鋼筋混凝土教學(xué)中理論和規(guī)范及實(shí)踐有機(jī)結(jié)合探討★

周 廣 東

(河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

1 概述

鋼筋混凝土是土木工程類本科生的專業(yè)核心課程，包括混凝土和鋼筋的物理力學(xué)性能、受彎構(gòu)件的正截面承載力、受彎構(gòu)件的斜截面承載力、受壓構(gòu)件的截面承載力、受拉構(gòu)件的截面承載力、受扭構(gòu)件的扭曲截面承載力、變形、裂縫、延性、耐久性和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件等內(nèi)容，涉及受力機(jī)理、破壞模式和計(jì)算方法等[1]。鋼筋混凝土課程力求使學(xué)生具備利用混凝土理論和現(xiàn)行國家與行業(yè)規(guī)范進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)核的專業(yè)能力，其教學(xué)內(nèi)容與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)規(guī)范密切相關(guān)。

目前大部分鋼筋混凝土教材僅注重基礎(chǔ)理論的講解，缺少現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范和工程實(shí)踐的解釋，使得鋼筋混凝土的理論、規(guī)范和實(shí)踐嚴(yán)重脫節(jié)。學(xué)生學(xué)習(xí)完成之后，雖然能夠?qū)︿摻罨炷料嚓P(guān)的概念和公式進(jìn)行準(zhǔn)確的背誦，但是并不能靈活運(yùn)用這些理論公式和方法解決實(shí)際工程問題。筆者在鋼筋混凝土長(zhǎng)期教學(xué)過程中，摸索出一條理論、規(guī)范和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合的教學(xué)新方法，使學(xué)生既能對(duì)理論和概念進(jìn)行深刻理解，又能將理論合理運(yùn)用于工程實(shí)踐，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生具有扎實(shí)基礎(chǔ)理論、寬廣專業(yè)知識(shí)和較強(qiáng)實(shí)踐能力的目的，實(shí)現(xiàn)知識(shí)、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

2 通過工程現(xiàn)場(chǎng)架起規(guī)范與實(shí)踐的橋梁

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的配筋計(jì)算是鋼筋混凝土課程的核心，也是鋼筋混凝土課程的學(xué)習(xí)難點(diǎn)[2]。在學(xué)習(xí)鋼筋混凝土課程之前，學(xué)生已經(jīng)掌握了理論力學(xué)、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論，具有較強(qiáng)的理論計(jì)算能力。在實(shí)際授課時(shí)發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)規(guī)范基本公式的講解，同學(xué)們基本上都能夠通過彎矩和軸向力的大小，選擇較為合適的梁、柱截面，得出鋼筋的理論用量。但是對(duì)于鋼筋如何在構(gòu)件中擺放、梁端或柱端鋼筋如何處理、梁柱節(jié)點(diǎn)處鋼筋如何排列、理論計(jì)算結(jié)果與工程實(shí)踐是否一致等問題，往往使學(xué)生感到無所適從[3]。究其原因，主要是本科生大多直接從高中畢業(yè)進(jìn)入大學(xué)，基本沒有深入施工現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，缺少對(duì)土木工程結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的感性認(rèn)識(shí)。針對(duì)此典型問題，我們對(duì)教學(xué)安排進(jìn)行調(diào)整，將課堂理論學(xué)習(xí)與工程現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)相互穿插、有機(jī)結(jié)合。

在鋼筋混凝土課程開始之前，老師帶領(lǐng)學(xué)生到正在施工的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參觀學(xué)習(xí)，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的各種施工過程、施工工序和注意事項(xiàng)進(jìn)行講解，同時(shí)讓學(xué)生認(rèn)識(shí)梁、板、柱和剪力墻等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，了解本門課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)和學(xué)習(xí)意義，以此激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。在每一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件理論課程開始之前，安排學(xué)生到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參觀，認(rèn)識(shí)這一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件的實(shí)際配筋樣式，讓學(xué)生對(duì)接下來理論課程的目的有基本的了解；在每一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件理論課程結(jié)束之后，指導(dǎo)學(xué)生到施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考察，以工程項(xiàng)目中的某一具體構(gòu)件為例，讓學(xué)生進(jìn)行鋼筋的配置并畫出配筋圖，將學(xué)生的設(shè)計(jì)結(jié)果與工程實(shí)際進(jìn)行比較，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)自己的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核，幫助學(xué)生找出理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程結(jié)構(gòu)之間差異的原因。另外，還根據(jù)工程特征和施工進(jìn)度，在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)規(guī)范中的各種構(gòu)造要求進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)講解，將枯燥晦澀的規(guī)范條文變成生動(dòng)形象的實(shí)際工程案例，使學(xué)生擺脫死記硬背的學(xué)習(xí)模式。在工程實(shí)踐結(jié)束之后，要求學(xué)生撰寫學(xué)習(xí)總結(jié)和實(shí)習(xí)報(bào)告，并思考提出問題在課堂上進(jìn)行討論。通過此過程，架起了規(guī)范與實(shí)踐的橋梁，不僅加深了對(duì)規(guī)范公式、方法和構(gòu)造要求的理解，還鍛煉了學(xué)生運(yùn)用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力。

