融合式教育視角下的結構模型實驗教學剖析

胡成秋, 肖珍珍, 楊寶全, 張　林

(四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室, 水利水電學院, 四川 成都　610065)

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融合式教育視角下的結構模型實驗教學剖析

胡成秋, 肖珍珍, 楊寶全, 張林

(四川大學 水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室, 水利水電學院, 四川 成都610065)

“水工建筑物”是水利水電工程專業本科生的一門專業課程,學生從中學習重力壩的相關理論知識,并采用材料力學法對壩體應力進行計算分析。為了培養學生的實踐能力和科研能力,基于多學科交叉以及理論與實踐結合的融合式教育方式,引入結構模型實驗教學,讓學生動手對某典型重力壩的應變進行測試,并計算壩體應力,同時引導學生對材料力學法的計算結果與模型試驗成果進行對比分析。該實驗課程能激發學生的研究興趣,并促進其多學科交叉思考,提升其自主學習和分析問題等綜合素質。

融合式教育； 理論與實驗； 結構模型試驗

隨著我國高等教育的迅猛發展,我國人才戰略中教育體系主線,已從傳統的灌輸式教育跨越為綜合素質的融合式教育培養[1]。結構模型試驗是對水工建筑物進行應力分析的常用方法之一,通常將理論計算和模型試驗相互驗證、互為補充,以驗證成果的合理性[2]。針對本科生課程“水工建筑物”引入結構模型實驗教學,是教學方法上的改進。本文以教學方法現代化的必然趨勢——融合式教育為原則,探討結構模型實驗教學,通過對重力壩實例的應力分析,引導學生進行理論知識聯系實踐的學習,倡導多學科交叉思考與自主學習和分析實際問題,從而提升綜合素質,突顯出多學科交叉以及理論結合實際的融合式教育的意義與重要性。

1　理論與試驗融合式教學

1.1融合式教育

人才培養、科學研究和社會服務是大學的主要職能,其中人才培養是大學最根本、最重要的職能[3]。專家指出,世界各國的教育經歷了3次變化[4]：灌輸式教育—園丁式教育—融合式教育。其中,灌輸式教育旨在傳授知識,園丁式教育旨在鼓勵學生自由發展,但仍存在分科過多、各科缺乏整體性等諸多弊端。20世紀末,世界各國提出和實驗融合的融合式教育[4]。

社會需要綜合型創新人才[5]。與實驗結合的融合式教育兼顧了理論與實踐,以提高學生的整體素質為目標,強調各個學科的融合[6]。放眼展望,融合式教育已成為教學方法現代化的必然趨勢。

1.2結構應力分析的理論與實驗融合教學

水工大壩結構的設計[7]要滿足安全、經濟、適用三大原則,其中安全占首位。目前實際工程中往往通過理論、科學與工程計算、試驗3種科學研究手段對水工大壩結構在正常工作狀態下的結構性態進行研究,分析其在設計荷載作用下的應力和變形狀態,評價其安全性[8]。水利水電工程專業學生在學習“水工建筑物”這門專業課程時,主要通過理論方法分析水工結構的應力狀態,如采用材料力學法對重力壩的壩體應力進行計算分析,但缺乏其他方法的學習和實踐,特別缺乏有針對性地對理論方法的結果進行分析。

結構模型試驗[9]是水工建筑物應力分析常用方法之一,特別是一些較大型并且復雜的結構形式,若同時邊界條件也復雜,則采用理論計算方法難以解決,但是可以通過結構模型試驗獲得較為滿意的結果,而且理論計算和模型試驗可以相互驗證、互為補充。它主要是確定在外荷載作用下,水工建筑物表面和內部的應力及位移分布狀態。本文基于多學科交叉以及理論與實踐結合的融合式教育方式,引入結構模型實驗教學,讓學生動手對某典型重力壩的應變進行測試,并計算壩體應力,同時引導學生對材料力學法的計算結果與模型試驗成果進行對比分析。

