混凝土結(jié)構(gòu)課程結(jié)構(gòu)設(shè)計概念的教學(xué)研究

郭建營

摘要：在混凝土結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計理念，是土木工程師素質(zhì)教育的一個重要內(nèi)容。文章分析了如何從理論計算過渡到實際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括理論公式的演繹、結(jié)構(gòu)功能的保證，以及對結(jié)構(gòu)設(shè)計概念的理解，以便更好地幫助學(xué)生在單純的理論計算中建立結(jié)構(gòu)設(shè)計的概念。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu);力學(xué)概念;結(jié)構(gòu)設(shè)計方法;設(shè)計概念

中圖分類號：G642.0;TU37文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1005-2909（2018）06-0093-06

一、課程體系與課程特點

混凝土結(jié)構(gòu)課程是大土木工程類專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。一般講，其前設(shè)課程有土木工程材料、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等課程，作為學(xué)習(xí)該課程的基礎(chǔ)準(zhǔn)備;后續(xù)課程有相應(yīng)的專業(yè)結(jié)構(gòu)類課程，如建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、橋梁結(jié)構(gòu)、水工結(jié)構(gòu)，以及專業(yè)課程工程結(jié)構(gòu)抗震、土木工程施工等。混凝土結(jié)構(gòu)課程在整個土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)中占有重要的地位。 該課程涉及的內(nèi)容既有理論推導(dǎo)，又有試驗研究，同時又與規(guī)范、工程實際聯(lián)系密切。該課程旨在為將來從事工程設(shè)計、工程施工和工程管理工作提供專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)知識，對學(xué)生掌握基本理論、專業(yè)技能和工程能力具有重要作用[1-4]。

混凝土結(jié)構(gòu)課程雖然僅涉及混凝土結(jié)構(gòu)的基本理論和基本構(gòu)件的設(shè)計方法，但是它在整個土木工程專業(yè)教學(xué)體系中起著承上啟下的作用。理論上，從數(shù)學(xué)工具到力學(xué)概念以及結(jié)構(gòu)的概念，有著嚴(yán)密的邏輯和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撃Ｐ豌暯?。課程體系上，根據(jù)土木工程專業(yè)教學(xué)大綱安排，混凝土結(jié)構(gòu)課程肩負(fù)著重要的任務(wù)，一是幫助學(xué)生建立結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計思想與理念，掌握結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的設(shè)計方法與概念，以及了解在工程結(jié)構(gòu)中如何滿足包括安全性、適用性、耐久性等功能性要求;二是要求掌握

混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本設(shè)計原理，包括功能要求在混凝土結(jié)構(gòu)中的體現(xiàn)[1-5]。學(xué)生接觸這門課程時，正是從基礎(chǔ)理論課程進入專業(yè)技術(shù)課程的節(jié)點，要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會基于基礎(chǔ)理論來分析工程問題。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計，首先要分析結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能，這既取決于材料，也取決于計算分析的方法。材料的物理關(guān)系、變形的幾何關(guān)系、受力的平衡關(guān)系應(yīng)始終是分析的基本方法。但是由于工程構(gòu)件的材料性能和受力環(huán)境的差異性，使結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力性能與基礎(chǔ)理論的分析與計算有一定的差別。學(xué)生在學(xué)習(xí)時，會對一些概念產(chǎn)生疑問和困惑。如何去認(rèn)識和解決具體工程材料的分析和計算，是混凝土結(jié)構(gòu)課程要解決的問題。

從工程意義上說，無論學(xué)生以后是從事科學(xué)研究還是工程設(shè)計、施工和工程管理，結(jié)構(gòu)設(shè)計理念的建立對土木工程專業(yè)的學(xué)生來說都具有重要意義。如何在教學(xué)過程中建立結(jié)構(gòu)設(shè)計的概念？結(jié)構(gòu)設(shè)計概念在混凝土結(jié)構(gòu)中如何體現(xiàn)和應(yīng)用？它與基礎(chǔ)課程中的數(shù)學(xué)、力學(xué)的學(xué)習(xí)方法有什么不一樣？這些問題都是混凝土結(jié)構(gòu)課程教學(xué)需要解決的根本任務(wù)。通過這門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠建立基本的結(jié)構(gòu)理念和設(shè)計思想，并開始有了工程的概念，就能為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)，以及課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計打好堅實的理論和工程基礎(chǔ)。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計理念與方法的建立

