鋼筋混凝土梁受彎動(dòng)態(tài)仿真在教學(xué)中的應(yīng)用

周 靖

1 教學(xué)背景

混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理作為土木工程專業(yè)中重要的專業(yè)必修基礎(chǔ)課程，其主要任務(wù)是培養(yǎng)學(xué)生掌握鋼筋及混凝土兩種材料所組成結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本力學(xué)性能，具備混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)能力[1].混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理是土木工程專業(yè)基礎(chǔ)課的一門重要必修課程，起著為學(xué)生后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)、畢業(yè)設(shè)計(jì)以及畢業(yè)后從事混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、科研、施工等工作打下必要基礎(chǔ)的作用，該課程在土木工程專業(yè)教學(xué)中具有重要的地位[2].

該課程具有1.內(nèi)容多，涉及面廣2.經(jīng)驗(yàn)性強(qiáng)，公式多，符號(hào)多3.構(gòu)造規(guī)定多4.實(shí)踐性強(qiáng)等特點(diǎn)[3].根據(jù)多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中大多感到吃力.為了提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，劉建平[4]王亞軍[5].吳香國(guó)[6]等多位專業(yè)教師實(shí)踐了多種課堂教學(xué)的新方法新思路新模式，但這都限于理論教學(xué)，并未與實(shí)驗(yàn)教學(xué)有機(jī)結(jié)合在一起.許啟鏗等人[7]提出了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新方法，學(xué)生在自主實(shí)驗(yàn)的過程中收獲很大，但并未與理論計(jì)算內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，并且實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度不可人為調(diào)控，實(shí)驗(yàn)為破壞性實(shí)驗(yàn)不可重復(fù).劉建平[8].紀(jì)金豹[9].張利[10]等運(yùn)用多媒體教學(xué)，將仿真實(shí)驗(yàn)帶入課堂，學(xué)生可以在課堂上進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，盡管仿真實(shí)驗(yàn)可以讓學(xué)生身臨其境體會(huì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，但學(xué)生自己不可以手動(dòng)操作，實(shí)驗(yàn)過程僅僅是一個(gè)展示并未與理論計(jì)算結(jié)合.趙志平[11]李永梅[12]運(yùn)用有限元法對(duì)混凝土構(gòu)件受力過程進(jìn)行數(shù)值模擬，但改技術(shù)不適合本科階段教學(xué)，學(xué)生對(duì)基本原理和方法都無法掌握.商懷帥[13]將Excel軟件與混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理課程相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單的數(shù)值計(jì)算，但沒有與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，無法看到各階段的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.余世策[14]賈冬云[15]等使用LabVIEW軟件對(duì)混凝土構(gòu)件進(jìn)行了仿真模擬，學(xué)生可以將參數(shù)輸入直觀看到計(jì)算結(jié)果，但并沒有實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)操作.

2 仿真軟件

LabVIEW是一個(gè)革命性的圖形編程開發(fā)環(huán)境，以G編程語言為基礎(chǔ)，用于數(shù)據(jù)采集、控制、數(shù)據(jù)分析和圖形表示等，尤其適于虛擬儀器和虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì).目前LabVIEW已經(jīng)廣泛應(yīng)用于測(cè)試測(cè)量、控制、仿真、教育等各個(gè)領(lǐng)域.本文使用LabVIEW軟件對(duì)鋼筋混凝土梁進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，學(xué)生可以手動(dòng)加荷，設(shè)置參數(shù)，實(shí)時(shí)觀察梁的當(dāng)前狀態(tài)，還可以看到理論計(jì)算結(jié)果.鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，鞏固了課堂知識(shí)，實(shí)時(shí)把控實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，對(duì)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)有極大的幫助.

3 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

鋼筋混凝土實(shí)驗(yàn)梁為一簡(jiǎn)支梁，截面寬度為b，截面高度為h，梁的跨度為1.5米.梁的頂部由千斤頂加壓，壓力值為P，通過液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)可以在0～100KN范圍內(nèi)調(diào)節(jié)壓力值，實(shí)現(xiàn)加載.壓力通過荷載分配梁平均地對(duì)距離兩端支座500mm處施加荷載，于是在梁的中部500mm范圍內(nèi)形成了純彎區(qū)段，兩側(cè)為了避免發(fā)生剪切破壞還配置了箍筋.混凝土的強(qiáng)度等級(jí)可選擇C25，C30及C35，鋼筋可以選用二級(jí)鋼筋或三級(jí)鋼筋，鋼筋的直徑為d.這些參數(shù)為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷妮斎胱兞浚瑢W(xué)生可以手動(dòng)輸入數(shù)值，也可對(duì)混凝土及鋼筋的型號(hào)進(jìn)行選型.確定了鋼筋、混凝土的型號(hào)之后，鋼筋的屈服強(qiáng)度fy，界限相對(duì)受壓區(qū)高度ξb，混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度fc，抗拉強(qiáng)度ft，抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fty等輸入變量可通過索引數(shù)組實(shí)現(xiàn)相應(yīng)數(shù)值的輸入.

