通識教育下“混凝土結構設計原理”教學啟示與思考

摘要：混凝土結構設計原理是土木工程專業建筑工程方向一門重要的專業核心課，也是該專業整個通識教育體系中重要的一個教學環節。本文介紹了一些比較合理的教學模式及教學方法，并根據建筑工程方向最新的教學計劃，以沈蒲生教授主編的混凝土結構設計原理（第三版）為教材，分別從各章討論了通識教育下“混凝土結構設計原理”的教學啟示與思考，充分考慮學生的前期知識及后續課程的知識補充，使學生能夠整體把握所學的專業知識。

關鍵詞：混凝土結構設計原理；土木工程；通識教育；教學啟示與思考

混凝土結構設計原理是土木工程專業一門重要的專業基礎課以及核心課，著重培養了學生理論聯系實際，逐步學會運用相關規范，具備扎實的理論和結構設計能力，能夠分析鋼筋混凝土結構構件的基本性能，為今后的工作或者深造打下良好基礎。但是該課程內容多、信息量大、綜合性與實踐性強、教學難度較大。盡管由于國家教育部的專業調整以及學校教學計劃與人才培養目標的調整導致課程教學學時一再壓縮，但是根據我校土木工程專業建筑工程方向最新教學計劃，該課程學分數已從原來的3.5學分增加到4個學分，總學時也達到66學時，其中課堂學時為62，實驗學時為4，相較以前建工方向該課程的教學都已有了提高，可見混凝土結構設計原理對于建筑工程專業學生的重要性。

本校土木工程專業建筑工程方向采用沈蒲生教授主編、梁興文教授副主編的混凝土結構設計原理（第三版）為教學課本，全書共分為緒論、混凝土結構用材料的性能、混凝土結構設計方法、鋼筋混凝土軸心受力構件正截面承載力計算、鋼筋混凝土受彎構件正截面承載力計算、鋼筋混凝土受彎構件斜截面承載力計算、鋼筋混凝土受扭構件承載力計算、鋼筋混凝土偏心受力構件承載力計算、鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性、預應力混凝土構件設計以及附錄。該課程的教學涉及到四本規范：《建筑結構荷載規范》、《混凝土結構設計規范》、《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土結構設計規范》及《鐵路橋涵鋼筋混凝土和預應力混凝土結構設計規范》。該書主要針對土木工程專業建筑工程方向學生，故對學生要求主要了解前兩部規范在課程中的應用。課本中所涉及的路橋的相關設計可對學生不做要求，讓學生先對建筑工程中的鋼筋混凝土結構知識做全面透徹的學習，之后可以在對路橋的相關設計根據學生的興趣進行學習，以免在初學過程中造成知識混亂。現以沈蒲生教授主編的教材為依據，除緒論外，每章分別從通識基礎（前期知識）、啟示與思考（教學重點）以及實踐與拓展（后期需通過實踐進一步拓展與完善的知識）這三個方面介紹。

一、緒論

緒論部分雖然沒有涉及到很多的課程知識，但是講好緒論課有助于提高學生對于混凝土結構設計原理這門課的興趣，激發學生的求知欲，讓學生樂于這門課程的學習，并且引導學生把學習混凝土結構知識與實際生活聯系起來，引導學生為人類實際生活服務，故上好緒論課是激發興趣的關鍵步驟。授課可以利用大概一個課時的時間通過多媒體教學讓同學感性的認識什么是混凝土結構以及混凝土結構的優缺點，然后以講故事的形式介紹混凝土結構的發展簡史，將學生的思維引導進入新學科的大門并使他們對本學科產生較大的興趣。對比國內外混凝土結構的發展，簡要介紹該學科的最新動態、當前發展趨勢、研究熱點以及爭論的問題，激發學生的學習熱情，這就達到了緒論的目的。

二、混凝土結構用材料的性能

1.通識基礎：混凝土結構設計原理并非是一門獨立的課程，它需要學生之前學的課程知識做支撐，才能夠順利地學習新的知識。土木工程材料是學生前期的一門專業基礎課，它詳細介紹了在土木工程實際結構中各種材料，而本章的學習就依靠學生在該課程中學習的關于鋼筋以及混凝土的知識，對于學生既起到復習，也起到預習的作用。

2.啟示與思考：根據長期的教學經驗以及學生反饋，為了能夠更好地讓學生把握課程知識，教師的教學重點應在于詳細講解鋼筋與混凝土的各項性能，混凝土強度指標以及其余變形。而本章最大的難點就在于學生是否能透徹理解鋼筋與混凝土的粘結，它是保證鋼筋和混凝土這兩種力學性能截然不同的材料在結構中共同工作的前提，向學生講解清楚這一知識點有助于學生更深刻的理解鋼筋混凝土結構的工作，也能夠更好地理解之后課程中鋼筋混凝土的承載力計算。