（一）設(shè)計方法

結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思想在混凝土結(jié)構(gòu)課程結(jié)構(gòu)設(shè)計方法（或結(jié)構(gòu)按極限狀態(tài)設(shè)計的原則）這一章有講解。在課程教學(xué)中，這一章的內(nèi)容是個關(guān)鍵，它涉及結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般方法與概念。應(yīng)該說，在混凝土結(jié)構(gòu)課程中，這一章的內(nèi)容與后面混凝土結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件的計算理論是并列的。有別于荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法課程，混凝土結(jié)構(gòu)課程中的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法包含了混凝土這類具體結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的方法，對于一般的土木工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計更具有一般性的指導(dǎo)意義。那么，如何在混凝土結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中去實施呢？這就是混凝土課程教學(xué)必須要考慮的。

首先，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的設(shè)計要滿足其功能要求，建立在以概率論和數(shù)理統(tǒng)計基礎(chǔ)上的“極限狀態(tài)設(shè)計方法”，正是表述了這個“功能”的狀態(tài)。

其次，要在學(xué)生頭腦中建立“極限狀態(tài)的概念”，其與前述力學(xué)（材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)）中的構(gòu)件材料有所不同;就工程結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，在進行設(shè)計時，考察的是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所處的某一種狀態(tài)，這種狀態(tài)即是結(jié)構(gòu)的“極限狀態(tài)”。而決定（或影響）這個狀態(tài)的變量和因素比較多，這就需要分析狀態(tài)方程中的基本變量的概念。在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和計算的時候，一是要確定這些變量以及它們對“狀態(tài)”影響的“權(quán)重”，而這些變量所涉及的如受力（工作）的環(huán)境、荷載的工況以及材料、設(shè)計方法等因素決定了狀態(tài)的不同。這些變量對“狀態(tài)”影響的“權(quán)重”，就是計算公式中那些系數(shù)的概念。二是這些變量本身如何取值，也決定和影響著結(jié)構(gòu)的“狀態(tài)”。

結(jié)構(gòu)設(shè)計計算工程實踐中，將結(jié)構(gòu)內(nèi)力的彈性分析和截面承載力的極限狀態(tài)設(shè)計相結(jié)合，便于工程實用。計算的目的是為了設(shè)計，設(shè)計出安全、可靠、適用的結(jié)構(gòu)才是最終目的。幫助學(xué)生區(qū)別設(shè)計計算和分析研究計算的不同，改變其在基礎(chǔ)課程中那種單純?yōu)榱擞嬎愣嬎愕乃枷搿?/p>

（二） 設(shè)計計算理論及其特點

3.計算中的結(jié)構(gòu)設(shè)計的不確定性

結(jié)構(gòu)設(shè)計中，有諸多的不確定性。如：工程結(jié)構(gòu)（構(gòu)件）的實際承載力可能小于設(shè)計計算承載力，工程結(jié)構(gòu)上的實際荷載和各種作用（如溫度、混凝土收縮、地震作用等）與設(shè)計計算時取用的荷載和作用的差別，結(jié)構(gòu)分析的不準(zhǔn)確性會進一步增大荷載和作用效應(yīng)（荷載和作用引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力）的變異性[7]。這些不確定性決定了結(jié)構(gòu)設(shè)計不同于數(shù)學(xué)和力學(xué)中的求解那樣簡單直接，會有一個確定的或唯一的正確解答。結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮的因素是多方面的，工程建筑的重要性、破壞后的影響程度、工程的經(jīng)濟性等，這些反映在計算公式中引入的相關(guān)系數(shù)上，也是設(shè)計的安全性在極限狀態(tài)方程中的安全儲備?！敖Y(jié)構(gòu)設(shè)計”解答的答案或許不是唯一的，但是，解答的“結(jié)果”應(yīng)該是唯一的，這個“結(jié)果”即是必須滿足結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的預(yù)定功能要求。

