鋼結構教學創新實驗平臺的構思與探索

吳麗麗

(中國礦業大學(北京) 力學與建筑工程學院， 北京 100083)

鋼結構是土木工程專業最重要的課程之一,沒有實驗作為實踐載體,學生對鋼結構構件的基本構成與原理很難形成清晰的概念[1-4]。2014年我校在鋼結構課程學時非常緊張的情況下,首次開設了2學時鋼結構實驗課,根據實際情況提出創建鋼結構教學的多功能實驗平臺的構想,在這個過程中根據不同教學實驗需求, 設計多功能鋼結構實驗平臺和網絡虛擬仿真實驗室,并鼓勵開放式實驗室管理模式。實驗項目的設計考慮基礎性實驗和設計類實驗項目[5]。常規基礎性實驗項目包括工字型截面、T型截面、十字型截面柱的整體穩定以及工字型截面梁的整體穩定實驗。設計性實驗項目則可以根據學生在學習過程中遇到的問題自主提出或者根據導師科研項目的子課題獲取,鼓勵大膽實踐創新,曾經做過包括截面類型對軸心受壓柱整體穩定性的影響、焊縫連接和螺栓連接的傳力特點和破壞模式等方面的實驗研究,培養學生的創新意識與創新能力[6-7]。

1 基礎性鋼結構實驗課的開展及存在的問題

1.1 鋼結構實驗課的初步開展

2014年我校鋼結構課程第一次開設了常規基礎性實驗,它的基本定位是認識+部分演示。整個實驗大致分為前期計算分析(學生為主體)、試驗構件設計與操作(在教師的指導下完成),后期的數據整理分析(學生為主)。實驗文本工作包含3部分,即試驗構件設計分析計算書,實驗指導書和實驗報告。具體包括以下幾個環節:

(1) 根據理論教學中講解的關于工字型、十字型和T型等3種不同截面型構件,深入理解它們的失穩形態(見圖1),以及其穩定承載力計算方法。并通過2種途徑進行計算分析,即研究生帶領本科生學習有限元軟件,通過有限元分析獲得其失穩形態和荷載(分析結果見圖2),并同時按照鋼結構設計規范的穩定計算公式計算,與前者作對比。構件的具體尺寸需要根據實驗場地所能提供的凈空要求,因條件所限,此次實驗所設計的構件長度為1 m,構件的基本尺寸見圖3。

圖1 3種不同截面型構件失穩示意圖

圖2 3種截面型構件的有限元分析

圖3 試驗構件截面尺寸示意圖

(2) 編制“鋼結構基本原理”課程實驗指導書及與之配套的實驗報告(由學生觀測、整理數據后填寫)。實驗指導書中介紹實驗項目、實驗目的,試件、實驗設備以及實驗過程中的測量尺寸、對中、應變片黏貼、加載控制、數據量取和實驗現象的觀察記錄等問題。實驗報告要求學生詳細闡述實驗過程,并對實驗結果進行分析、總結等。通過實驗加深學生對鋼結構基本概念和理論的理解,并訓練學生的實際動手操作技能。

(3) 實施鋼結構材性實驗。根據國家標準《金屬拉伸試驗方法》GB228—87,1988,加工制作標準材性實驗用試件,測量其橫截面面積、確定標距。在實驗機上安裝試件,調試應變儀,正常工作后加載。實驗過程中記錄應變和相應的拉力值,最后繪制應力和應變曲線。確定抗拉強度、屈服強度、彈性模量、延伸率等。

(4) 在結構實驗室自平衡加載實驗架上架設實驗構件,如圖4所示,正確定位,安裝測量儀表,準備記錄實驗現象和數據。實驗完成后能整理分析如下實驗結果,其中包括:繪制試件跨中位置的荷載—水平位移曲線、繪制試件跨中截面的名義應力—平均應變曲線、總結各試件極限承載力數值、分析各試件的破壞模態、得出各試件的整體穩定系數并與鋼結構設計規范的結果進行比較。

1.2 當前存在的主要問題

限于本校結構工程實驗室條件相對比較薄弱的實際情況,鋼結構實驗課的開展尚存在一系列問題:

