“混凝土结构设计原理”实验教学的改革探讨与实践

魏明强 魏相君 高忠虎

摘 要：“混凝土结构设计原理”这门课程不但在土木工程专业中属于理论性与实践性都很强的专业课程，同时该课程所对应的实验也是土木工程专业最为综合与复杂的实验。在新的《高等学校土木工程本科指导性专业规范》的指导下该实验得到进一步的加强，这与学校现有的实验软硬件条件产生了矛盾，本文提出了一种新的实验方法以及结构设计原理实验课的综合化设计理论，能很好地解决了这一矛盾，使学生通过实验真正理解并掌握了混凝土结构的原理与设计方法，为学生将来从事工程建设打下坚实的基础。

关键词：混凝土结构实验；综合化设计；教学改革；加载装置

Discussion and Practice on Experimental Teaching Reform

of Concrete Structure Design Principle

Wei Mingqiang Wei Xiangjun Gao Zhonghu

School of Civil Engineering，Northwest University for Nationalities GansuLanzhou 730030

Abstract：Concrete Structure Design Principle is a professional course with intensive theory and practice.The corresponding experiment of this course is also the most comprehensive and complex experiment of civil engineering.Under the guidance of the new guiding professional code for civil engineering undergraduates in Colleges and universities，this experiment has been further strengthened，which conflicts with the existing experimental software and hardware conditions of the University.This paper creatively puts forward new experimental methods and the comprehensive design theory of structural design principle experiment，which solves this contradiction well，makes students truly understand and master the principles and designs method of concrete structure through experiments，and lays a solid foundation for students to engage in engineering construction in the future.

Keywords：concrete structure experiment；integrated design；reform in education；loading device

土木工程本科專业涉及的“混凝土结构设计原理”是一门理论性与实践性都很强的专业课程，理论公式多且课程内容丰富，与其他专业基础课和专业课联系紧密，是一门信息量及教学难度均较大的课程。其中的课程实验包含的学时在《高等学校土木工程本科指导性专业规范》中推荐较少，因此在实际教学工作中无疑将面临实验教学内容多、授课学时少的矛盾。如何合理结合本校教学实际来组织实验教学，根据该课程的实验教学目的和任务，依据《高等学校土木工程本科指导性专业规范》，对“混凝土结构设计原理”实验教学进行改革，以“重基础、强实践”为原则，优化并整合实验教学内容，减少验证性以及演示性实验，增加综合性与设计性环节［1］。让学生从被动参向主动参与进行转变，使学生在规定的课时内理解并掌握本课程实验具有一定的现实意义［1］。

本文将从该课程实验教学中遇到的问题、教学方法、内容和手段等方面进行探索。首先，完善钢筋混凝土实验教学综合加载装置配置，根据实际情况，研究一套集加载、数据采集为一体，便于实验过程中及时进行数据采集和分析的实验装置；其次，提出土木工程专业综合实验的思路，对土木工程专业实验进行整合；最后，辅以线上线下相结合的实验方法，最终形成该课程的实验教学改革，对提高本课程的实践教学提供帮助。

1 “混凝土结构设计原理”实验所面临的难点

1.1 实验内容繁复且实验学时较少

“混凝土结构设计原理”的课程实验是土木工程专业最为复杂且大型的实验［2］。本课程实验所涉及的理论知识非常广泛，“混凝土结构设计原理”的实验课程是在掌握高等数学、土木工程材料、力学等相关先导课程为前提的基础上从而进行开展实验的，实验内容多而杂，且与工程实践联系紧密［3］。实验分为钢筋混凝土梁正截面破坏实验与钢筋混凝土梁斜截面破坏实验，其中钢筋混凝土梁正截面破坏实验又包括适筋梁、超筋梁与少筋梁三种破坏实验，而钢筋混凝土梁斜截面破坏实验又包括斜压破坏、斜拉破坏与剪压破坏三种破坏实验。而每一种破坏实验的周期都很长，且“混凝土结构设计原理”实验的构件准备工作还包括钢筋的下料、混凝土的配合比设计、钢筋笼的绑扎、应变片的粘贴、支模、混凝土的浇注以及试件的养护等，再加上实验前加载装置和测试装置的准备和安装，全部完成整个实验的周期较长。而《高等学校土木工程本科指导性专业规范》推荐学时较少，只有8个课时，在如此少的学时下很难按常规实验思路来完成上述实验。