3 通過模型試驗(yàn)建立理論與實(shí)踐的聯(lián)系

鋼筋混凝土基本理論大多通過工程破壞事故建立，而模型試驗(yàn)作為工程事故的可控情景再現(xiàn)，合理利用實(shí)驗(yàn)室的模型試驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)，是增強(qiáng)鋼筋混凝土課程教學(xué)效果的有效途徑[4]。目前大部分高校鋼筋混凝土課程試驗(yàn)教學(xué)都過于單一，實(shí)驗(yàn)室老師完成前期的鋼筋配置、構(gòu)件澆筑和傳感器粘貼，學(xué)生只進(jìn)行荷載施加和傳感器讀數(shù)記錄，在此過程中，學(xué)生并不能對(duì)試驗(yàn)破壞現(xiàn)象產(chǎn)生原因及解決辦法有深刻理解[5]?；诖?，我們對(duì)鋼筋混凝土課程試驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容和過程進(jìn)行全面改革，從傳統(tǒng)的加載過程試驗(yàn)擴(kuò)展到構(gòu)件設(shè)計(jì)、制作、試驗(yàn)和分析全過程，全面培養(yǎng)學(xué)生根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)準(zhǔn)備、試驗(yàn)操作、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析和機(jī)理探索的能力。

針對(duì)目前國內(nèi)大學(xué)生普遍存在的“眼高手低、動(dòng)手能力弱、協(xié)作能力差”的問題，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行鋼筋混凝土構(gòu)件的全過程試驗(yàn)。將鋼筋混凝土梁受彎破壞試驗(yàn)、鋼筋混凝土梁受剪破壞試驗(yàn)和鋼筋混凝土柱偏心受壓破壞試驗(yàn)作為鋼筋混凝土課程的三大核心試驗(yàn)。以5名～8名學(xué)生組成一個(gè)試驗(yàn)小組，要求每組根據(jù)試驗(yàn)大綱和試驗(yàn)?zāi)康耐瓿稍囼?yàn)方案和試驗(yàn)計(jì)劃的設(shè)計(jì)，每組派出一名代表對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行匯報(bào)，然后進(jìn)行全班討論，教師進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)，最終形成完善的試驗(yàn)計(jì)劃。根據(jù)試驗(yàn)計(jì)劃，教師督促每組在時(shí)間節(jié)點(diǎn)之前完成相應(yīng)的工作。

學(xué)生模型試驗(yàn)的主要過程包括：第一步，試驗(yàn)構(gòu)件制作。根據(jù)試驗(yàn)方案的構(gòu)件尺寸、混凝土強(qiáng)度和鋼筋配置要求，學(xué)生進(jìn)行構(gòu)件澆筑模板的制作、鋼筋骨架的制作、鋼筋應(yīng)變片粘貼、混凝土的配合設(shè)計(jì)、混凝土的拌合澆筑和混凝土的養(yǎng)護(hù)。通過此過程，學(xué)生能夠深刻理解鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的施工過程，也能通過試驗(yàn)構(gòu)件制作過程中出現(xiàn)的問題了解鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中的注意事項(xiàng)。第二步，試驗(yàn)準(zhǔn)備。根據(jù)試驗(yàn)要求，進(jìn)行構(gòu)件網(wǎng)格線繪制、測(cè)試儀表的安裝與調(diào)試、試驗(yàn)試件固定和加載設(shè)備固定，學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作能力、耐心和動(dòng)手能力得到了極大的鍛煉。第三步，破壞試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)加載方案進(jìn)行構(gòu)件加載，同時(shí)記錄各種儀器儀表的讀數(shù)，觀察試件的變形和裂縫發(fā)展情況，提升學(xué)生的觀察能力。第四步，試驗(yàn)分析。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象分析破壞模式產(chǎn)生的原因和應(yīng)對(duì)措施。在此過程中，學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R(shí)與工程實(shí)踐進(jìn)行融合，破解工程難題。