3.實踐與拓展：本章主要涉及混凝土結構用材料知識，在整個通識教育體系中已完成了材料知識的學習，課后學生可以通過試驗深刻認識材料的各項性能，并且在教師的引導下分析影響材料的各項因素，掌握混凝土結構用材料的性能，以此為基礎可以深刻理解后續課程結構測試技術中混凝土結構檢測的機理，可以有比較的學習砌體結構、鋼結構設計原理中結構用材料的各項性能，從材料上認識不同結構的異同以及為后續課程建筑施工技術關于鋼筋混凝土工程章節打下基礎，幫助該課程適時地減少此方面的課時并加深應用。

三、混凝土結構設計方法

1.通識基礎：力學知識是土木工程學習的核心內容，在學習本章之前，學生就已在材料力學中簡單學習到了以容許應力法為基礎的設計方法，而本書是以《混凝土結構設計規范》為依據，該本規范已從容許應力法過渡到了以概率理論為基礎的極限狀態設計法，這就需要在通識教育下學到的概率論知識做基礎。

2.啟示與思考：由于已學過容許應力設計方法，這就要求教師應當講清極限狀態設計法的概念以及與容許應力法的區別，重點講解公式γoS≤R，各種荷載效應控制的組合以及它們出現的背景，學生要清楚理解這其中的意義并且靈活應用，荷載效應組合以及取值是建筑工程學生應當掌握的一項基本技能。課后教師應當要求學生熟悉一些出現在建筑工程中的專業術語，如安全等級、設計基準期、設計使用年限以及目標可靠指標等。

3.實踐與拓展：本章內容較抽象，要求學生清楚理解其中概念，因此教師應該有針對性的選擇部分題目以加深學生對于知識點的理解，這樣才能在后續章節以及課程混凝土結構設計、砌體結構、鋼結構房屋設計、基礎工程中關于結構設計的內容進行應用，這是建筑工程專業學生應用最普遍的知識點，學生務必掌握清楚。

四、鋼筋混凝土軸心受力構件正截面承載力計算

1.通識基礎。軸心受力構件是鋼筋混凝土結構中受力最簡單的構件，但從本章教學開始，授課教師應當幫助學生建立結構系統概念，改變以往單純的對基本構件講解的教學模式，培養學生整體思維能力。故教師在講解時應從建筑整體結構出發，通過荷載傳遞途經分析，將結構整體中的各個構件進行受力分析，確定受力類型，然后在講解該構件的設計原則和設計方法，以免使學生形成單純用公式解習題的習慣，不顧實際工程中的應用。但是這樣的教學模式就需要學生有一定的理論力學和結構力學知識，能夠進行結構的受力分析，達到環環相扣的效果。

2.啟示與思考。課堂教學時應當充分運用多媒體教學讓學生通過視頻來觀察該種構件的受力過程及破壞特征，加深學生的感性認識，這對于計算公式的理解記憶有很大的幫助，本章軸心受力構件中的重點、難點在于軸心受壓構件，講清計算公式的機理，幫助學生理解記憶并進行運用。本章開始已有大量的對構件的構造要求以及規范規定，需要學生在學習公式計算的同時注意構造要求，因此教師應當向學生強調構造的重要性，加深學生對構造要求及規范規定的認識，以免學生形成“重計算，輕構造”的不良習慣。

3.實踐與拓展。課后學生可以根據預先荷載自己設計軸心受力構件，通過試驗進一步了解鋼筋與混凝土共同工作時各自的作用以及相互的影響因素，深入理解課程知識，并能夠幫助研究后續課程鋼結構設計軸心受力構件計算的相關知識點，提高后續課程學習的效率。

五、鋼筋混凝土受彎構件正截面承載力計算

1.通識基礎。力學知識在這門課程的學習過程中相當重要，因此在學習混凝土結構設計原理之前學生一定要有良好的材料力學以及結構力學知識，能夠熟練地分析出結構中每個構件的受力情況。計算公式大多在一些基本假定的情況下利用平衡知識來推導，所以前期學的平衡理論也是相當重要，這在整個通識教育體系中都應該考慮到。

2.啟示與思考。本章是全書的重點章節之一，對本章內容的準確把握對于之后的教學至關重要。教師應當重點講清配筋率對受彎構件破壞特征的影響和適筋受彎構件在各階段的受力特點，利用多媒體播放受彎構件從開始加載到構件破壞的整個受力過程，讓學生們觀察其特點，同時也激發了學生的聽課興趣。講清適筋梁受彎構件應力階段的特點也能夠幫助學生更好地理解容許應力設計法和極限狀態設計法。本章最大的重點以及難點就是學生對于受彎構件計算公式的理解，一定要掌握公式的來龍去脈以及關于公式的各種推導。公式使用的前提也是本章的一個大難點，許多學生因為未能掌握好公式推導的前提而亂用公式解決問題，因此應當受到授課教師的重視。雙筋矩形截面以及T形截面正截面承載力計算則是單筋矩形截面正截面承載力計算的一個延伸，因此學生在理解了前述知識之后便能夠很容易的接受了。本章內容還有一些容易混淆的概念如混凝土保護層厚度和縱向受力鋼筋合力點，這兩個概念雖然在表面意義上相差較遠，但它們在截面的位置和取值學生很容易混淆，導致學生對如何正確計算截面有效高度ho存在困惑，以致設計計算中出現錯誤，因此教師需注意向學生分辨一些易混淆的知識點。

