“高等混凝土結構理論”創新教學研究

劉小燕 彭建新

長沙理工大學土木工程學院 湖南長沙 410004

創新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發達的不朽動力。黨的十八大以來，習近平總書記高度重視創新發展，在多次講話和論述中反復強調“創新”，無論是在理論、制度觀念上，還是在工作實際的踐行中，都要有創新意識和創新思維，要敢于“吃螃蟹”，探索創新實踐。特別是面對日益激烈的國際競爭，必須把創新擺在國家發展全局的核心位置，不斷推進理論創新和制度創新，尤其是在科技、文化教育領域，要加大創新力度。為了實現中華民族偉大的復興夢想，讓中華民族屹立在世界之林，黨和國家十分重視人才的培養，作為高校教育工作者，對人才培養，特別是對創新思維、創新能力、創新技術的人才培養，具有義不容辭的責任。然而，創新的思想、創新的方法、創新的成果一定是站在前人的基礎上改良而來，或者依靠多學科技術的交互融合、相互碰撞產生靈感而來，還需要打破常規思維定式，勇于實踐探索。在研究生的課程教學中，深感創新意識培養和創新能力訓練的重要性，培養學生的創新意識體現在每一個教學環節，特別是課堂教學過程中，它是師生之間、學生之間相互交流碰撞的最好機會。作者在土木類橋梁、建筑、巖土、隧道、地下工程各專業方向開設的“高等混凝土結構理論”(博士生課程)課程教學中，通過學習、研討、實踐等環節，借不同學科的技術、方法相互碰撞，開展創新思維和創新意識的訓練。

“高等混凝土結構結構理論”是博士研究生的一門重要專業基礎課程，它在本科“鋼筋混凝土結構”“結構設計原理”等課程學習的基礎上，深入研究鋼筋、混凝土材料的力學性能，特別是混凝土在二向、三向受力狀態下的破壞特征(破壞包絡曲線)、強度準則、本構關系，鋼筋與混凝土的黏結機理，各種鋼筋混凝土受力構件(拉、壓、彎、剪、扭及其復合受力)的受力機理、受力特點、破壞性狀，以及溫度變形、徐變變形、變形差的結構反應，從而全面徹底地掌握混凝土、混凝土構件,甚至混凝土結構的特性、受力特點、承載力與使用性能。課程內容非常豐富，有理論分析、計算推導，有研究材料特性的實驗，不同的試驗還需要設計試驗方法，尤其是對于一些鋼筋與混凝土結合機理的研究，需要理論分析推導，通過試驗加以驗證，而且很多試驗都是在不斷失敗、不斷總結經驗教訓后才獲得答案的?！案叩然炷两Y構結構理論”課程知識點多，理論分析和計算推導難度大，實驗多，試驗技術要求高。對于研究生的學習，學習知識是一方面，更重要的要學習研究的方法、試驗的方法，能夠掌握操作技能，自己進行試驗、操作，獲得預期結果，“高等混凝土結構結構理論”課程教學既要傳授新知識，又要加強計算能力、實驗動手等許多能力的訓練，更重要的是要培養博士研究生的創新意識、創新思維和創新能力，在課程教學中，通過老師講解、自學討論交流、模擬計算、分析推理等多種教學形式，實現知識學習、能力訓練、綜合素質和創新意識的提高，從而在各自的研究領域萌生創新的火花。

一、在學習新知識、新理論時培養創新思維

知識是創新的基礎，沒有知識的積累和知識的儲備，是不可能有創新的?！案叩然炷两Y構結構理論”課程有許多新的知識，也有一些是知識的深層研究。比如混凝土受壓強度、強度本構關系等內容，在本科層次已經學習了混凝土抗壓強度概念和測試抗壓強度的實驗，獲得了應力應變曲線，如圖1所示。

這條混凝土棱柱體的應力—應變全曲線是在經過精心設計、操作下的實驗成果，然而這只是曲線的大概形狀，如何用具體的數學式子描述曲線，獲得混凝土受壓時的應力—應變關系，滿足計算需要，仍然有困難。經過研究，首先找到這條曲線的幾個特征點(值)：起點O，應力和應變均為零，X點，應力達到峰值點，應力應變曲線的一階導數為0，△為曲線的反彎點，應力應變曲線的二階導數為零，E點，收斂點，其應力應變曲線的三階導數為零，OX曲線是單調上升的，XE曲線是下降的，X點對應于峰值應力fc，相應的應變為ε0(其值約為0.002)。即使找到了這些特征點，仍然難以用合適的數學式子表示，各國學者提出了應力—應變全曲線方程的多種表達形式：多項式、三角式、指數式、組合式等。由不同的應力—應變理論曲線所得到的混凝土本構關系、強度準則的表達形式千差萬別。如何獲得符合工程實際、用于鋼筋混凝土結構精確分析的本構模型，則需要開動腦筋不斷嘗試，針對不同情況合理采用。在學習知識、運用知識的過程中，發現問題，解決問題，提高分析問題和解決問題的能力，無不是一種創新實踐過程。

