陳穗茵, 周云開

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)， 廣東廣州 510642)

鋼筋混凝土受彎實(shí)驗(yàn)的教學(xué)改革

陳穗茵, 周云開

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)， 廣東廣州 510642)

文章結(jié)合課堂教學(xué)，通過對(duì)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的受彎實(shí)驗(yàn)，使理論與實(shí)踐相結(jié)合，使想象與真實(shí)聯(lián)系到一起，從而提高教學(xué)效果。實(shí)驗(yàn)過程從扎鋼筋開始，進(jìn)一步制作鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁后對(duì)其進(jìn)行受彎實(shí)驗(yàn)，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)中獲取數(shù)據(jù)。最后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，讓學(xué)生掌握混凝土結(jié)構(gòu)的基本原理和設(shè)計(jì)方法。

簡(jiǎn)支梁； 鋼筋混凝土梁； 應(yīng)變片

近年來，大學(xué)本科教學(xué)趨向?qū)嵺`與理論結(jié)合，越來越多的實(shí)踐教學(xué)在大學(xué)的課程中體現(xiàn)。而作為土木工程專業(yè)非常重要的土木工程結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課，是土木工程專業(yè)的一門專業(yè)技術(shù)課程，與材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、地基基礎(chǔ)和橋梁結(jié)構(gòu)等課程直接有關(guān)，并涉及物理學(xué)、機(jī)械與電子測(cè)量技術(shù)、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析等內(nèi)容。有部分研究，通過仿真的實(shí)驗(yàn)，期望能從現(xiàn)代科技中，讓人無需經(jīng)過實(shí)踐，便能獲得身臨其境的感受[1]。然而，我們?nèi)匀幌Ｍㄟ^真實(shí)的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，旨在讓學(xué)生獲得土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方面的基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，掌握一般工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)、工程檢測(cè)和鑒定的方法，以及根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果作出正確的分析和結(jié)論的能力。鋼筋混凝土課程，與之配套的鋼筋混凝土實(shí)驗(yàn)也應(yīng)從演示性實(shí)驗(yàn)向?qū)W生自行動(dòng)手制作的操作性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變[2]。

本文主要介紹鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁受彎實(shí)驗(yàn)中，教師對(duì)制作、操作及數(shù)據(jù)處理的指導(dǎo)，學(xué)生在操作過程中遇到的困難及解決方案[3]。

1 理論指導(dǎo)

在實(shí)驗(yàn)梁制作前，教師對(duì)學(xué)生進(jìn)行理論知識(shí)的輔導(dǎo)，期望在制作過程中，能以感性認(rèn)識(shí)結(jié)合書本的理論知識(shí)，對(duì)鋼筋混凝土的受彎性能有更深刻的認(rèn)知。

2 模型制作

鋼筋混凝土梁的制作過程如下：

(1)綁扎鋼筋。根據(jù)鋼筋混凝土梁的配筋圖(圖1)，選取所需鋼筋，測(cè)量鋼筋長(zhǎng)度是否與圖示相符，并綁扎鋼筋。

(2)粘貼應(yīng)變片。在梁的主筋粘貼應(yīng)變片，要求學(xué)生按理論知識(shí)選取應(yīng)變最大的位置進(jìn)行粘貼。粘貼的過程就是對(duì)鋼筋混凝土受彎性能的加深認(rèn)識(shí)。

圖1 梁配筋(單位:mm)

(3)混凝土澆搗。設(shè)計(jì)C25混凝土配合比，并依據(jù)鋼筋混凝梁的配筋圖，澆筑混凝土梁。要求強(qiáng)度保證率95 %，要求坍落度為55～70 mm，施工現(xiàn)場(chǎng)混凝土由人工拌制，人工振搗。原材料及系數(shù)包括：P.C32.5水泥，水泥強(qiáng)度富余系數(shù)取1.0，碎石最大粒徑10 mm，混凝土拌合物的假設(shè)質(zhì)量為2 350～2 450 kg/m3。此處需要學(xué)生運(yùn)用課本知識(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙的尺寸，計(jì)算混凝土的配合比及用量。由學(xué)生自行稱量所需材料的重量，將材料按應(yīng)有順序下料攪拌均勻，倒入模具。本實(shí)驗(yàn)所做混凝土梁的模板由金屬薄板制成，底模采用木模板。澆搗時(shí)應(yīng)要求學(xué)生注意模板是否有變形，導(dǎo)致混凝土梁截面不能達(dá)到各截面尺寸的要求。同時(shí)，應(yīng)要求學(xué)生振搗時(shí)需注意。因混凝土梁尺寸較大，搬運(yùn)不易，也因設(shè)備受限，不能用振動(dòng)臺(tái)，振搗一般由插拔式振動(dòng)棒，并由學(xué)生使用短鋼筋插搗完成。這里要求在澆搗鋼筋混凝土的同時(shí)，制作150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方試塊三聯(lián) ，用作測(cè)定28 d混凝土的抗壓強(qiáng)度。采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)的試件，應(yīng)在溫度為(20±5)℃的環(huán)境下靜置一晝夜至二晝夜，然后編號(hào)、拆模。拆模后應(yīng)立即放入溫度為(20±2)℃，相對(duì)濕度為95%以上的標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室中養(yǎng)護(hù)，彼此間隔為10～20 mm，要求試件表面保持潮濕。