(1) 實驗場地狹窄。學院路校區結構實驗室面積僅66 m2,室內僅安裝了一套自平衡加載鋼架,備有100 t的液壓靜力加載作動器和50 t動力疲勞實驗機。由于參與這個實驗涉及的學生比較多,目前大約每屆7個班,各班平均30人,所以一次只能提供1個班的實驗。事實上，1個班進入實驗室后仍然很擁擠,很多學生沒有接觸實驗設備及構件的機會。與此同時,由于實驗涉及鋼結構構件的穩定,安全問題尤其重要,實驗中不允許學生過于靠近試驗構件。一些站在后面的學生無法觀察,且學生觀察視線受約束,參與度會受到影響。

圖4 實驗構件裝置示意圖

(2) 實驗設備性能不夠穩定。原來的加載系統油源噪音很大,控制過程中往往不太穩定,例如實驗當中某個構件加載開始后，力始終沒有達到預定值,然后作動器又突然向下運動,把構件瞬間壓彎,因此舊實驗設備還有待改進。

(3) 實驗項目有限。由于實驗場地和條件所限,目前鋼結構課程可以開展的實驗項目相對較少,再加上前面2點問題的存在,導致鋼結構實驗環節十分薄弱。很多設計性實驗項目,包括長細比對軸心受壓柱整體穩定性能的影響、薄壁矩形管受壓局部屈曲、高強度螺栓和焊縫連接實驗等都無法開展。

(4) 鋼結構實驗課課時太少。目前本校的鋼結構課程總共只有32學時,由于鋼結構理論課程內容較多,以前一直未開設相關的實驗課,從2014年起本科生新版教學大綱修改后才擠出了2學時實驗課,但目前的狀況是班級人數多、實驗室場地狹窄,所以名義的2個學時，實際上是教師背后6倍的付出,而且目前實驗運作模式尚處于摸索階段。

2 多功能鋼結構實驗平臺架的設計

為適應新形勢下創新型土木工程人才的培養要求,在教育部和學校、學院等多方面的支持下,本專業準備并正在開展的實驗室建設與改造分為2部分:

第一部分是改造原結構實驗室(見圖5),新增實驗系統由多通道電壓伺服加載系統、集成液壓泵站、反向軸壓試驗控制軟件等組成,實驗室中由網絡攝像機、觸摸電視機、NVR(網絡硬盤錄像機)組成的錄像直播系統,可以記錄實驗的整個過程,當結構實驗存在對實驗人員的危險時,可以通過同時錄像直播系統在電視屏幕前觀看實驗畫面(見圖6),同時可以保存實驗視頻,供后期教學長期使用。多通道電壓伺服加載系統一共有3個作動器,圖5中左、右兩側液壓作動器,可施加拉力和壓力2個方向的力或位移,最大加載值為30 t,圖5中間的液壓作動器,可施加正向和負向位移,最大加載值為50 t,力只能施加正向壓力。相比之前,新的實驗系統可以更好地滿足鋼結構實驗課項目的要求,構件長度可以增加,原來的鉸接節點模式得以實現,今后還可以開展部分其他設計性構件等創新性實驗項目。學生可以在屏幕前更清楚地觀察實驗現象,同時很大程度地解決了安全問題。

圖5 多通道電壓伺服加載系統

圖6 觸摸電視屏幕

第二部分,目前學校在沙河新校區給本專業配備400多m2的廠房,改造為新的土木工程結構實驗室。加載的反力試驗鋼架是鋼結構教學實驗平臺的重要核心元素,后期計劃開展不同尺度模型構件的需要。正在設計籌建多功能教學實驗平臺,在這套新的系統中可以實現前文提及的常規基礎性實驗和提高類的設計創新性的實驗,構件和節點實驗多樣化,尺度可以多樣化,實現一架多功能化的目的。實驗平臺上部設計了吊車桁架,方便試件的安裝與就位。同時為了保證安全,平臺周圍設置一些安全防護板,有效防范未知風險。加上場地寬敞,同時可以容納4～5個班級學生進行實驗,視線無遮擋,便于學生上手操作。另外,計劃購置4～5架自平衡反力裝置,方便學生分組實驗,讓更多學生有上手實驗的機會。

