缝的延伸方向与梁体纵轴线的夹角约为45°，且裂缝的上端向跨中方向倾斜。而对于受扭构件，则会沿构件表面产生螺旋形裂缝。因此，受弯构件底部配置纵向钢筋承受拉应力，而在受剪区域则采用弯起钢筋与裂缝的纵向延伸方向垂直以抵抗裂缝的开展。而在受剪部位配置箍筋抗剪以及受扭构件配置主筋和箍筋构成的框架结构来抗剪，则是根据具体情况而采取的措施。在混凝土结构设计原理的教与学中抓好混凝土裂缝这一条主线，则可对于该课程的教与学起到关键的作用。

3 结语

在“混凝土结构设计原理”的教学中，通过采用以上多种灵活的教学手段，使同学们掌握了学习该门课程的技巧，而不再像以前一样仅凭着记忆进行学习。同时，灵活的教学手段也提高了同学们学习的积极性和主动性，从而使同学们的学习成绩有了很大的提高，取得了良好的教学效果。