【摘要】在教學(xué)資源相對缺乏的情況下，為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，幫助學(xué)生理解基本概念，把數(shù)值模擬技術(shù)引入到建筑結(jié)構(gòu)加固的授課過程中，形象逼真的模擬建筑構(gòu)件加固前后的破壞過程。

【關(guān)鍵詞】建筑結(jié)構(gòu)加固;教學(xué)改革;數(shù)值模擬

【中圖分類號】G420 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】B 【論文編號】1009—8097(2009)05—0118—03

引言

教學(xué)和科研是高等學(xué)校發(fā)展的永恒主題，推動教學(xué)與科研的共同發(fā)展，促進(jìn)兩者的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在要求，也是提高辦學(xué)水平的有效途徑。伴隨著我國高等教育大眾化時代的來臨，由于高校教學(xué)資源相對短缺，如何實現(xiàn)從“規(guī)模擴張”到“質(zhì)量提升”的成功轉(zhuǎn)型呢?如何在傳授知識的同時培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力?筆者認(rèn)為以科研促教學(xué)是其中一個重要的環(huán)節(jié)。把新的科研成果融會于傳統(tǒng)的教學(xué)活動中，不僅為傳統(tǒng)的課程注入了活力，有利于提高教學(xué)效果;而且能夠拓展學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，創(chuàng)新能力和就業(yè)能力。本文嘗試把工程計算中的數(shù)值模擬技術(shù)用于“建筑結(jié)構(gòu)加固”課程的授課活動中。

一 建筑加固課程中的問題及改進(jìn)嘗試

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的迅速發(fā)展，建筑物的檢測、鑒定、加固與改造的任務(wù)日益繁重。近幾十年來，結(jié)構(gòu)的鑒定與加固逐漸形成了一門新的技術(shù)，已經(jīng)成為土木工程技術(shù)人員知識更新的重要內(nèi)容。在很多高校，“建筑結(jié)構(gòu)加固”是土木工程專業(yè)高年級學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)課，該課程一個顯著的特點就是實踐性強。那么筆者在該課程的授課過程發(fā)現(xiàn):雖然土木工程專業(yè)的學(xué)生都做過一些結(jié)構(gòu)試驗，但是多數(shù)的高校還沒有開設(shè)針對土木工程專業(yè)本科生的“結(jié)構(gòu)加固試驗”，學(xué)生也很少接觸一些現(xiàn)場實踐活動，對結(jié)構(gòu)加固的概念還是非常模糊的，特別是在結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固前后的受力性能、破壞過程等的理解上存在一定的困難。

隨著計算機技術(shù)和數(shù)值計算理論的發(fā)展，數(shù)值模擬在材料科學(xué)與工程應(yīng)用中的作用已越來越多地得到人們的重視。如美國的核爆炸研究就是通過數(shù)值模擬來實現(xiàn)的。數(shù)值模擬主要是指通過數(shù)值計算方法再現(xiàn)已知的現(xiàn)象，強調(diào)運用數(shù)值模擬的結(jié)果加深對實際實驗中觀測到的已知現(xiàn)象的解釋[1]。

RFPA(Realistic Failure Process Analysis)是由大連理工大學(xué)唐春安教授課題組開發(fā)的計算系統(tǒng)。它是一種基于有限元應(yīng)力分析和統(tǒng)計損傷理論的材料破裂過程分析數(shù)值計算方法，是一個能夠模擬材料漸進(jìn)破裂直至失穩(wěn)全過程的數(shù)值試驗工具。該方法的一個重要特色是考慮了材料性質(zhì)的非均性，是一種通過非均勻性模擬非線性、連續(xù)介質(zhì)力學(xué)方法模擬非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)問題的材料破裂過程分析新型數(shù)值分析方法?；趶椥該p傷理論，便可以建立材料破裂過程分析RFPA數(shù)值分析系統(tǒng)，其基本思路是:將材料介質(zhì)模型離散化成由細(xì)觀基元組成的數(shù)值模型;假定離散化后的細(xì)觀基元的力學(xué)性質(zhì)服從某種統(tǒng)計分布規(guī)律，由此建立細(xì)觀與宏觀介質(zhì)力學(xué)性能的聯(lián)系;引入適當(dāng)?shù)幕獞?yīng)力、應(yīng)變求解方法，分析模型的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài);引入適當(dāng)?shù)幕茐臏?zhǔn)則(相變準(zhǔn)則)和損傷規(guī)律，分析基元的力學(xué)性質(zhì)演化即相變狀態(tài)。該計算系統(tǒng)一個重要的特點就是強調(diào)了“可視化”的效果，通過計算機顯示將一些試驗中的基本現(xiàn)象直觀演示出來。詳細(xì)的介紹參見文獻(xiàn)[2-4]。