3 網絡虛擬仿真實驗室的開發

盡管新實驗室面積得以改善,但是有時也未能完全滿足本專業的教學需求。受實驗場地限制,有些情況下學生不可能參與所有實驗項目,加之有些實驗成本較高、危險性較大,為了保證實驗教學的系統性,計劃開發網絡虛擬仿真實驗平臺,即采用實體建模方式,在電腦上實現各種構件或結構體系的加載及屈曲模式,以及節點的構造方式與傳力機理,通過程序系統再現模型的觀察及細節拆分。有的實驗還可以通過多媒體動畫合成技術演示,從而可以實現實驗手段多樣化、靈活化,節省了課時和提高了效率。初步設想是學校提供校園網數據鏈接,方便學生進入實驗虛擬系統進行準備、加載、觀測和整理結果。

4 鼓勵開放實驗室管理模式

要真正發揮實驗室在鋼結構教學中的重要地位還需要做到一點,即引入開放實驗室管理模式。每個實驗室配備相應的實驗指導教師,實驗室采用“開放式”管理模式[8-10],鼓勵學生開展創新性實驗研究,學生課余可以通過申請實驗報告書,交由實驗教師審閱,然后由學生自主完成實驗項目。這個過程中,教師只是作為輔助指導者。學生通過設計試件、制作加工試件、試件加載、數據分析等一系列環節加強對知識點的理解。由圖7可見,不管是時間、空間、場地和設備的投入都是全方位的,其中意味著要犧牲教師更多的時間和精力,但是換來的是學生的成長和能力的提高。

圖7 實驗室“開放式”管理內涵

國外很多大學在很多方面都體現出實踐動手能力為主線的教學理念,例如美國明尼蘇達大學[11]、佐治亞理工學院[12]、加州大學洛杉磯分校等,他們基本的共性主要有幾個方面:

(1) 管理措施方面。國外大學實驗室的開放程度很高,實驗室能夠做到24 h開放,進出靠刷卡或“一把鑰匙”,這也是令初去美國的人很驚訝的地方。“一把鑰匙”可以開啟很多實驗室的門,這在國內很難想象。國外很多學校的所有實驗設備對全校師生開放,任何個人或者單位，只要事先得到認可，均可使用實驗室做實驗, 實現了設備共用、資源共享。當然在這個過程中他們的管理措施是很到位的,既保障實驗室高度開放運行,又能井然有序,還能避免低效率運行。

(2) 實驗課程體系方面。他們的實驗區分層次,而且較多與工業界關聯。

(3) 經費與儀器方面。國外大學的經費很多需要學生自籌,經費來源基本是教授負責制,責任教授是儀器的維護與管理的責任者。

今后若鋼結構實驗教學能在開放式實驗室管理模式下運行,相信學生能有更多機會自主完成實驗方案設計、數據測試及處理、實驗結果分析等內容,學生的探索求知精神及創造力都能激發出來,有利于學生在以后的研究生階段培養良好的科研習慣和啟發學生的創新思路。

5 結語

鋼結構實驗課作為鋼結構理論課程講授的必要補充,具有其他教學環節不可替代的作用。要充分調動學生求知欲,加深學生對鋼結構基本概念和理論的理解,開發新型的鋼結構教學創新實驗平臺已經成為當

務之急。根據不同教學實驗需求, 設計多功能鋼結構實驗平臺及網絡虛擬仿真實驗室,并在這個過程中鼓勵開放式實驗室管理模式,訓練學生對鋼構件和鋼結構連接的實驗技能, 為學生提供廣闊的創新空間,讓學生在實踐動手的過程中啟迪自身潛在的創新靈感。

References)

[1] 王偉,趙憲忠,郭小農,等.鋼結構多功能教學實驗平臺的研制與實踐 [J].高等建筑教育, 2009, 18(2):102-104.

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[12] 王云平.國外大學實驗室管理及其對國內開放實驗室的啟示[J].實驗技術與管理,2010,27(3):149-151.