陳穗茵, 周云開

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)， 廣東廣州 510642)

鋼筋混凝土受彎實驗的教學(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)，通過對鋼筋混凝土簡支梁的受彎實驗，使理論與實踐相結(jié)合，使想象與真實聯(lián)系到一起，從而提高教學(xué)效果。實驗過程從扎鋼筋開始，進(jìn)一步制作鋼筋混凝土簡支梁后對其進(jìn)行受彎實驗，同時在實驗中獲取數(shù)據(jù)。最后，對數(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)計方法。

簡支梁； 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)實驗課，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)械與電子測量技術(shù)、數(shù)理統(tǒng)計分析等內(nèi)容。有部分研究，通過仿真的實驗，期望能從現(xiàn)代科技中，讓人無需經(jīng)過實踐，便能獲得身臨其境的感受[1]。然而，我們?nèi)匀幌Ｍㄟ^真實的實驗學(xué)習(xí)，旨在讓學(xué)生獲得土木工程結(jié)構(gòu)試驗方面的基礎(chǔ)知識和基本技能，掌握一般工程結(jié)構(gòu)試驗、工程檢測和鑒定的方法，以及根據(jù)試驗結(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驗也應(yīng)從演示性實驗向?qū)W生自行動手制作的操作性實驗轉(zhuǎn)變[2]。

本文主要介紹鋼筋混凝土簡支梁受彎實驗中，教師對制作、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)

在實驗梁制作前，教師對學(xué)生進(jìn)行理論知識的輔導(dǎo)，期望在制作過程中，能以感性認(rèn)識結(jié)合書本的理論知識，對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，測量鋼筋長度是否與圖示相符，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)生按理論知識選取應(yīng)變最大的位置進(jìn)行粘貼。粘貼的過程就是對鋼筋混凝土受彎性能的加深認(rèn)識。

圖1 梁配筋(單位:mm)

(3)混凝土澆搗。設(shè)計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)生運用課本知識，根據(jù)設(shè)計圖紙的尺寸，計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。本實驗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，應(yīng)要求學(xué)生振搗時需注意。因混凝土梁尺寸較大，搬運不易，也因設(shè)備受限，不能用振動臺，振搗一般由插拔式振動棒，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，制作150 mm×150 mm×150 mm混凝土立方試塊三聯(lián) ，用作測定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、拆模。拆模后應(yīng)立即放入溫度為(20±2)℃，相對濕度為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)生運用課本知識，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(因為應(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，清洗時一定要沿單一方向進(jìn)行，不要來回交替擦洗。

3 實驗方案

實驗加載采用液壓千斤頂以一個集中力傳給分配梁而形成兩個集中荷載的加載方式，加載點位置如圖2所示。這里需要學(xué)生根據(jù)書本知識，結(jié)合所做的模型，計算本次實驗的鋼筋混凝土梁的極限荷載值。要求學(xué)生對實驗梁進(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 %，分三級加載，每級穩(wěn)定時間為1 min，然后卸載。加載過程中檢查實驗儀表是否正常。

圖2 加載試驗(單位:mm)

按估算極限荷載的十分之一左右對實驗梁分級加載，相鄰兩次加載的時間間隔為2～3 min。在每級加載后的間歇時間內(nèi)，認(rèn)真觀察實驗梁上是否出現(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)到實驗梁極限荷載的90 %時，改為按極限荷載的5 %進(jìn)行加載，直至實驗梁上出現(xiàn)第一條裂縫，在實驗梁表面對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)實驗過程中記錄的百分表讀數(shù)，要求學(xué)生計算各級荷載作用下實驗梁的實測跨中撓度值，作出鋼筋混凝土梁跨中彎矩和撓度的關(guān)系M-f對比曲線。根據(jù)實驗過程中記錄的受力主筋的應(yīng)變儀讀數(shù)，計算實驗梁跨中的鋼筋應(yīng)變平均值，作鋼筋混凝土梁跨中彎矩和主筋應(yīng)變M-ε對比曲線。根據(jù)實驗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對比曲線，并繪制各級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臺，混凝土的振搗存在蜂窩現(xiàn)象，特別是梁底搗實不易。

(2)學(xué)生的技術(shù)不熟。在混凝土的計算用量階段，通過理論知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本能將混凝土各材料的用量大致計算正確。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)致計算與實際稍有差別。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)加壓點的位置稍微偏大，如果兩個加壓點間的距離保持著1/3的梁長，裂紋出現(xiàn)的順序應(yīng)更接近理論預(yù)測。

6 解決方案

增加振動臺是首要需解決的問題。而在資金不允許、場地不允許的情況下，實驗過程中強(qiáng)調(diào)搗實不均勻的壞處，加強(qiáng)搗實的指導(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)場的體驗實習(xí)時間，著重加強(qiáng)與實驗相關(guān)的施工過程的操作性部分。有條件的可以邀請有經(jīng)驗的施工人員，做示范性操作，到實驗課來做現(xiàn)場操作，讓學(xué)生有感性認(rèn)識[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。澆搗時要求先由專人負(fù)責(zé)保護(hù)應(yīng)變片。加壓時切忌加壓太快，避免使鋼筋意外出現(xiàn)彎曲過快的情形，影響到應(yīng)變片。

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

7 結(jié)論

通過實驗， 期望能讓學(xué)生把所學(xué)的理論知識應(yīng)用到實際的結(jié)構(gòu)試驗中，同時提高學(xué)生的動手能力。在大學(xué)生的科技創(chuàng)新活動中，可以鼓勵學(xué)生自行設(shè)計，并根據(jù)設(shè)計制作模具及鋼筋，這樣能調(diào)動學(xué)生的積極性及設(shè)計意識，更能把書本知識聯(lián)系實際。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)實工作[6]。以前的教學(xué)，注重理論知識的學(xué)習(xí)，學(xué)生在畢業(yè)后難以想象和接受現(xiàn)實工作中的具體內(nèi)容，不能快速接近技術(shù)核心。通過這些實驗課的學(xué)習(xí)，更好地把理論知識和實踐結(jié)合到一起，有利于理論知識的鞏固和實踐知識的接受[7]，初步接觸試驗的基本方法和對試驗數(shù)據(jù)的處理、分析，更加清晰地了解建筑結(jié)構(gòu)試驗的大致實際操作、分析方法，進(jìn)一步明確了土木工程結(jié)構(gòu)試驗在土木工程領(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驗的仿真分析[J].北方工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012(3): 72-76.

[2] 劉陳桃,孫毅,賈慶,等. 鋼筋混凝土簡支梁受彎實驗研究[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驗創(chuàng)新的探索與實踐[J].實驗室科學(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)校級質(zhì)量工程《土木工程計算機(jī)軟件應(yīng)用》精品資源共享課(項目編號:K16271)

陳穗茵(1980～)，女，碩士,高級工程師, 主要從事造價工程、實驗室的研究與教學(xué)工作；周云開(1983～)，女，碩士，實驗師，主要從事市政工程設(shè)計、實驗教學(xué)工作。

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[定稿日期]2017-03-29