混凝土結構設計原理課程教學方法的探討——以受壓構件正截面性能與設計為例

王英俊 （許昌學院土木工程學院，河南 許昌 461000）

1 引言

混凝土結構設計原理不僅是我校土木工程、道路與橋梁工程等專業必修的專業基礎課，還是畢業后在本專業其他領域繼續學習的堅實基礎，也是土木類專業碩士研究生入學考試的必考課程。該課程的主要內容包括鋼筋和混凝土材料的基本性能、混凝土結構構件承載能力極限狀態和正常使用極限狀態、梁、板、柱構件的受力性能分析、設計計算和構造措施等和預應力混凝土構件的基本性能等，內容豐富、理論嚴謹、實用性強，致使該課程學習相對較為枯燥，嚴重降低了學生學習的興趣和教學效果，由此導致教學過程中容易出現“教師難教、學生難學”的“兩難”局面。因此，如何提高本課程教學質量是目前亟需解決的問題。

針對上述特點，梁景章提出適當減少教師授課比重、采用講練結合和討論式、自主式的教學方法，引導和啟發學生進行獨立思考。魏曉剛等提出混凝土結構設計原理課程教學改革應立足于最新修訂的行業規范標準，結合現場施工新技術新工藝，充分利用學校的科研平臺和實驗平臺，調動現有的人力資源和技術優勢等方面。邱尊長建議加強網絡教學資源建設，即將相關課件、錄像、習題、參考資料等教學資源上網，學生提前下載學習相關知識。在此基礎上，著眼于“學”，以“人”為本、以“學”為中心，結合現代化教學工具，借助思維導圖、flash動畫制作軟件等，豐富教學內容，激發學生學習興趣、提高教學效率為目的進行教學方法的探討與改革。以《混凝土結構設計原理》第五章偏心受壓構件正截面性能與設計為例，分別從新內容的引入及展現、教學過程的設計和教學反思等方面進行探討，方法如下。

2 新內容的引入及展現

為了更好地讓學生接觸新知識，對新知識有一個更好的理解。首先，搜集國內外工程應用實例發布在學習通等網絡學習平臺，學生進行自主學習，對新知識有一個直觀的認識，并且運用所學知識進行受力分析，比如：房屋結構中的柱子邊柱、角柱等，由于柱子上部從屬面積的分布會導致合力點的位置并不在柱子形心處，由此形成偏心受壓柱；橋柱從屬面積的合力中心點也不在柱子的中心處，形成偏心受壓柱等。接著，采用思維導圖介紹該課程的主要內容及思路，思維導圖設計見圖1所示。

從圖1中可以清晰地看到該部分的主要內容：首先對偏心受壓柱進行試驗研究，從試驗現象和破壞模態中總結規律，得出大偏心受壓破壞柱和小偏心受壓破壞柱兩種模態；然后分別對大偏心受壓破壞柱和小偏心受壓破壞柱進行相關分析：產生條件、破壞過程、鋼筋和混凝土的應力-應變變化規律，進而推導出正截面受彎承載力計算公式，然后進行工程實例的應用。在公式推導過程中，考慮偏心受壓長柱的二階彎矩和重力二階效應，將柱兩端彎矩轉化為柱彎矩設計值進行公式的運用；隨后，由彎矩、軸力和縱筋配筋率之間的關系繪制M-N-ρ曲線的繪制及規律的判定；最后，根據《建筑抗震設計規范》中“三水準、兩階段”的設計要求，中震作用下結構應滿足構造要求的需求，進行構造要求的講解。

圖1 偏心受壓柱正截面承載力分析思維導圖

3 教學過程設計

根據圖1思維導圖中的內容進行講解，主要方法如下。

3.1 試驗研究

錄制鋼筋混凝土（RC）柱在軸力和剪力共同作用下的破壞過程視頻，讓學生分析柱在水平荷載作用下的破壞過程，研究裂縫發展規律，總結柱在不同條件下的破壞特征，即大偏心受壓破壞的條件為相對偏心距較大，且受拉鋼筋配置不夠多，破壞的主要特征是破壞從受拉區開始，受拉鋼筋首先屈服，然后受壓區混凝土被壓壞；小偏心受壓破壞的條件為相對偏心距較小或較大，但受拉鋼筋配置較多，或相對偏心距很小，柱全截面受壓，破壞的主要特征是受壓鋼筋屈服，受拉鋼筋不屈服；若相對偏心距更小，則可能發生離縱向力較遠一側的混凝土先被壓壞的情況。由此可得，大、小偏心受壓破壞界限的判斷依據是截面相對受壓區高度，即相對受壓區高度小于界限受壓區高度時為小偏心受壓破壞，否則，為大偏心受壓破壞。