三、混凝土結(jié)構(gòu)概念的設(shè)計思想與方法

（一）混凝土結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中的設(shè)計思路

混凝土基本構(gòu)件承載力設(shè)計一般教學(xué)思路為： 試驗分析—構(gòu)件的破壞形態(tài)和破壞特征—計算假定—計算圖形—計算簡化—建立計算公式—進行截面設(shè)計和截面驗算—構(gòu)造設(shè)計[1][5]。而在應(yīng)用計算公式求解時一般首先給出計算的基本公式，通常是基于力學(xué)的概念給出的，概念很明確，學(xué)生也易于理解。而在進一步分析實際問題和確定未知量時，需要補充條件來求解方程?？紤]工程實際，基于設(shè)計的概念，公式有其適用條件，這就要重新確定計算方法和對應(yīng)的公式。最后的計算結(jié)果更需要滿足構(gòu)造設(shè)計要求，這一部分更多的是基于設(shè)計的概念，也是學(xué)生理解的難點。實際工程中采用的設(shè)計方法則是基于極限狀態(tài)的一般表達式，并重點體現(xiàn)在作用效應(yīng)和材料強度指標(biāo)的確定，以及構(gòu)件尺寸的選定等變量的處理上。

（二）混凝土結(jié)構(gòu)材料的概念

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)涉及混凝土和鋼筋這兩種結(jié)構(gòu)材料。結(jié)構(gòu)構(gòu)件材料本身的物理力學(xué)性能與結(jié)構(gòu)構(gòu)件的受力直接相關(guān)，在設(shè)計過程中如何確定材料的力學(xué)性能，這是設(shè)計分析的關(guān)鍵。工程中的材料性能不同于理論模型中的理想狀態(tài)，對此，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往不容易理解，對其應(yīng)用學(xué)生更是感到難以下手，而這正是結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵內(nèi)容之一。

就混凝土材料而言，反映其物理力學(xué)性能的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線總體有上升段、下降段和收斂段（圖1），而計算時采用的應(yīng)力應(yīng)變曲線是拋物線與水平線的組合（圖2）[7-8]，這與試驗曲線（或材料的實際本構(gòu)關(guān)系）有一定差距。學(xué)生就會產(chǎn)生這樣的疑問：為什么采用這樣的模型？采用這樣的模型計算是否與實際不相符？從結(jié)構(gòu)設(shè)計的概念出發(fā)，材料需要滿足工程結(jié)構(gòu)的功能要求，滿足預(yù)定功能是結(jié)構(gòu)設(shè)計的目標(biāo)。設(shè)計中所考慮的材料性能，既要滿足設(shè)計實現(xiàn)的可能（即要解決工程問題），又要保證結(jié)構(gòu)的可靠，可以在材料本構(gòu)模型上做些簡化，這與數(shù)學(xué)、力學(xué)等基礎(chǔ)課程中單純理論計算是有基本區(qū)別的。

復(fù)合應(yīng)力下混凝土的強度，可以考慮箍筋的配置對混凝土的側(cè)向約束，以提高混凝土的強度，并增強其變形能力，至于提高多少受到多種因素的影響。如何在工程設(shè)計中使用這個性能，這是概念的范疇，在計算公式中沒有定量考慮，不能像前述基礎(chǔ)課程中那樣，一定要在計算公式中體現(xiàn)出來。那么，這就要使學(xué)生懂得設(shè)計過程中概念設(shè)計的理念，應(yīng)用概念進行設(shè)計。

對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋，《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50010-2010）》給出的鋼筋本構(gòu)關(guān)系考慮了鋼筋強度硬化的提高（圖3）。而在結(jié)構(gòu)設(shè)計計算時，采用的是理想的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，鋼筋屈服代表著結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞。理論上講，強度硬化模型可以充分利用鋼筋的強度，在保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全可靠的基礎(chǔ)上，降低使用鋼量，以提高工程的經(jīng)濟性。但是，實際計算中采用的理想彈塑性本構(gòu)關(guān)系更利于計算和設(shè)計的實現(xiàn)，強度硬化模型的概念則可以在設(shè)計過程中配筋時予以概念性設(shè)計[6-7]。