在試驗(yàn)過程中，鼓勵(lì)學(xué)生提出自己的疑問和設(shè)想，并最大限度的創(chuàng)造條件讓學(xué)生去驗(yàn)證。比如：按照配合比設(shè)計(jì)的混凝土的理論強(qiáng)度和實(shí)際強(qiáng)度是否一致、相同配筋量的鋼筋用粗的還是細(xì)的好、混凝土中鋼筋的實(shí)際應(yīng)變與測(cè)試應(yīng)變是否一致等問題。由學(xué)生完成各種對(duì)比試驗(yàn)，并在課堂上進(jìn)行討論，不僅能夠增加學(xué)生的學(xué)習(xí)成就感和學(xué)習(xí)積極性，還能增加學(xué)生的知識(shí)深度和廣度。

4 通過細(xì)致推導(dǎo)形成理論與規(guī)范的紐帶

鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的結(jié)構(gòu)構(gòu)件計(jì)算公式和方法大部分是半經(jīng)驗(yàn)半理論公式，雖然有一部分嚴(yán)格的理論推導(dǎo)，但是也有工程實(shí)踐的總結(jié)，這使得很多鋼筋混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范的計(jì)算公式與理論推導(dǎo)結(jié)果之間存在一定的差距。在授課過程中，由于老師對(duì)鋼筋混凝土理論和規(guī)范理解比較深入，能夠非常自然的進(jìn)行基本理論和規(guī)范公式之間的過渡，因此，在授課過程中，極易忽略基本理論和規(guī)范公式之間的差異。而學(xué)生在前期學(xué)習(xí)高等數(shù)學(xué)、理論力學(xué)、材料力學(xué)等課程時(shí)，已經(jīng)習(xí)慣于理論上的嚴(yán)格推導(dǎo)，造成學(xué)生對(duì)規(guī)范公式和方法理解困難。因此，通過細(xì)致推導(dǎo)讓學(xué)生理解理論方法和規(guī)范方法之間的過渡成為靈活應(yīng)用規(guī)范方法的關(guān)鍵。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件基本計(jì)算公式的形成過程可以總結(jié)為：模型試驗(yàn)→破壞模式→理論模型→基本假定→計(jì)算簡(jiǎn)化→平衡方程→計(jì)算公式。通過前面的模型試驗(yàn)，學(xué)生基本可以建立模型試驗(yàn)、破壞模式和理論模型之間的聯(lián)系，如何通過理論模型得到規(guī)范計(jì)算公式成為掌握鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)知識(shí)的重要環(huán)節(jié)。通過仔細(xì)分析可以發(fā)現(xiàn)，雖然理論模型和規(guī)范公式從形式上存在一些差距，但是規(guī)范公式都是從理論模型衍生出來的，比如鋼筋混凝土單筋矩形梁的受彎承載力計(jì)算公式。通過模型試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，在梁破壞時(shí)，受拉區(qū)混凝土產(chǎn)生了大量的裂縫，鋼筋的應(yīng)變和混凝土的應(yīng)變沿高度呈線性變化，因此引入截面應(yīng)變保持平面和不考慮混凝土抗拉強(qiáng)度等假定，得到鋼筋混凝土梁正截面上的非線性混凝土應(yīng)力。通過積分和力的平衡，能夠?qū)崿F(xiàn)將非線性混凝土應(yīng)力轉(zhuǎn)化為均勻的應(yīng)力，進(jìn)而推導(dǎo)出鋼筋混凝土梁正截面承載力的基本計(jì)算公式。可以看出，只要在平時(shí)授課時(shí)適當(dāng)重視理論模型和規(guī)范公式之間的聯(lián)系，就能夠?qū)崿F(xiàn)理論模型和規(guī)范公式的有機(jī)結(jié)合，有效提升學(xué)生對(duì)規(guī)范方法的理解能力以及理論聯(lián)系實(shí)際的能力。

5 結(jié)語

經(jīng)過多年的鋼筋混凝土課程教學(xué)總結(jié)，將理論、規(guī)范和實(shí)踐有機(jī)結(jié)合，不僅增強(qiáng)了學(xué)生的專業(yè)知識(shí)，還鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力和利用理論知識(shí)解決實(shí)際工程問題的能力。鋼筋混凝土課程對(duì)于土木工程專業(yè)學(xué)生職業(yè)素質(zhì)的培養(yǎng)至關(guān)重要，教師需要不斷改進(jìn)教學(xué)方法、提出新的教學(xué)模式，提升土木工程人才培養(yǎng)水平。