“混凝土結構設計原理”教學改進方法探討

唐先習

（蘭州理工大學土木工程學院 甘肅 蘭州 730050）

“混凝土結構設計原理”是道路橋梁與渡河工程專業的專業基礎課，是本專業的核心課程。本課程開設的目的是使學生具備混凝土結構設計的基本知識和基本理論，掌握混凝土結構的設計與計算方法。課程內容包括鋼筋混凝土材料、構件強度的計算、構件剛度的計算等。其中構件強度的計算涉及構件在拉、壓、彎、剪、扭等不同作用下的內容，也是本門課程的重點和難點。

“混凝土結構設計原理”總體上取得了良好的教學效果，但有的同學學習效果并不太理想，這與“混凝土結構設計原理”這門課理論性較強、內容相對抽象等有關系，但同時也和教學中未能有效結合本課程的特點、采用機動靈活的教學手段也有很大的關系。主要表現在以下幾個方面：①教學內容里面講得比較多的是往往是應力、應變等的變化或分布規律，而對于導致該變化或分布規律產生的深層次原因則未詳細講解，這就會導致學生難以有效地掌握該規律。②構造要求相對復雜。構造是學生首次接觸到的內容，由于構造的內容相對復雜，構件受不同荷載作用時的構造要求往往不同，導致學生掌握起來相對困難。③計算公式較多，而且有的公式內容煩瑣，公式系數的取值規定也較為復雜，因此學生理解和掌握起來相對困難。④在混凝土結構的設計中，構件的承載力是決定構件截面尺寸和配筋最關鍵的因素，而混凝土裂縫的開展對于鋼筋的配置則具有更重要的意義，而這并未作為一條主線詳細提及。

1 “混凝土結構設計原理”教學研究現狀

在混凝土結構設計原理課程教學研究方面，張靈通等[1]以“混凝土結構設計原理”課程為例，研究了虛擬仿真技術和逆向教學設計的教改思路，提升了學生的實踐能力和創新能力。曾祥蓉等[2]明確了混凝土結構設計原理課程互動教學設計的理論依據、教學目標、操作程序和操作策略，同時還提出了互動教學設計應注意的問題。池寅等[3]針對混凝土結構設計原理課程全英文教學中面臨的突出問題，提出了相應的解決辦法并進行了探索實踐。陳佩圓[4]則對混凝土結構設計原理課程思政的切入點及融入途徑進行了研究，提出了相應的教學方案。周明杰等[5]研究了基于工程教育專業認證的混凝土結構設計原理課程建設問題，提出從知識、技能、素質三個層面凝練課程目標，制訂相應的教學大綱。秦世強等[6]則探索了對混凝土結構設計原理課程設計的教學改革，從選題設計、具體執行和考核過程進行了教學改革。魏麗華等[7]結合混凝土結構設計原理課程的教學，研究了疫情形勢下的翻轉課堂模式，分析了微課制作和翻轉課堂實現方式及注意事項。陶燕等[8]則對混凝土結構設計原理課程教學中采用形象化教學法感知結構概念的方式進行了研究。

以上的內容從不同的角度對混凝土結構設計原理課程教學的方式方法進行了研究和探討，總體內容相對較多。但研究并未具體地結合混凝土結構設計原理課程中教學內容的實際特點提出教與學相結合的措施和方法，特別是提高教與學質量的措施和方法。因此，本文結合混凝土結構設計原理課程教與學中的具體情況和出現的問題，探索研究相應的教與學改進方法，對學生學習和掌握相關知識具有重要的意義。

2 教學方法的改進

2.1 從原理上解釋規律

課程教學中對于結構設計原理中的一些內容，往往只是講規律，而對于規律產生的原理往往沒有詳細提及，這不但增加了理解和記憶的難度，而且也不利于相應規律的掌握。比如對于復合應力狀態下的混凝土強度規律，只講了雙向受壓、一向受壓一向受拉、雙向受拉的混凝土強度變化規律。其中雙向受壓時，一向的混凝土強度隨著另一向的壓應力增加而增加；一向受壓一向受拉時，雙向混凝土的強度均低于單向受力的強度；雙向受拉時，受拉雙向的混凝土強度均接近于單向抗拉強度。