3.2 理論分析

在實際工程中，分析永久荷載、可變荷載、地震荷載和風荷載等共同作用下柱端彎矩的分布情況，有以下三種情況：第一，兩端彎矩值相等且單曲率彎曲；第二，兩端彎矩值不相等且單曲率彎曲；第三，兩端彎矩值不相等且雙曲率彎曲。在這些彎矩的作用下，柱子將產生二階效應，彎矩則修正為柱設計彎矩M。

圖2 矩形截面非對稱配筋大偏心受壓構件截面應力計算圖形

以大偏心受壓構件為例，進行柱在彎矩M和軸力N共同作用下的受力分析。

根據受力平衡可得（系數法）：

公式適用條件：

3.3 工程實例的解決

根據偏心受壓柱的破壞規律及計算公式的適用條件，如何將計算公式應用到實際工程中，是理論教學的主要目的。工程應用主要分為兩部分：對新建工程進行截面設計和對在役工程進行截面校核。無論哪種情況，都應有一整套解決方案，見圖3所示。

圖3 偏心受壓柱解題思路

根據圖3所示解題思路，對某一鋼筋混凝土框架結構中的框架柱進行非對稱配筋設計：該柱截面尺寸b=300mm，h=400mm,a=40mm，結構安全等級為二級，承受的軸向壓力設計值為N=340kN，彎矩設計值M=184.458kN·m，彎矩作用平面內柱上下兩端的支撐長度為3.5m，垂直于彎矩作用平面方向柱的計算長度l=4.2m，混凝土強度等級為C30，縱筋采用HRB400級鋼筋，求受拉、受壓鋼筋配筋截面面積。

解：①判別偏壓類型

故按大偏心計算

②計算受拉和受壓鋼筋截面面積

③配置鋼筋

④驗算垂直于彎矩作用平面的受壓承載力

滿足受壓承載力的要求

3.4 彎矩-軸力-縱筋配筋率曲線的繪制

在偏心受壓構件受力過程中，彎矩、軸力和縱筋配筋率之間相互影響、相互聯系，通過MATLAB軟件編程繪制三者之間的關系，見圖4所示。在此圖中，如果軸力不變，則縱筋配筋率隨著彎矩的增加而增加；如果彎矩不變，大偏心時，縱筋配筋率隨軸力的增加而降低，小偏心則相反。牢記這個規則，在給定幾組不同內力組合時，會很輕松地判斷出內力的最不利組合，既省時，又準確。

圖4 彎矩-軸力-縱筋配筋率關系曲線

4 知識能力的鞏固及拓展

課堂教學時間有限，所有工程實際情況不可能在課堂之中完成，應借助課堂以外的時間對知識進行復習和鞏固。教師通過學習通等網絡學習平臺發布課后作業，作業類型涵蓋截面設計和截面校核的各個方面，促使學生對知識點的牢固掌握；然后學生作業提交到學習通等網絡平臺，教師通過微信群或QQ群隨時指導學生作業中的問題，達到發現問題、及時解決學生學習過程中的問題，增加學生自主學習的信心，提高學習效率。

在學習課本知識的過程中，應了解國內外研究最新進展。通過圖書館等網絡資源及時掌握最新信息，并將其發布在學習通等以供學生隨時了解。

5 教學反思和總結

在整個教學過程，以工程實例引入新知識點，使學生對知識有了直觀上的認識；以思維導圖的形式展現該知識點的主要內容，使學生清晰地了解新知識點的內容，做到心中有數；針對不同的教學內容，采用不同的教學方法，使課堂精神面貌煥然一新，調動了學生學習的積極性；學習通等網絡學習平臺的使用，使學生可以隨時隨地學習，接受新知識，促進學生知識能力的提高。該教學方法和思路不僅可以應用到本課程的教學過程中，還可以應用到具有類似課程的教學過程中，為其他教師的教學提供參考。