“高等混凝土结构理论”创新教学研究

刘小燕 彭建新

长沙理工大学土木工程学院 湖南长沙 410004

创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不朽动力。党的十八大以来，习近平总书记高度重视创新发展，在多次讲话和论述中反复强调“创新”，无论是在理论、制度观念上，还是在工作实际的践行中，都要有创新意识和创新思维，要敢于“吃螃蟹”，探索创新实践。特别是面对日益激烈的国际竞争，必须把创新摆在国家发展全局的核心位置，不断推进理论创新和制度创新，尤其是在科技、文化教育领域，要加大创新力度。为了实现中华民族伟大的复兴梦想，让中华民族屹立在世界之林，党和国家十分重视人才的培养，作为高校教育工作者，对人才培养，特别是对创新思维、创新能力、创新技术的人才培养，具有义不容辞的责任。然而，创新的思想、创新的方法、创新的成果一定是站在前人的基础上改良而来，或者依靠多学科技术的交互融合、相互碰撞产生灵感而来，还需要打破常规思维定式，勇于实践探索。在研究生的课程教学中，深感创新意识培养和创新能力训练的重要性，培养学生的创新意识体现在每一个教学环节，特别是课堂教学过程中，它是师生之间、学生之间相互交流碰撞的最好机会。作者在土木类桥梁、建筑、岩土、隧道、地下工程各专业方向开设的“高等混凝土结构理论”(博士生课程)课程教学中，通过学习、研讨、实践等环节，借不同学科的技术、方法相互碰撞，开展创新思维和创新意识的训练。

“高等混凝土结构结构理论”是博士研究生的一门重要专业基础课程，它在本科“钢筋混凝土结构”“结构设计原理”等课程学习的基础上，深入研究钢筋、混凝土材料的力学性能，特别是混凝土在二向、三向受力状态下的破坏特征(破坏包络曲线)、强度准则、本构关系，钢筋与混凝土的黏结机理，各种钢筋混凝土受力构件(拉、压、弯、剪、扭及其复合受力)的受力机理、受力特点、破坏性状，以及温度变形、徐变变形、变形差的结构反应，从而全面彻底地掌握混凝土、混凝土构件,甚至混凝土结构的特性、受力特点、承载力与使用性能。课程内容非常丰富，有理论分析、计算推导，有研究材料特性的实验，不同的试验还需要设计试验方法，尤其是对于一些钢筋与混凝土结合机理的研究，需要理论分析推导，通过试验加以验证，而且很多试验都是在不断失败、不断总结经验教训后才获得答案的。“高等混凝土结构结构理论”课程知识点多，理论分析和计算推导难度大，实验多，试验技术要求高。对于研究生的学习，学习知识是一方面，更重要的要学习研究的方法、试验的方法，能够掌握操作技能，自己进行试验、操作，获得预期结果，“高等混凝土结构结构理论”课程教学既要传授新知识，又要加强计算能力、实验动手等许多能力的训练，更重要的是要培养博士研究生的创新意识、创新思维和创新能力，在课程教学中，通过老师讲解、自学讨论交流、模拟计算、分析推理等多种教学形式，实现知识学习、能力训练、综合素质和创新意识的提高，从而在各自的研究领域萌生创新的火花。

一、在学习新知识、新理论时培养创新思维

知识是创新的基础，没有知识的积累和知识的储备，是不可能有创新的。“高等混凝土结构结构理论”课程有许多新的知识，也有一些是知识的深层研究。比如混凝土受压强度、强度本构关系等内容，在本科层次已经学习了混凝土抗压强度概念和测试抗压强度的实验，获得了应力应变曲线，如图1所示。

这条混凝土棱柱体的应力—应变全曲线是在经过精心设计、操作下的实验成果，然而这只是曲线的大概形状，如何用具体的数学式子描述曲线，获得混凝土受压时的应力—应变关系，满足计算需要，仍然有困难。经过研究，首先找到这条曲线的几个特征点(值)：起点O，应力和应变均为零，X点，应力达到峰值点，应力应变曲线的一阶导数为0，△为曲线的反弯点，应力应变曲线的二阶导数为零，E点，收敛点，其应力应变曲线的三阶导数为零，OX曲线是单调上升的，XE曲线是下降的，X点对应于峰值应力fc，相应的应变为ε0(其值约为0.002)。即使找到了这些特征点，仍然难以用合适的数学式子表示，各国学者提出了应力—应变全曲线方程的多种表达形式：多项式、三角式、指数式、组合式等。由不同的应力—应变理论曲线所得到的混凝土本构关系、强度准则的表达形式千差万别。如何获得符合工程实际、用于钢筋混凝土结构精确分析的本构模型，则需要开动脑筋不断尝试，针对不同情况合理采用。在学习知识、运用知识的过程中，发现问题，解决问题，提高分析问题和解决问题的能力，无不是一种创新实践过程。