復合應力狀態下混凝土強度出現這一規律，從裂縫開展的源頭來講則非常明確。混凝土強度是標準試件在標準養護條件下，依照標準試驗方法測得的強度值。混凝土達到最大強度值時，不能再承受更大的力，這時主要是混凝土試件內裂縫的開展達到了一定的程度，再增加荷載試件就會被破壞。而在復合應力狀態下，一個方向的應力會對另一個方向的裂縫發展產生影響。比如當試件承受一個方向（設為Y方向）的壓應力Y作用時，試件裂縫的會沿著壓應力Y的方向（Y方向）伸長，而在垂直于壓應力Y的方向（設為X方向）變寬。當在X方向同樣施加壓應力X時，該壓應力X就會限制原來開展的裂縫寬度進一步發展，從而使裂縫的長度難以伸長。如果想讓試件仍由Y方向的壓應力Y破壞，則Y方向的壓應力Y就要再增大。因此，X方向的壓應力X越大，Y方向的抗壓強度Y就越大（見圖1）。反之，將Y方向與X進行調換，會出現同樣的效果。這就較好地解釋了雙壓受拉時，一向的混凝土強度隨著另一向的壓應力增加而增加的規律。

圖1 雙向受壓試件示意圖

當試件在Y方向的壓應力Y作用下產生沿Y方向伸長的裂縫時，如果在X方向施加拉應力X，這個拉應力X就會使原來的裂縫在X方向的寬度開展得更快，從而使裂縫在Y方向的長度伸長得也越快，這樣就導致Y方向的應力Y不需要像原來一樣大，試件就會在Y方向被壓壞，因此試件在Y方向的抗壓強度Y就降低。同樣可以理解為，Y方向的壓應力Y使試件在X方向的抗拉強度值X降低（見圖2）。反之，將Y方向與X方向進行調換，會出現同樣的結果。這就較好地解釋了試件在一向受壓一向受拉時雙向混凝土的強度均低于單向受力的強度。

圖2 一向受壓一向受拉試件示意圖

而對于雙向受拉的試件，先假設試件在X方向的拉應力作用下開裂，則裂縫順著與X方向垂直的Y方向伸長，裂縫的寬度沿著X方向變寬。而當在Y方向也施加拉應力時，該拉應力對裂縫在X方向的寬度幾乎沒有什么影響，而對于裂縫在Y方向的長度也不產生大的影響，因此在Y方向施加的拉應力對于試件在X方向的抗拉強度幾乎沒有影響（見圖3）。反之，將X方向與Y進方向行調換，會出現同樣的結果。這就較好地解釋了試件在雙向受拉時，受拉雙向的混凝土強度均接近于單向抗拉強度。

圖3 雙向受拉構件示意圖

2.2 積極進行歸納總結

在混凝土結構設計原理的內容里，結構的構造問題是同學們較難掌握的一個主要內容，構造主要包括混凝土保護層厚度、主鋼筋直徑、主鋼筋距離、構造鋼筋直徑、構造鋼筋距離等。問題的難點在于對于不同的受力構件，比如對于受彎構件和受壓構件，結構的構造要求往往不同，因此容易造成學生對于相關構造掌握和記憶的困難。在這種情況下，最好就是采用歸納總結的方式進行相關內容的教學和學習。具體就是從這方面內容的教學開始，就將各種構造分門別類地填在表格中。隨著學習的深入，不斷增加不同受力形式構件的構造，通過歸納總結進行學習和掌握。構造要求的參考表格見表1。

表1 鋼筋混凝土構件的構造要求

以受彎構件的教學為例，在進行相關內容的教學時，根據教材及相關規范的規定，確定混凝土最小保護層厚度，以及建議的最大保護層厚度，將相應的內容填到表格的對應欄目內。對于鋼筋的直徑，則分為主鋼筋的直徑和構造鋼筋的直徑。兩種鋼筋的直徑分別包括鋼筋的外徑和鋼筋的公稱直徑，這兩種直徑代表的意義不一樣，規范上對其數值的規定也不一致，因此一定要明確區分，以免產生混淆。而對于鋼筋的距離，同樣分為主鋼筋的距離和構造鋼筋的距離，并有鋼筋間距和鋼筋凈距兩種表示方法，鋼筋間距是鋼筋的中心到另外鋼筋中心的距離，而鋼筋凈距則是鋼筋邊緣至另外鋼筋邊緣之間的最短距離，規范中有時要求的是鋼筋間距，有時要求的是鋼筋凈距，這一點同樣需要明確。

受彎構件教學完成后，在進行受剪構件的教學時，對于構造的每一項要求，要與受彎構件的相應要求進行對比歸納。同時還要從原理上搞清楚造成構造要求不同的原因，從而進一步強化對構造要求的理解和掌握。受扭構件、受拉構件和受壓構件以及復合受力構件的教學，也采用同樣的方式進行。

2.3 靈活采用對比分析

在混凝體結構設計原理中，部分內容是相互并列、同時又循序漸進的。特別是對于復合受力構件，其受力特性由各項單荷載作用產生的特性耦合而成，因此復合受力構件的力學計算公式也往往是由單項荷載作用計算公式耦合而成。將復合受力構件的計算公式與各單項荷載作用的計算公式進行對比分析，搞清楚公式的相同點與不同點，對于增強學生理解和掌握公式具有重要的作用。

比如對于受彎構件的斜截面抗剪，在進行斜截面抗剪承載力計算時，為保證構件不發生斜壓破壞，規定了承載力公式的適用范圍，即規定了上限值（截面最小尺寸），其公式為：

對于受扭構件的承載力計算，為防止出現少筋破壞的情況，同樣規定了承載力公式應用的上限值（截面最小尺寸），其公式為：

而對于剪扭復合構件，計算其承載力時的公式同樣規定了上限值，其公式為：

對比公式（1）、公式（2）和公式（3）可知，公式（3）就是公式（1）和公式（2）的疊加組合，其承載的強度取的也是兩項效果的組合作用，這樣就可以把公式（1）、公式（2）和公式（3）進行對比掌握，同時加深了學生對公式的理解。

2.4 抓好混凝土裂縫這條主線

對于鋼筋混凝土結構而言，主要內容包括材料的性能、構件的強度和剛度三部分，在這三部分中，混凝土的裂縫是貫穿始終的一個關鍵線索。在混凝土的材料部分，以裂縫開展到一定程度、試件的承載力不能再增加作為材料的強度值。而在構件的強度部分，包括構件承受拉、壓、彎、剪、扭等的作用，承載力計算的依據是材料的強度設計值，而構件破壞的表現形式仍然是構件的混凝土裂縫，特別是混凝土結構表面的裂縫發展狀況。而在構件的剛度方面，對于受彎構件而言，主要就是撓度和裂縫寬度，這個寬度仍是裂縫的表面寬度。

在混凝土結構設計原理的教學中，可結合構件表面裂縫的位置、形狀以及尺寸，以及裂縫產生的時間和發展規律，對構件裂縫產生的原因、裂縫產生后對構件承載力的影響進行預判。比如對于受跨中荷載作用的梁體，彎矩作用下的受拉裂縫往往會從跨中底部出現，慢慢向上延伸，裂縫的橫斷面形狀一般為楔形，延伸方向與梁體縱軸線垂直。而剪力作用下的剪裂縫往往出現在支座附近，大約在支座向跨中部位方向的一倍梁高范圍內，裂縫表面形狀顯示為兩端尖、中間寬的梭形，裂縫的延伸方向與梁體縱軸線的夾角約為45°，且裂縫的上端向跨中方向傾斜。而對于受扭構件，則會沿構件表面產生螺旋形裂縫。因此，受彎構件底部配置縱向鋼筋承受拉應力，而在受剪區域則采用彎起鋼筋與裂縫的縱向延伸方向垂直以抵抗裂縫的開展。而在受剪部位配置箍筋抗剪以及受扭構件配置主筋和箍筋構成的框架結構來抗剪，則是根據具體情況而采取的措施。在混凝土結構設計原理的教與學中抓好混凝土裂縫這一條主線，則可對于該課程的教與學起到關鍵的作用。

3 結語

在“混凝土結構設計原理”的教學中，通過采用以上多種靈活的教學手段，使同學們掌握了學習該門課程的技巧，而不再像以前一樣僅憑著記憶進行學習。同時，靈活的教學手段也提高了同學們學習的積極性和主動性，從而使同學們的學習成績有了很大的提高，取得了良好的教學效果。