計算機輔助教學(xué)是把計算機作為一種新型教學(xué)媒體，將計算機技術(shù)運用于課堂教學(xué)、實驗課教學(xué)、學(xué)生個別化教學(xué)及教學(xué)管理等各教學(xué)環(huán)節(jié)，以提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率的教學(xué)模式?，F(xiàn)在國家非常重視以計算機為核心的多媒體的教育。在教學(xué)資源相對短缺這樣一種情況下，筆者利用FRPA計算軟件對結(jié)構(gòu)構(gòu)件加固前后的破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，把科研成果、計算機輔助教學(xué)技術(shù)融合起來，用于課堂教學(xué)過程，取得不錯的教學(xué)效果。

二 舉例

在建筑結(jié)構(gòu)加固中，粘貼鋼板或者新型材料FRP條帶是混凝土受彎構(gòu)件常用的加固方法。采用大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院開發(fā)的FRPA2D對混凝土受彎構(gòu)件加固前以及采用CFRP加固后的破壞過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析對比?；炷潦軓潣?gòu)件加固前的破壞過程如圖1所示。

圖2給出了采用FRP加固混凝土受彎構(gòu)件的示意圖。圖3給出了FRP加固混凝土構(gòu)件的破壞過程。很顯然，在構(gòu)件加固前和加固后的破壞過程表現(xiàn)出明顯的差異。加固前，混凝土梁的跨中形成了一條垂直的裂紋;加固后，混凝土梁跨中形成了樹根狀的裂紋系，最終構(gòu)件因FRP板與混凝土撕裂、脫落而失效。這也是外貼法加固混凝土構(gòu)件的一種典型的破壞模式。圖4是FRP加固混凝土梁的典型破壞試驗結(jié)果，可見數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。

圖5給出了兩者載荷—位移曲線的對比。通過圖1、圖3以及圖5的對比，學(xué)生可以形象逼真的理解了混凝土受彎構(gòu)件加固前及加固后破壞過程的不同，而且深刻體會到外貼加固法對構(gòu)件破壞模式的改變?；炷翗?gòu)件加固前，承載力較低，破壞呈現(xiàn)脆性破壞;加固后，構(gòu)件的承載力大幅度提高，而且構(gòu)件的延性得到了改善。

如果采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，由于教學(xué)資源有限，學(xué)生的實踐經(jīng)驗缺乏，多數(shù)學(xué)生課程結(jié)束以后對基本概念的理解也僅停留在文字層面上。采用多媒體技術(shù)為載體把科研成果直觀、形象、有趣味地表達(dá)出來，擺脫了枯燥抽象的文字描述，深深的吸引了學(xué)生的注意力，開啟學(xué)生的想象力，同時也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

四 結(jié)束語

(1)利用現(xiàn)代計算機技術(shù)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行數(shù)值模擬，不僅具有通用性強、方便靈活、具有可重復(fù)性等特點，而且在一定程度上彌補了教學(xué)資源相對不足的問題。

(2)把數(shù)值計算方法用于建筑結(jié)構(gòu)加固課程的授課過程中，把一些不容易表達(dá)的概念可以清晰地用圖形表達(dá)出來，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，幫助學(xué)生深刻的理解基本概念。

(3)通過這樣一種方法，不但幫助學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程，而且有利于激發(fā)學(xué)生對數(shù)值計算、計算機編程及繪圖等難度較大課程的興趣，對學(xué)生素質(zhì)的全面提高也具有促進(jìn)作用。

(4)把新的科研成果用于本科生教學(xué)，改進(jìn)了傳統(tǒng)的專業(yè)課教學(xué)，不僅可以拓展學(xué)生的視野，而且是一種提高學(xué)生創(chuàng)新能力的重要途徑。

參考文獻(xiàn)

[1] 王述紅，唐春安，朱萬成等.數(shù)值試驗在巖石力學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].實驗技術(shù)與管理，2003，20(6):140-143.

[2] 唐春安，趙文.巖石破裂全過程分析軟件系統(tǒng)RFPA 2D[J].巖土力學(xué)與工程學(xué)報，1997，16(5):507-508.

[3] C. A. Tang， Z. Z. Liang， Y. B.Zhang， et al. Fracture spacing in layered materials: a new explanation based on two-dimensional failure process modeling [J]. American Journal of Science， 2008， 308: 49-72.

[4] Xu Chang， Gaowei Yue， Haixiao Lin， Chunan Tang. Modeling the pullout behavior of fiber reinforced polymer bars from concrete [J]. Construction and Building Materials， 2010， 24(4): 431-437.

[5] 張娟霞，唐春安等.FRP加固混凝土構(gòu)件中裂紋擴展規(guī)律的數(shù)值模擬[J].工程力學(xué)，2006，23(12):143-148.

[6] Zhishen Wu， Jun Yin. Fracturing behaviors of FRP- strengthened concrete structures [J]. Engineering Fracture Mechanics， 2003，70(10):1339-13.