2　實例分析

本文以水工建筑物中較常見的擋水建筑物重力壩為研究對象,開展某典型重力壩結構模型試驗,使學生參與整個試驗過程,并要求對試驗成果進行應力分析。此外,為了引導學生將理論聯系實踐,學會多學科交叉思考與自主學習和分析問題,鼓勵學生利用已學材料力學法再次分析應力,并與結構模型試驗成果對比并分析。以融合式教育視角探析實驗教學的多元素,提高學生綜合素質。本文列出2種方法分析過程及成果對比以供參考。

2.1工程概況

研究對象取某水電站樞紐的非溢流重力壩段,壩高72m,壩頂寬8m,壩底寬60m,上游邊坡系數n = 0,下游邊坡系數m = 0.84。壩基面高程470.00m,壩上游設計水位540.00m,壩下游無水。壩體材料為混凝土,容重γp= 2.40t/m3,彈性模量為18.0GPa,泊松比為0.2,地基的彈模為20.0GPa,泊松比為0.2,容重γp= 2.60t/m3。壩體混凝土材料的容許抗壓強度為5MPa,容許抗拉強度為0.65MPa。

2.2結構模型試驗

2.2.1模型制作與量測

應力結構模型按照相似原理進行制作,其要求模型材料為線彈性材料,試驗選擇工程試驗中常用的石膏材料,先澆筑預制塊,再將干燥的預制塊按照模型設計要求雕刻成形。制作模型時,先制作壩基,再將壩體粘接在壩基上面。

試驗重點考慮壩的自重和水壓,在計算出原型的荷載后,根據相似原理換算出模型所受的水壓和自重。使用“千斤頂加荷法”加載模擬水壓,油壓千斤頂用WY-300/V型五通道自控油壓穩壓裝置供壓。在壩基處等間距布置1、2、3、4、5個應變測點,每個測點粘接3片直角應變花,采用萬能數值測試裝置(UCAM-70AL)測量應變,在壩體下游面上的水平和豎直方向共布置3個測點安裝6個變位計,使用SP-10A位移數顯儀測試壩體變位。其布置如圖1所示。

圖1　試驗模型圖

2.2.2試驗過程和結果

加油壓對模型進行預壓之后,加載至1倍正常水荷載,測試應變和位移數據,測試2次,計算時進行加權平均,以消除誤差。

根據結構模型試驗的相似原理,試驗獲得每個測點x方向(即0°方向)、y方向(即90°方向)和45°方向的應變之后,采用以下公式進行應力計算[10]：

x方向應力：

y方向應力：

剪應力：

主應力：

式中：σx、σy分別為測試x方向(即0°方向)和y方向(即90°方向)的應力，E、μ為模型壩體的變形模型和泊松比，ε0、ε90和ε45分別為測點x方向(即0°方向)、y方向(即90°方向)和45°方向的應變，τxy為測試剪應力、σ1,2為測點的第一和第二主應力，α第一主應力與 x軸或y軸的夾角，逆時針為正，順時針為負。

通過計算獲得模型壩體的應力，并根據相似關系換算成原型壩體對應部位的應力，該壩段的主應力分布如圖2所示。圖中壓應力為負值，拉應力為正值。

圖2　壩基面主應力圖(模型試驗成果)

2.3材料力學法

本次計算取單位寬度(b=1.0m)作為計算單元,只考慮正常蓄水位情況下自重、靜水壓力、揚壓力這3個基本荷載的組合情況[11]。應力計算先用偏心受壓公式計算水平截面上的正應力σy,再利用平衡條件求出截面上邊緣和內部各點的應力分量τ和σx,求出任意點的3個應力分量σx、σy和τ以后,即可計算該點的主應力和第一主應力的方向α。由以上的計算同樣可繪制壩基面各特征點的主應力分布圖,如圖3所示。圖中壓應力為正值,拉應力為負值。

圖3　壩基面主應力圖(材料力學法計算成果)

2.4兩種方法成果對比

將2種方法獲得的典型重力壩壩基面的應力成果進行對比分析,主應力對比表如表1所示。表中拉應力為負值、壓應力為正值。

表1　兩種方法壩基面各特征點主應力成果對比表

由表1可知,對于第一主應力來講,兩者的結果均符合常規,即在正常荷載作用下,壩體均呈現出壩踵小壓應力、壩趾最大壓應力的狀態,材料力學法和模型試驗計算的結果規律基本一致,表明用模型試驗的方法來研究大壩的結構性態是可行的,特別對于高壩,更是不可缺少的手段。當然兩者在數值上存在一定的差異,模型試驗所得到的應力值相對較大,這主要與模型中自重的加載有一定關系。由于石膏材料無法滿足自重相似,需要用千斤頂加自重,這種用面力代替體積力的辦法引起了一定的誤差。