圖1 混凝土受壓時應力—應變曲線

二、在實踐和仿真計算時掌握創新方法，培養創新能力

實踐出真知，試驗研究、計算機編程仿真計算是研究生的兩大法寶，由于混凝土材料的特殊性，或者新材料的引入，需要進行大量的試驗，研究材料力學性能。由于條件限制和課時有限，課內沒有安排實驗，同學們借助軟件開展仿真計算研究，如鋼筋混凝土梁受力過程的非線性仿真計算，從有限元建模型到加載計算，獲得梁的應力、變形、破壞情況，有限元模型、計算的示意如圖2—圖5所示。

圖2 有限元模型

圖3 梁應力、變形示意圖

圖4 混凝土應力圖

圖5 破壞模式示意圖

通過有限元仿真計算，熟悉了鋼筋混凝土梁正截面受力全過程各個階段的受力特點和破壞表現，與已有的鋼筋混凝土梁正截面試驗研究結果進行對比分析，如果吻合，則說明仿真計算的可靠性，更重要的是掌握仿真計算的方法后，可以對同類結構開展仿真計算，達到觸類旁通的效果。在受壓、受扭、受剪等其他受力構件的受力特點分析時，也可以進行仿真計算，不必去做實驗就能掌握構件的受力機理。博士研究生更需要通過試驗、仿真計算等手段，發現未知，研究未知，這也是非常重要的創新實踐，在創新實踐中鍛煉培養形成創新思維和創新能力。

三、在課題研究中鉆研新理論、新方法，潤育創新思維

研究生的學習貴在自學，重在創新，培訓學習能力，特別是自學能力，是研究生教學的重要任務，在互聯網、云數據、高科技迅速發展的時代，學習新理論、新技術、新方法是研究工作的根本要求，創新素養孕育在這些新理論、新技術、新方法中。在“高等混凝土結構理論”課程介紹高強混凝土、輕骨料混凝土等多種結構混凝土時，要求大家查閱國內外文獻，掌握土木工程中所用的最新材料。除了高強混凝土外，大家自學了解到高強高性能混凝土(Ultra High Performance Concrete，簡稱UHPC)、石墨烯材料、碳纖維混凝土(Carbon Fiber Reinforced Polymer，簡稱CFRP)、玻璃纖維增強聚合物(Glass Fiber Reinforced Polymer，簡稱GFRP)、芳綸纖維增強聚合物(Aramid Fiber Reinforced Polymer)、偏高嶺土地聚物(由富含硅和鋁的天然礦物或固體工業廢棄物粉煤灰和礦渣聚合而成)等新型材料的特性。有些學生所在團隊一直研究這些新材料在工程中的應用，取得了許多研究成果，新材料的引入引發了許多思考，對原有技術、理論的改進，出現的新技術、新工藝、新方法，特別是通過學習、試驗與模擬計算的實踐、研究、再實踐的科學活動，孕育科學素養，成就了創新能力。

四、在多學科的交流中突破思維定式，萌生創新靈感

學科交叉融合是創新的源泉，重大研究突破和創新成果大多是學科交叉融合的結果[2]。參考文獻[3]作者談到研究生的創新思維面臨“無問的尷尬”“無解的煎熬”與“無路的迷?！保@些現象都是因為研究進入一定深度后出現思維僵化的表現，要打破這種僵化的局面，學科交叉、多學科的相互融合不愧為一種有效模式。學科的交叉有利于突破思維定勢、創新思維方式、激發創新靈感，它必然是科研重大突破的利劍?！案叩然炷两Y構理論”課程教學中，充分創造學科交叉相互學習的機會，讓各專業方向的同學進行專題研究、交流報告，在課程學習的初期布置任務，每一位同學針對自己的研究課題撰寫有深度的研究報告，占期末成績的20%。結果發現，巖土學科方向學習借鑒橋梁工程用的高強混凝土材料，改變以往隧道襯砌采用普通混凝土的狀況，應用更高強度、更好性能的混凝土，獲得早強、高強的耐久性能的效果。橋梁樁基礎的施工作業，特別是軟土地區的橋梁基礎加固，則充分學習港口大壩的“梅花形樁基”“錨樁”“灌注樁”等筑島加固技術，獲得好的效果，解決了工程“難題”。這些學科的交叉融合，打破常規的思維定式，促使新的靈感萌發，促進創新方法形成，有效地解決工程實際問題。

跨學科、大學科、新基建在當今是新興理念，觀念的轉變是一個過程，需要由各學科專業相互交流借鑒引領，改變根深蒂固的學科界限思想。青年人最富朝氣、思維活躍，最易接受新鮮事物，在研究生教學中開展跨學科的交流互動，是培養創新能力的重要抓手。

結語

創新并不是高不可攀、深不可測的，它是在前人的基礎上進行改進，或者是對原理有新的補充，對方法進行改進，對工藝進行改良，對結果有新的發現。在研究生課程學習的過程中，善于把新舊知識在縱向或者橫向“聯系”起來，靠已知掌握未知，以“已知”推導“未知”，在知識的吸收消化過程中觸發靈感，萌動新的思想，實踐新思想，這就是一個很好的創新。