1.2 实验设备以及实验场地的限制

“混凝土结构设计原理”的实验最初是按照演示实验的思路配备实验设备以及实验场地，但《高等学校土木工程本科指导性专业规范》要求实验从演示实验转变为学生动手的实验，并且对实验分组人数进行了限定，要求不超过4人/组，这使现有的设备以及场地都无法满足规范的要求，并且随着学生规模的不断扩大和科研试验的快速发展，这种矛盾日益增加。目前西北民族大学土木工程学院的加载设备仅有四组，加载方式为千斤顶+反力架的联合加载模式，其中由于室内场地限制，故这四组设备被放置在原位实验室即露天放置，而露天放置导致设备极易损坏且维修成本较高，基本每次实验时有一半设备不能正常工作，而目前每届招生人数在200人左右，要按照4人/组的原则完成规范里规定的实验基本不可能。

1.3 实验的高成本

由于“混凝土结构设计原理”的实验属于破坏实验，即实验的构件不能重复使用，而按照规范要求完成实验，则平均每人需要破坏掉1.25根实验梁，每届按200人计算则需消耗实验梁250根，其中每根实验梁如果从外界采购则需0.1万元左右，那么每年实验耗材就需要25万元，这里面还不包括前期实验设备的采买及维护，故而该实验消耗大、成本高且操作复杂，故很难开展大批量的现场实验。

2 “混凝土结构设计原理”实验课程的教学改革

面对上述在实验中遇到的困难与问题，本文着重从实验的方法、思路以及对土木工程实验进行综合设计等方面进行考虑。

2.1 改良钢筋混凝土实验教学综合加载装置

钢筋混凝土实验教学在很大程度依赖于实验装置，现有的实验设备提供的实验荷载仅为静荷载且不稳定，不稳定的荷载在数据还未采集完成时已经发生了变化导致实验数据的不准确，并且结构实验室原有的实验装置功能单一，数量较少，且与其他实验联合实验的可扩展性差，无法满足“混凝土结构设计原理”课程实验教学的硬件要求，根据实际情况，作者自己研发了一套杠杆式的钢筋混凝土实验教学综合加载装置并申请了国家专利（专利名称：一种钢筋混凝土适筋梁正截面实验装置，专利号：CN202022303256.3），该加载装置力的传导方式简单，实验装置不仅能提供静荷载，而且能提供动荷载，还可将静荷载与动荷载进行同时施加，实现动荷载与静荷载的耦合。并且本专利的实验装置通过杠杆原理施加荷载，使荷载的施加更为简便且提供稳定的荷载，故本专利的实验装置更加接近于工程实际，同时实验原理简单且易于操作，故易于在教学中推广。

高等学校土木工程学科专业指导委员会对土木工程专业本科教学提出了指导性专业规范，在该规范中明确要求加强钢筋混凝土适筋梁正截面实验。该实验在实验过程中主要有力的施加与变形的测量这两大块，其中现有实验装置中力的施加中主要由千斤顶完成，而千斤顶在施加力之后，由于实验梁的挠曲变形导致千斤顶所施加的荷载不稳定，其次千斤顶在施加荷载时只能施加静荷载，这与现实中钢筋混凝土梁既受恒载又受活载的现状不符，不能完成实验的要求。而本专利所设计的实验装置则能很好地解决上述问题，既可以施加稳定的荷载，又可以同时施加动荷载与静荷载，使钢筋混凝土适筋梁正截面实验与实际工程更加贴合，达到教学要求。本钢筋混凝土适筋梁正截面实验装置简图如下图所示：

钢筋混凝土适筋梁正截面实验装置图

本装置主要包括实验梁、荷载分配梁、加载装置、位移读取装置。实验梁为钢筋混凝土适筋梁，加载装置主要包括加力架、动砝码、静砝码以及电动机，位移读取装置为百分表。加力架采用杠杆原理，从而可以加载较大的荷载且荷载稳定。

该装置具体实验使用方法为：

（1）按照上图的方式布置钢筋混凝土适筋梁1、荷载分配梁2、位移计4以及杠杆加载系统。

（2）根据梁的极限荷载分级施加各级垂直压力，垂直压力中静荷载由静砝码8提供，动荷载由電动机9与动砝码10提供，电动机9可控制动荷载的频率，动砝码10可控制动荷载的大小。一切安装好之后可对实验梁施加耦合且稳定的动、静荷载。