另外由獲得的主應力還可以判斷該壩段的強度是否滿足要求[12]。由規范中的強度指標可知：當壩基計入揚壓力時,壩體中的應力值均應為壓應力,即σ≥0,在不計入揚壓力時,壩體中的應力σ≥0.25γh(式中γ為水的容重,單位為KN/m3；h為計算點的靜水頭,單位為m)；壩體下游面的最大主壓應力,不得大于混凝土的容許壓應力；在施工期壩內主壓應力不得大于混凝土的容許壓應力,在壩的下游面可以有不大于0.2MPa的主拉應力。混凝土的容許壓應力根據其極限強度及相應的安全系數確定,本工程中取為5MPa。

由主應力圖(見圖2、圖3)可以看出,在壩趾處壓應力水平較高,出現了應力集中但其應力均小于混凝土的抗壓強度,滿足設計要求。

3　結論

將結構模型試驗引入本科教學課程中,使學生能深入、直觀地了解模型測試技術,以及學會采用試驗手段解決工程中的實際問題,鞏固所學知識。應用結構模型試驗方法、材料力學法進行重力壩的應力分析,培養學生具備一定的模型試驗基本理論知識及操作技能,以及分析問題和解決問題的能力。與實驗結合的融合式教育,將理論課堂教育升華到實際操作訓練的綜合培養,可激發學生的研究興趣,引導學生學會開放思維，進行多學科思考,將理論聯系實際,學會分析問題,從本質上理解并進行多方面論證，保證研究的嚴謹性,培養了學生的綜合能力。

在重力壩應力分析方法上,材料力學法和模型試驗方法各有自己的特色和不足。材料力學法不考慮地基的影響,與實際情況不符。但多年的工程實踐證明,對于中等高度的壩,應用這一方法按規定的指標進行設計可保證工程安全。模型試驗由于石膏材料無法滿足自重相似,需要用千斤頂加自重,用面力代替體積力會引起一定的誤差。2種方法相互驗證,互為補充,可以更好地驗證成果的合理性,保證工程安全。

References)

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Analysisonstructuralmodelexperimentalteachingunderperspectiveofintegratededucation

HuChengqiu,XiaoZhenzhen,YangBaoquan,ZhangLin

(StateKeyLaboratoryofHydraulicsandMountainRiverDevelopmentandProtection,CollegeofWaterResourcesandHydropower,SichuanUniversity,Chengdu610065,China)

TheHydraulicStructuresisoneoftheprofessionalcoursestothewaterresourcesandhydropowerengineeringundergraduates.Thestudentslearntherelevanttheoreticalknowledgeofthegravitydam,andusethematerialmechanicsmethodtoanalyzethedamstress.Inordertocultivatethestudents’practicalabilityandscientificresearchability,thestructuralmodeltestteachingisintroducedbasedonintegratededucationalmodewhichpromotesmultidisciplinaryapproachandcombiningtheorywithpractice.Letthestudentstestthestrainofatypicalgravitydamandcalculatethedamstresspersonally.Guidethestudentstocomparethecalculationresultsofmaterialmechanicsmethodandstructuralmodeltest.Theexperimentalcoursecanstimulatethestudents’interestinstudy,andpromotetheirmultidisciplinarycrossthinking,andimprovetheircomprehensivequalitysuchasautonomouslearningandanalyzingproblems.

integratededucation;theoryandexperiment;structuralmodeltest

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.047

2015- 11- 03

國家自然科學基金資助項目(51379139)

胡成秋(1957—),男,四川自貢,高級實驗師,從事水工結構模型試驗相關的研究和教學工作

E-mail：271569251@qq.com

楊寶全(1985—),男(白族),云南大理,博士,講師,從事水利水電工程的教學科研工作.

E-mail：yangbqscu1019@163.com

G642.0

B

1002-4956(2016)5- 0181- 04