(4)混凝土表面粘貼應(yīng)變片。提供5片應(yīng)變片，要求學(xué)生粘貼在混凝土梁受力最大、應(yīng)變最大的地方，自選位置。這里仍然是要求學(xué)生運(yùn)用課本知識(shí)，確定位置，以便得出數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。注意讓學(xué)生在粘貼應(yīng)變片前打磨混凝土表面，用220#～400#粒度范圍的砂紙打磨構(gòu)件混凝土表面，打磨區(qū)域15 cm×15 cm(因?yàn)閼?yīng)變片規(guī)格1.1 cm×8.2 cm)，至表面光滑為止。打磨完成后，需用浸有丙酮的脫脂棉球清洗貼片處，直到棉球上看不見污漬為好，清洗時(shí)一定要沿單一方向進(jìn)行，不要來回交替擦洗。

3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)加載采用液壓千斤頂以一個(gè)集中力傳給分配梁而形成兩個(gè)集中荷載的加載方式，加載點(diǎn)位置如圖2所示。這里需要學(xué)生根據(jù)書本知識(shí)，結(jié)合所做的模型，計(jì)算本次實(shí)驗(yàn)的鋼筋混凝土梁的極限荷載值。要求學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)梁進(jìn)行預(yù)加載，利用力傳感器進(jìn)行控制，加荷值可取極限荷載的50 %，分三級(jí)加載，每級(jí)穩(wěn)定時(shí)間為1 min，然后卸載。加載過程中檢查實(shí)驗(yàn)儀表是否正常。

圖2 加載試驗(yàn)(單位:mm)

按估算極限荷載的十分之一左右對(duì)實(shí)驗(yàn)梁分級(jí)加載，相鄰兩次加載的時(shí)間間隔為2～3 min。在每級(jí)加載后的間歇時(shí)間內(nèi)，認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)梁上是否出現(xiàn)裂縫，加載后持續(xù)2 min后記錄電阻應(yīng)變儀、百分表讀數(shù)。當(dāng)達(dá)到實(shí)驗(yàn)梁極限荷載的90 %時(shí)，改為按極限荷載的5 %進(jìn)行加載，直至實(shí)驗(yàn)梁上出現(xiàn)第一條裂縫，在實(shí)驗(yàn)梁表面對(duì)裂縫的走向和寬度進(jìn)行標(biāo)記，記錄開裂荷載。

4 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中記錄的百分表讀數(shù)，要求學(xué)生計(jì)算各級(jí)荷載作用下實(shí)驗(yàn)梁的實(shí)測(cè)跨中撓度值，作出鋼筋混凝土梁跨中彎矩和撓度的關(guān)系M-f對(duì)比曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中記錄的受力主筋的應(yīng)變儀讀數(shù)，計(jì)算實(shí)驗(yàn)梁跨中的鋼筋應(yīng)變平均值，作鋼筋混凝土梁跨中彎矩和主筋應(yīng)變M-ε對(duì)比曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程記錄的受壓混凝土的應(yīng)變儀讀數(shù)，作出梁跨中彎矩和受壓混凝土應(yīng)變關(guān)系M-εc對(duì)比曲線，并繪制各級(jí)荷載下鋼筋混凝土梁的平均應(yīng)變沿梁高度的分布圖。

5 不足之處

(1)使用設(shè)備的不足。其中最突出的是沒有振動(dòng)臺(tái)，混凝土的振搗存在蜂窩現(xiàn)象，特別是梁底搗實(shí)不易。

(2)學(xué)生的技術(shù)不熟。在混凝土的計(jì)算用量階段，通過理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本能將混凝土各材料的用量大致計(jì)算正確。但是稱取材料的過程不夠嚴(yán)格，砂石沒有篩分，沒有注意保存材料，致使材料中含有水分，導(dǎo)致計(jì)算與實(shí)際稍有差別。攪拌過程中投料順序、投料的量把握不夠準(zhǔn)確，經(jīng)常使水分流失，使混凝土的成品與預(yù)期有出入。由于梁的尺寸較小，鋼筋較多，學(xué)生的技術(shù)也不熟練，插搗的時(shí)間和精力、耐力都不足，造成澆搗的不勻稱。養(yǎng)護(hù)的過程有部分學(xué)生未能按要求進(jìn)行每日的養(yǎng)護(hù)。又由于澆搗的過程中有部分學(xué)生移動(dòng)到了應(yīng)變片，致使鋼筋的應(yīng)變值在加載過程中無法讀出數(shù)據(jù)。