图1 混凝土受压时应力—应变曲线

二、在实践和仿真计算时掌握创新方法，培养创新能力

实践出真知，试验研究、计算机编程仿真计算是研究生的两大法宝，由于混凝土材料的特殊性，或者新材料的引入，需要进行大量的试验，研究材料力学性能。由于条件限制和课时有限，课内没有安排实验，同学们借助软件开展仿真计算研究，如钢筋混凝土梁受力过程的非线性仿真计算，从有限元建模型到加载计算，获得梁的应力、变形、破坏情况，有限元模型、计算的示意如图2—图5所示。

图2 有限元模型

图3 梁应力、变形示意图

图4 混凝土应力图

图5 破坏模式示意图

通过有限元仿真计算，熟悉了钢筋混凝土梁正截面受力全过程各个阶段的受力特点和破坏表现，与已有的钢筋混凝土梁正截面试验研究结果进行对比分析，如果吻合，则说明仿真计算的可靠性，更重要的是掌握仿真计算的方法后，可以对同类结构开展仿真计算，达到触类旁通的效果。在受压、受扭、受剪等其他受力构件的受力特点分析时，也可以进行仿真计算，不必去做实验就能掌握构件的受力机理。博士研究生更需要通过试验、仿真计算等手段，发现未知，研究未知，这也是非常重要的创新实践，在创新实践中锻炼培养形成创新思维和创新能力。

三、在课题研究中钻研新理论、新方法，润育创新思维

研究生的学习贵在自学，重在创新，培训学习能力，特别是自学能力，是研究生教学的重要任务，在互联网、云数据、高科技迅速发展的时代，学习新理论、新技术、新方法是研究工作的根本要求，创新素养孕育在这些新理论、新技术、新方法中。在“高等混凝土结构理论”课程介绍高强混凝土、轻骨料混凝土等多种结构混凝土时，要求大家查阅国内外文献，掌握土木工程中所用的最新材料。除了高强混凝土外，大家自学了解到高强高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，简称UHPC)、石墨烯材料、碳纤维混凝土(Carbon Fiber Reinforced Polymer，简称CFRP)、玻璃纤维增强聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer，简称GFRP)、芳纶纤维增强聚合物(Aramid Fiber Reinforced Polymer)、偏高岭土地聚物(由富含硅和铝的天然矿物或固体工业废弃物粉煤灰和矿渣聚合而成)等新型材料的特性。有些学生所在团队一直研究这些新材料在工程中的应用，取得了许多研究成果，新材料的引入引发了许多思考，对原有技术、理论的改进，出现的新技术、新工艺、新方法，特别是通过学习、试验与模拟计算的实践、研究、再实践的科学活动，孕育科学素养，成就了创新能力。

四、在多学科的交流中突破思维定式，萌生创新灵感

学科交叉融合是创新的源泉，重大研究突破和创新成果大多是学科交叉融合的结果[2]。参考文献[3]作者谈到研究生的创新思维面临“无问的尴尬”“无解的煎熬”与“无路的迷茫”，这些现象都是因为研究进入一定深度后出现思维僵化的表现，要打破这种僵化的局面，学科交叉、多学科的相互融合不愧为一种有效模式。学科的交叉有利于突破思维定势、创新思维方式、激发创新灵感，它必然是科研重大突破的利剑。“高等混凝土结构理论”课程教学中，充分创造学科交叉相互学习的机会，让各专业方向的同学进行专题研究、交流报告，在课程学习的初期布置任务，每一位同学针对自己的研究课题撰写有深度的研究报告，占期末成绩的20%。结果发现，岩土学科方向学习借鉴桥梁工程用的高强混凝土材料，改变以往隧道衬砌采用普通混凝土的状况，应用更高强度、更好性能的混凝土，获得早强、高强的耐久性能的效果。桥梁桩基础的施工作业，特别是软土地区的桥梁基础加固，则充分学习港口大坝的“梅花形桩基”“锚桩”“灌注桩”等筑岛加固技术，获得好的效果，解决了工程“难题”。这些学科的交叉融合，打破常规的思维定式，促使新的灵感萌发，促进创新方法形成，有效地解决工程实际问题。

跨学科、大学科、新基建在当今是新兴理念，观念的转变是一个过程，需要由各学科专业相互交流借鉴引领，改变根深蒂固的学科界限思想。青年人最富朝气、思维活跃，最易接受新鲜事物，在研究生教学中开展跨学科的交流互动，是培养创新能力的重要抓手。

结语

创新并不是高不可攀、深不可测的，它是在前人的基础上进行改进，或者是对原理有新的补充，对方法进行改进，对工艺进行改良，对结果有新的发现。在研究生课程学习的过程中，善于把新旧知识在纵向或者横向“联系”起来，靠已知掌握未知，以“已知”推导“未知”，在知识的吸收消化过程中触发灵感，萌动新的思想，实践新思想，这就是一个很好的创新。