（三）混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計計算模型分析

結(jié)構(gòu)計算所采用的模型與構(gòu)件實際的理想破壞形態(tài)還有區(qū)別。如適筋梁的破壞特征： 受拉鋼筋先屈服，然后受壓區(qū)混凝土壓壞，中間有一個較長的破壞過程，有明顯破壞預(yù)兆，即“延性破壞（Ductile Failure）”，破壞前可吸收較大的變形能[7]。這是混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計的理想破壞模型，需要與實際的破壞狀態(tài)結(jié)合進行分析。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中如何透徹理解是個關(guān)鍵。構(gòu)件的實際破壞形態(tài)受多重因素的影響，可能并不完全如同理論的破壞形態(tài)。這個概念，可以通過混凝土梁基本構(gòu)件試驗讓學(xué)生有實際的認(rèn)識和理解。

四、概念設(shè)計與構(gòu)造

（一）結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計

結(jié)構(gòu)的設(shè)計，不是簡單的數(shù)學(xué)計算公式1+1=2;設(shè)計的最高境界，不是計算公式的求解，而是所設(shè)計出來的結(jié)構(gòu)和構(gòu)件要滿足其功能要求，可見概念設(shè)計的重要性。構(gòu)造設(shè)計是體現(xiàn)概念設(shè)計的一個方面。

混凝土結(jié)構(gòu)課程中涉及大量的構(gòu)造要求，不同的受力構(gòu)件截面形式、尺寸，以及鋼筋直徑、間距、布置的規(guī)定等都有不同。這部分內(nèi)容比較零散[1][5]，很多學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，覺得構(gòu)造要求都是文字條款的規(guī)定，容易忽視它的重要性。

其實構(gòu)造設(shè)計不是簡單的“對一些不便、不必計算的內(nèi)容”進行的規(guī)定[1]。筆者認(rèn)為，構(gòu)造設(shè)計更重要的在于對有些無法計算或者目前計算理論無法量化的東西進行構(gòu)造設(shè)計，以滿足狀態(tài)的功能要求。要讓學(xué)生理解到這些構(gòu)造很多也是為了彌補計算的不足而規(guī)定的，包括計算模型的不準(zhǔn)確、材料和作用選取中的不確定性等。

（二）設(shè)計思想與計算思想的轉(zhuǎn)變

構(gòu)件截面的承載力，是由材料所“貢獻”的，與材料的多少（如截面尺寸、面積）、材料的強度、材料在構(gòu)件中的位置（構(gòu)件的截面形式、鋼筋的位置等）有關(guān)。鋼筋和混凝土這些變量的不同變化，直接決定其在構(gòu)件承載力中的“貢獻”。當(dāng)然，不是簡單的“貢獻”越多，承載力就越高;隨著“貢獻”比例的變化，構(gòu)件的破壞形態(tài)也會發(fā)生變化，如配筋率的變化會使梁的破壞形態(tài)發(fā)生改變（適筋梁、超筋梁和少筋梁的破壞）等。

簡單地從計算角度來看，只要滿足承載力公式，就應(yīng)該可以了。而從實際情況來看，不僅要考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力，還要考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件破壞的性質(zhì)。工程設(shè)計既要考慮承載力，又要考慮結(jié)構(gòu)的延性，二者具有同等重要的作用。

五、結(jié)語

結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及的因素復(fù)雜，不僅要進行理論計算，還要考慮結(jié)構(gòu)的特點，以及結(jié)構(gòu)中材料的特點。如混凝土材料的特性，包括混凝土材料的非均勻性概念，以及設(shè)計中所采取的構(gòu)造措施等。在混凝土結(jié)構(gòu)課程教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計的思想和概念，廣義上講也就是培養(yǎng)其工程的思想和概念，而工程思維，這對學(xué)生以后學(xué)習(xí)和處理工程中的結(jié)構(gòu)問題是非常有益的。

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