3.實踐與拓展。本章內容適合與下一章的內容做一個較大的實踐課，以鞏固加深認識。掌握本章內容，對完成混凝土結構設計所需做的課程設計，學習砌體結構中受彎構件承載力計算、基礎工程課程中柱下鋼筋混凝土單獨基礎底板配筋計算及樁基礎承臺設計都有很大的影響。

六、鋼筋混凝土受彎構件斜截面承載力計算

1.通識基礎。在學習本章內容之前需要學生具備一定的應力分析能力以及受力分析能力，學生可以在學習之前復習有關力學中的相關內容，本章難度加大，因此學生需要掌握前幾章的學習內容以期對這章內容更好的學習理解。

2.啟示與思考。通過大量學生的反饋信息，在課堂上教師應當重點講解無腹筋梁和有腹筋梁斜截面受剪承載力的計算公式和適用條件。然后通過大量的習題進行練習，對各種情況進行分析計算，加深理解。在有了一定的基礎之后，聯系前面所學內容進行綜合應用，通過此時的訓練可以讓學生對之前理解模糊的極限狀態設計方法以及各類分項系數、設計值有更好的認識。本章最大的難點在于正截面受彎承載力圖即材料圖，材料圖的作法和應用一直是學生在本章最大的問題，由于涉及到較多的構造要求以及規范規定，因此授課教師要重視對于此項內容的講解，以免學生在后面的學習受到影響。鋼筋的錨固長度、延伸長度和搭接長度也一直是學生們的難點所在，經常將這些概念混淆，教師在授課過程中也應當注意。在學習這幾章內容的過程中，教師要逐步加深學生們對構造要求的認識，要做到在重計算的同時不能輕構造。

3.實踐與拓展。本章節后應該安排實踐課時，由教師引導，學生自行分組進行設計試驗，從荷載要求、受彎以及受剪情況進行設計，然后在實驗室根據預先設計的條件進行試驗，借助實驗室的儀器進行觀測，最后要求學生將試驗過程和試驗結果詳細記錄下來，并引導學生對試驗結果進行分析，讓學生自行去查閱相關書籍以及規范，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的能力，以保證達到教學目的。受剪構件在砌體結構，鋼結構設計中均有涉及，所以學生應在學好鋼筋混凝土受剪構件計算的基礎上，掌握其他結構的受剪構件計算，并能理解、應用后續課基礎工程有關抗剪切計算的內容。

七、鋼筋混凝土受扭構件承載力計算

1.通識基礎。扭轉是結構承受的五種基本受力狀態之一，在之前的材料力學中學生已初步掌握了關于扭轉的計算，但扭轉相較于其他變形更加抽象，因此也加大的學生的學習難度。在學習之前學生要具備分析扭轉變形以及應力狀態的能力。

2.啟示與思考。對于本章的講解，授課教師應從實際結構抽象出受扭構件，形象其在學生心中的印象。通過多媒體課件以及超鏈接視頻講清受扭構件開裂以及破壞機理，重點在于矩形截面鋼筋混凝土純扭構件的計算模型以及彎剪扭構件的承載力計算，概念理解以及公式應用都是學生薄弱環節，因此這些知識點都是學生難點所在。教師講解時都應當使知識點形象化，加深學生理解。

3.實踐與拓展。課后學生可以通過做試驗觀察受扭構件的變性特點以及破壞特征，并參考其他教材進一步深入了解受扭構件各個材料在受扭過程中所起的作用，透徹理解構件承載力計算，受扭構件也是鋼結構設計中的難點，學生應以此為基礎學習鋼結構中梁的扭轉的課程內容，以便于理解。

八、鋼筋混凝土偏心受力構件承載力計算

1.通識基礎。軸心受力構件的計算理論以及有關壓桿穩定理論的知識是學習本章偏心受力構件的基礎以及前期知識，本章內容雖然相對較難，但是在學生掌握了相關的知識以及前述幾章的內容后，也能夠較好的理解本章內容。