(3)如前所述，鋼筋的應(yīng)變片在澆搗過程中容易失效，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整。而在加載過程中，出現(xiàn)部分鋼筋因受彎拉伸，應(yīng)變片繃斷的情形。這些都造成應(yīng)變片數(shù)據(jù)有部分不完整，造成后期的數(shù)據(jù)處理中出現(xiàn)困難。

(4)加壓點(diǎn)的位置稍微偏大，如果兩個(gè)加壓點(diǎn)間的距離保持著1/3的梁長(zhǎng)，裂紋出現(xiàn)的順序應(yīng)更接近理論預(yù)測(cè)。

6 解決方案

增加振動(dòng)臺(tái)是首要需解決的問題。而在資金不允許、場(chǎng)地不允許的情況下，實(shí)驗(yàn)過程中強(qiáng)調(diào)搗實(shí)不均勻的壞處，加強(qiáng)搗實(shí)的指導(dǎo)工作，是指導(dǎo)中應(yīng)加大力度的[4]。

增加視頻的示范教導(dǎo)，增加施工現(xiàn)場(chǎng)的體驗(yàn)實(shí)習(xí)時(shí)間，著重加強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的施工過程的操作性部分。有條件的可以邀請(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的施工人員，做示范性操作，到實(shí)驗(yàn)課來做現(xiàn)場(chǎng)操作，讓學(xué)生有感性認(rèn)識(shí)[5]。

應(yīng)變片的粘貼，應(yīng)作多種嘗試。比如用702膠水、水玻璃等多種不同膠水嘗試使應(yīng)變片固定。澆搗時(shí)要求先由專人負(fù)責(zé)保護(hù)應(yīng)變片。加壓時(shí)切忌加壓太快，避免使鋼筋意外出現(xiàn)彎曲過快的情形，影響到應(yīng)變片。

加壓點(diǎn)的位置，可作調(diào)整，使加壓后的數(shù)據(jù)更貼近理論知識(shí)，更接近實(shí)際情況。

7 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)， 期望能讓學(xué)生把所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)中，同時(shí)提高學(xué)生的動(dòng)手能力。在大學(xué)生的科技創(chuàng)新活動(dòng)中，可以鼓勵(lì)學(xué)生自行設(shè)計(jì)，并根據(jù)設(shè)計(jì)制作模具及鋼筋，這樣能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性及設(shè)計(jì)意識(shí)，更能把書本知識(shí)聯(lián)系實(shí)際。當(dāng)前的本科教學(xué)，強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生走出象牙塔，讓學(xué)生多接觸現(xiàn)實(shí)工作[6]。以前的教學(xué)，注重理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，學(xué)生在畢業(yè)后難以想象和接受現(xiàn)實(shí)工作中的具體內(nèi)容，不能快速接近技術(shù)核心。通過這些實(shí)驗(yàn)課的學(xué)習(xí)，更好地把理論知識(shí)和實(shí)踐結(jié)合到一起，有利于理論知識(shí)的鞏固和實(shí)踐知識(shí)的接受[7]，初步接觸試驗(yàn)的基本方法和對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、分析，更加清晰地了解建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)的大致實(shí)際操作、分析方法，進(jìn)一步明確了土木工程結(jié)構(gòu)試驗(yàn)在土木工程領(lǐng)域的重要性。

[1] 何愛軍,張少波,宋曉軟,等. 鋼筋混凝土梁破壞實(shí)驗(yàn)的仿真分析[J].北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(3): 72-76.

[2] 劉陳桃,孫毅,賈慶,等. 鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁受彎實(shí)驗(yàn)研究[J].山西建筑, 2015(35): 68-69.

[3] 閆學(xué)恭. 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在建筑工程中的重要作用[J].現(xiàn)代裝飾: 理論，2013(3) : 157.

[4] 王高強(qiáng)，李松正，侯小華． 淺析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在建筑工程中的應(yīng)用[J].門窗，2014(10) : 76.

[5] 余世策, 蔣建群, 劉承斌, 等. 賞星云鋼筋混凝土實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新的探索與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué), 2009(5): 148-151.

[6] 武建華, 黃超.教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維的探討[J] .高等建筑教育, 2007, 16(1): 32 -34

[7] 易萍華, 鄧治平.土木工程專業(yè)對(duì)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新教育的思考[J].高等建筑教育, 2007,6(1): 38 -41.

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工學(xué)院教改課題; 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)校級(jí)質(zhì)量工程《土木工程計(jì)算機(jī)軟件應(yīng)用》精品資源共享課(項(xiàng)目編號(hào):K16271)

陳穗茵(1980～)，女，碩士,高級(jí)工程師, 主要從事造價(jià)工程、實(shí)驗(yàn)室的研究與教學(xué)工作；周云開(1983～)，女，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事市政工程設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

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[定稿日期]2017-03-29