（3）读取位移计4以及动静荷载值并记录，观察梁受理破坏过程以及裂缝的发展。

本发明形式简单，传力明确，易于操作，且施加的动、静荷载不会因实验梁发生挠曲变形而产生变化，所施加荷载稳定可靠，能够满足实验需要。

2.2 “混凝土结构设计原理”实验的综合化设计

“混凝土结构设计原理”实验内容不仅仅包含该课程的实验内容，同时涵盖了土木工程其他专业课程的一些实验。在混凝土构件浇筑制作阶段，该课程的实验就包含了“土木工程材料”中关于混凝土配合比等相关实验；在混凝土构件钢筋绑扎与支模版阶段，该课程的实验就包含了“土木工程施工实习”中现场施工实习所要学习的内容；在构件的加载阶段，该课程的实验就包含了“结构实验”中关于加载、应变片的原理及粘贴、位移计的安装、应变采集原理以及数据采集等一系列实验；在混凝土构件线上虚拟分析阶段，该课程的实验就包含了“有限元”中数值模拟的基本原理以及应用。而上述课程有些开设在“混凝土结构设计原理”的实验课之前，有些则开设在“混凝土结构设计原理”的实验课之后，导致学生在没有掌握相关知识时便开设“混凝土结构设计原理”的实验课，使得老师讲解相关知识比较费劲，学生学习起来也比较困难。同时“混凝土结构设计原理”的实验包含了其他一些实验课的相关内容，这造成了学生对相关实验的重复学习，产生财力、人力、物力的浪费。

针对上述问题本文提出对结构设计原理实验的综合化设计，即将“结构设计原理实验”“土木工程材料”“土木工程施工实习”“结构实验”“有限元”等课程实验结合起来，形成一门综合性的大实验，避免了结构设计原理实验中实验课程重复开展、相关实验课程开展的先后顺序错乱等问题，缓解了结构设计原理实验课时不够的困难。具体操作为在大一、大二学习“土木工程材料”与“土木工程施工实习”课程时完成结构设计原理实验中混凝土构件的制作，在大三学习“结构实验”与“有限元”课程时完成结构设计原理实验中混凝土构件的传感器铺设与数据的采集，以及虚拟仿真计算，最后在“结构设计原理实验”中进行加载并分析构件破坏形态，从而完美地完成了“结构设计原理实验”的课程目标，并解决了以前遇到的相关问题。

2.3 线上线下虚拟仿真结合

“混凝土结构设计原理”的实验具有破坏性强、耗费高、安全系数低等特点，查阅网上资料目前还没有一个高校对本科生开放了所有构件的破坏实验，但目前数值仿真技术的应用日益成熟，有多款软件已在全球大范围应用，如有限元分析软件ANSYS、ABQUAS等，其仿真计算结果也得到业内学者的认可，故我们完全可以将结构设计原理部分构件的破坏实验进行线上的虚拟仿真［4］。借助于线上虚拟仿真实验，可以极大地拓宽了实体实验的对象，弥补线下实验的不足，线上线下相结合后可覆盖所有的知识点。同时，通过线下虚拟仿真实验，可以改变以往被动参与实验过程的状况，每個学生可以自己动手设计实验的各个环节，掌控实验的每一个步骤。在线上虚拟仿真实验的过程中，可以实时监控并处理实验数据，绘制相应的力与变形曲线，让学生对实验构件的受力机理及相关理论知识有了直观且深入的理解。此外，学生在完成教学要求的实验外，还可以根据自己的想法增加其他的实验工况，开拓思维，提高认知水平，培养科研创新能力［5］。

3 结论

本文针对在土木工程专业“混凝土结构设计原理”的实验遇到的课程开设顺序不符合客观学习规律、课时较少难以完成所以实验、实验周期长成本高等问题，提出了新的实验加载方案，凝练出了“混凝土结构设计原理”的综合化设计思路，补充了线上虚拟仿真的实验方法，解决了教学活动中所出现的问题，使学生真正理解并掌握混凝土结构的原理与设计方法，采取了更灵活的方式，培养了学生分析问题和解决问题的能力，为学生将来从事工程建设打下坚实的基础。

参考文献：

［1］许英，汪宏，张益多，等.混凝土结构设计原理教学方法与教学手段探讨［J］.高等建筑教育，2008（03）：8891.

［2］郭恒宁，贺志启，刘艳，等.土木工程实验教学的虚拟仿真平台设计［J］.实验技术与管理，2019，36（03）：143145.

［3］夏红春.混凝土结构设计原理课程教学改革与实践［J］.高等建筑教育，2019，28（01）：8387.

［4］宋岩.基于卓越工程师计划的“混凝土结构设计原理”课程教学改革［J］.兰州教育学院学报，2013，29（12）：8384+87.

［5］韩林海，牟廷敏，王法承，等.钢管混凝土混合结构设计原理及其在桥梁工程中的应用［J］.土木工程学报，2020，53（05）：124.

基金项目：西北民族大学教育教学改革研究一般项目（2020YBJG59）；中央高校基本科研业务费专项资金（31920210079）

作者简介：魏明强（1982— ），男，汉族，甘肃人，硕士，西北民族大学土木工程学院副教授，研究方向：岩土与地下工程。