2.啟示與思考。二階效應在其他課程雖然已經學習，但是針對本門課程教師應當在做以詳細講述，讓學生理解其在偏心受壓構件中的應用。本章授課教師應當重點講解偏心受壓構件中兩種不同的受壓破壞特征及由此劃分成的兩類偏心受壓構件，使得學生能夠掌握兩類偏心受壓構件的判別方法，清楚計算公式中各代表含義以及各自的適用條件。本章內容對于學生最大的難點為雙向偏心受壓構件的計算，大部分學生表示不理解其設計方法，在計算中不會應用，因此教師在講解時最好配以例題。偏心受力構件斜截面受剪承載力與之前受彎構件的斜截面受剪承載力計算方法類似，學生要掌握好其中異同。

3.實踐與拓展。本章要求的計算類型較多，教師應當在課后針對各種類型要求學生做習題加以強化。對于本章內容教師要引導學生多參閱其他相關教材，對本書中沒有詳細介紹的知識點進行補充，重點需要學生完善大小偏壓受力構件的分類方法，多做習題，這樣對于學習本課程后的混凝土結構單層工業廠房排架柱的設計，砌體結構受壓構件以及鋼結構拉彎、壓彎構件的計算都大有裨益，加深后續課的理解。

九、鋼筋混凝土構件的裂縫、變形和耐久性

1.通識基礎。本章從構件的承載能力極限狀態設計過渡到了正常使用極限狀態設計，在學習了第二章結構設計方法后，學生已初步掌握了根據不同要求對荷載進行各種效應組合，能夠滿足本章要求區分荷載效應的標準組合和準永久組合。對于不同的結構構件，在材料力學以及結構力學的課程中學生已經掌握了計算構件變形的方法，所以在本章學習中學生應當靈活應用。

2.啟示與思考。本章重點在于教師講清各種受力構件正截面最大裂縫寬度和受彎構件撓度驗算的計算公式，學生難以掌握的是計算裂縫寬度時各種不同受力構件的適用要求以及公式中各字母所代表的含義，學生在應用時由于情況較多導致容易弄混，教師在授課時應當注意。

3.實踐與拓展。教師可以在課后讓學生觀察實際結構中出現的各種裂縫以及構件的撓度，并分析各種裂縫及撓度的原因，重點讓學生掌握應當采取何種措施來控制裂縫，并加強學生對于構造措施的認識。如受彎構件的裂縫會在彎矩最大截面附近從受拉區邊緣開始出現與受拉方向垂直的裂縫，并逐漸向中和軸方向發展。類似讓學生進行分析，以增強實際應用能力以及對概念的深刻理解，后續課混凝土結構設計的課程設計中都要應用本章只是進行構件裂縫以及變形的驗算，學生務必要掌握該項知識點。

十、預應力混凝土結構設計

1.通識基礎。通過之前鋼筋混凝土結構的學習，學生了解到鋼筋混凝土構件的最大缺點是抗裂性差。由于混凝土的極限拉應變很小，在使用荷載作用下受拉區混凝土均已開裂，使構件的剛度降低，變形增大。由此學生也能自然而然的引入預應力混凝土結構。

2.啟示與思考。限于課時的要求，本章節可以只作為承上啟下的一部分，重點講解施加張拉控制應力時的預應力損失以及計算方法，這部分也是學生掌握的難點所在。其余部分由學生自愛后續課程中學習。

3.實踐與拓展。本章理論課時可適當減少，補充實驗課時，帶領學生到工地現場參觀預應力構件的制作過程，熟悉預應力混凝土構件的施工工藝及構造要求，加深學生的感性認識以及對各種錨具、先張、后張法等有更深刻的理解。在后期的建筑施工技術課程預應力混凝土工程章節中有詳細的介紹和有關的計算方法，學生可以以本章所學的內容為基礎，在建筑施工技術課程中深入學習。

十一、總結

混凝土結構設計原理教學往往只重視基本構件講解，然而建筑物是一個空間結構，各種構件以相應的方式共同工作，因此教師應當改變以往的教學模式，以整體式的思維講解課程，抓住教學重點，同時要注意學生在學習過程中容易忽視構造要求的習慣，所以教師應當在整個教學過程中重視對于構造要求以及規范規定的傳授，讓學生意識到構造與計算是同等重要的，同時應盡量增加實踐課時，讓學生親自觀察各類構件以及在真實結構中的作用，這樣學生不僅更好的學習了知識，也樂于對知識的學習，并為將來走上工作崗位打好基礎。在每章學習完之后教師不止應當布置課后習題，還應針對性的就一些概念理解出題來讓學生做，加深課程理解以及一些基本經驗的累積。這門課程涉及到多本規范，因此在講課過程中，有意引導學生去查閱與課堂知識相關的以及課本上所沒有介紹到的規范內容，強化學生學習規范的意識。本課程作為建筑工程方向學生教學的一個重要環節，要使學生形成一個整體的學習體系，把握前期課程以及后續課程與本課程的聯系，以達到教學計劃最終的培養目標。

參考文獻：

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