受拉區(qū)配置鋼筋的截面面積為As，受拉鋼筋形心到梁底部的距離as取40mm，計(jì)算截面高度為h0，受壓區(qū)高度為x，界限受壓區(qū)高度為xb，最小配筋率為0.45ft/fy與0.2%中

圖1 程序框圖

的較大值，彎矩設(shè)計(jì)值為M，開裂彎矩為Mcr，極限受彎承載力為Mu.這些變量為輸出變量，可以通過程序框內(nèi)的公式計(jì)算得到相應(yīng)的結(jié)果.程序框圖如圖1所示，程序框中的公式都是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理中梁受彎計(jì)算的基本公式通過G語言編寫出的.

4 仿真運(yùn)行

學(xué)生可以在前面板中輸入輸入變量的數(shù)值，也可以對(duì)鋼筋混凝土的的型號(hào)通過下拉菜單進(jìn)行選擇，在前面板中輸入變量窗口如圖2所示.

圖2 輸入變量窗口

學(xué)生輸入相應(yīng)的數(shù)值并完成鋼筋混凝土選型后，點(diǎn)擊運(yùn)行，可以通過警示燈觀察是否超筋是否少筋，警示紅燈亮起則表明輸入變量不符合適筋梁運(yùn)行的條件，可做相應(yīng)的調(diào)整.警示燈窗口如圖3所示.

警示燈未亮起則可以連續(xù)運(yùn)行.學(xué)生可通過轉(zhuǎn)動(dòng)液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)旋鈕實(shí)行加載，在加載的過程中觀察實(shí)驗(yàn)梁的受彎過程，以及彎矩?cái)?shù)值的變化.液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)操作旋鈕如圖4所示.

順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)旋鈕，荷載不斷加大，學(xué)生可以觀察到彎矩M數(shù)值也在不斷加大，當(dāng)彎矩值達(dá)到開裂Mcr時(shí)可以看到梁開始出現(xiàn)第一批裂縫，隨著荷載繼續(xù)不斷加大，裂縫擴(kuò)展，陸續(xù)出現(xiàn)第二批第三批裂縫，梁開始由帶裂縫工作階段進(jìn)入到屈服階段，此時(shí)荷載只增加一點(diǎn)，梁便產(chǎn)生較大的變形，直到混凝土被壓碎，此時(shí)梁達(dá)到受彎承載力的極限Mu，梁發(fā)生破壞.實(shí)驗(yàn)梁受彎示意圖如圖5所示.

圖3 警示燈窗口

圖4 液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)操作旋鈕

圖5 實(shí)驗(yàn)梁受彎示意圖

5 結(jié)論

筆者使用LabVIEW軟件，根據(jù)鋼筋混凝土梁受彎的基本原理，動(dòng)態(tài)仿真梁受彎的全過程.學(xué)生在前面板中可以自行設(shè)置實(shí)驗(yàn)梁的各個(gè)參數(shù)，選擇鋼筋混凝土的型號(hào)，運(yùn)行后通過警示燈提示判斷配筋是否合適，學(xué)生可以結(jié)合課本上適筋梁的判斷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比.如果符合適筋梁的標(biāo)準(zhǔn)學(xué)生可以點(diǎn)擊連續(xù)運(yùn)行，此時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)壓力試驗(yàn)機(jī)旋鈕對(duì)梁進(jìn)行加載，在加載的過程中觀察彎矩?cái)?shù)值的變化以及實(shí)驗(yàn)梁的變化，結(jié)合書本所學(xué)知識(shí)，判斷實(shí)驗(yàn)梁所處的階段，直至試驗(yàn)梁破壞.

梁的截面形狀、配筋、材料的型號(hào)都是學(xué)生自己手動(dòng)設(shè)置的，加載也是學(xué)生手動(dòng)加載的，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程是動(dòng)態(tài)的，一方面解決了土工實(shí)驗(yàn)的破壞性，不可逆性和操作性差的特點(diǎn)，另一方面可將實(shí)驗(yàn)搬進(jìn)課堂，與理論教學(xué)相結(jié)合，鞏固學(xué)生的理論知識(shí)，提高學(xué)生的動(dòng)手能力.因此鋼筋混凝土梁的仿真實(shí)驗(yàn)可廣泛推廣，并應(yīng)用到教學(xué)中去，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo).