郭建營

摘要：在混凝土結構課程教學中培養(yǎng)學生工程結構的設計理念，是土木工程師素質教育的一個重要內(nèi)容。文章分析了如何從理論計算過渡到實際工程結構設計，包括理論公式的演繹、結構功能的保證，以及對結構設計概念的理解，以便更好地幫助學生在單純的理論計算中建立結構設計的概念。

關鍵詞：混凝土結構;力學概念;結構設計方法;設計概念

中圖分類號：G642.0;TU37文獻標志碼：A文章編號：1005-2909（2018）06-0093-06

一、課程體系與課程特點

混凝土結構課程是大土木工程類專業(yè)的一門專業(yè)基礎課。一般講，其前設課程有土木工程材料、材料力學、結構力學等課程，作為學習該課程的基礎準備;后續(xù)課程有相應的專業(yè)結構類課程，如建筑結構設計、橋梁結構、水工結構，以及專業(yè)課程工程結構抗震、土木工程施工等?；炷两Y構課程在整個土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)中占有重要的地位。 該課程涉及的內(nèi)容既有理論推導，又有試驗研究，同時又與規(guī)范、工程實際聯(lián)系密切。該課程旨在為將來從事工程設計、工程施工和工程管理工作提供專業(yè)技術基礎知識，對學生掌握基本理論、專業(yè)技能和工程能力具有重要作用[1-4]。

混凝土結構課程雖然僅涉及混凝土結構的基本理論和基本構件的設計方法，但是它在整個土木工程專業(yè)教學體系中起著承上啟下的作用。理論上，從數(shù)學工具到力學概念以及結構的概念，有著嚴密的邏輯和嚴謹?shù)睦碚撃Ｐ豌暯印Ｕn程體系上，根據(jù)土木工程專業(yè)教學大綱安排，混凝土結構課程肩負著重要的任務，一是幫助學生建立結構構件的設計思想與理念，掌握結構和構件的設計方法與概念，以及了解在工程結構中如何滿足包括安全性、適用性、耐久性等功能性要求;二是要求掌握

混凝土結構構件的基本設計原理，包括功能要求在混凝土結構中的體現(xiàn)[1-5]。學生接觸這門課程時，正是從基礎理論課程進入專業(yè)技術課程的節(jié)點，要引導學生學會基于基礎理論來分析工程問題。結構構件的設計，首先要分析結構構件的受力性能，這既取決于材料，也取決于計算分析的方法。材料的物理關系、變形的幾何關系、受力的平衡關系應始終是分析的基本方法。但是由于工程構件的材料性能和受力環(huán)境的差異性，使結構構件的受力性能與基礎理論的分析與計算有一定的差別。學生在學習時，會對一些概念產(chǎn)生疑問和困惑。如何去認識和解決具體工程材料的分析和計算，是混凝土結構課程要解決的問題。

從工程意義上說，無論學生以后是從事科學研究還是工程設計、施工和工程管理，結構設計理念的建立對土木工程專業(yè)的學生來說都具有重要意義。如何在教學過程中建立結構設計的概念？結構設計概念在混凝土結構中如何體現(xiàn)和應用？它與基礎課程中的數(shù)學、力學的學習方法有什么不一樣？這些問題都是混凝土結構課程教學需要解決的根本任務。通過這門課程的學習，學生能夠建立基本的結構理念和設計思想，并開始有了工程的概念，就能為后續(xù)專業(yè)課的學習，以及課程設計、畢業(yè)設計打好堅實的理論和工程基礎。

二、結構設計理念與方法的建立

（一）設計方法

結構設計的基本思想在混凝土結構課程結構設計方法（或結構按極限狀態(tài)設計的原則）這一章有講解。在課程教學中，這一章的內(nèi)容是個關鍵，它涉及結構設計的一般方法與概念。應該說，在混凝土結構課程中，這一章的內(nèi)容與后面混凝土結構基本構件的計算理論是并列的。有別于荷載與結構設計方法課程，混凝土結構課程中的結構設計方法包含了混凝土這類具體結構構件設計的方法，對于一般的土木工程結構構件的設計更具有一般性的指導意義。那么，如何在混凝土結構課程教學中去實施呢？這就是混凝土課程教學必須要考慮的。

首先，結構和構件的設計要滿足其功能要求，建立在以概率論和數(shù)理統(tǒng)計基礎上的“極限狀態(tài)設計方法”，正是表述了這個“功能”的狀態(tài)。

其次，要在學生頭腦中建立“極限狀態(tài)的概念”，其與前述力學（材料力學和結構力學）中的構件材料有所不同;就工程結構構件而言，在進行設計時，考察的是結構或構件所處的某一種狀態(tài)，這種狀態(tài)即是結構的“極限狀態(tài)”。而決定（或影響）這個狀態(tài)的變量和因素比較多，這就需要分析狀態(tài)方程中的基本變量的概念。在進行結構設計和計算的時候，一是要確定這些變量以及它們對“狀態(tài)”影響的“權重”，而這些變量所涉及的如受力（工作）的環(huán)境、荷載的工況以及材料、設計方法等因素決定了狀態(tài)的不同。這些變量對“狀態(tài)”影響的“權重”，就是計算公式中那些系數(shù)的概念。二是這些變量本身如何取值，也決定和影響著結構的“狀態(tài)”。

結構設計計算工程實踐中，將結構內(nèi)力的彈性分析和截面承載力的極限狀態(tài)設計相結合，便于工程實用。計算的目的是為了設計，設計出安全、可靠、適用的結構才是最終目的。幫助學生區(qū)別設計計算和分析研究計算的不同，改變其在基礎課程中那種單純?yōu)榱擞嬎愣嬎愕乃枷搿?/p>

（二） 設計計算理論及其特點

3.計算中的結構設計的不確定性

結構設計中，有諸多的不確定性。如：工程結構（構件）的實際承載力可能小于設計計算承載力，工程結構上的實際荷載和各種作用（如溫度、混凝土收縮、地震作用等）與設計計算時取用的荷載和作用的差別，結構分析的不準確性會進一步增大荷載和作用效應（荷載和作用引起的結構內(nèi)力）的變異性[7]。這些不確定性決定了結構設計不同于數(shù)學和力學中的求解那樣簡單直接，會有一個確定的或唯一的正確解答。結構設計要考慮的因素是多方面的，工程建筑的重要性、破壞后的影響程度、工程的經(jīng)濟性等，這些反映在計算公式中引入的相關系數(shù)上，也是設計的安全性在極限狀態(tài)方程中的安全儲備?！敖Y構設計”解答的答案或許不是唯一的，但是，解答的“結果”應該是唯一的，這個“結果”即是必須滿足結構和構件的預定功能要求。

三、混凝土結構概念的設計思想與方法

（一）混凝土結構課程教學中的設計思路

混凝土基本構件承載力設計一般教學思路為： 試驗分析—構件的破壞形態(tài)和破壞特征—計算假定—計算圖形—計算簡化—建立計算公式—進行截面設計和截面驗算—構造設計[1][5]。而在應用計算公式求解時一般首先給出計算的基本公式，通常是基于力學的概念給出的，概念很明確，學生也易于理解。而在進一步分析實際問題和確定未知量時，需要補充條件來求解方程?？紤]工程實際，基于設計的概念，公式有其適用條件，這就要重新確定計算方法和對應的公式。最后的計算結果更需要滿足構造設計要求，這一部分更多的是基于設計的概念，也是學生理解的難點。實際工程中采用的設計方法則是基于極限狀態(tài)的一般表達式，并重點體現(xiàn)在作用效應和材料強度指標的確定，以及構件尺寸的選定等變量的處理上。

（二）混凝土結構材料的概念

鋼筋混凝土結構涉及混凝土和鋼筋這兩種結構材料。結構構件材料本身的物理力學性能與結構構件的受力直接相關，在設計過程中如何確定材料的力學性能，這是設計分析的關鍵。工程中的材料性能不同于理論模型中的理想狀態(tài)，對此，學生在學習過程中往往不容易理解，對其應用學生更是感到難以下手，而這正是結構設計的關鍵內(nèi)容之一。

就混凝土材料而言，反映其物理力學性能的應力應變關系曲線總體有上升段、下降段和收斂段（圖1），而計算時采用的應力應變曲線是拋物線與水平線的組合（圖2）[7-8]，這與試驗曲線（或材料的實際本構關系）有一定差距。學生就會產(chǎn)生這樣的疑問：為什么采用這樣的模型？采用這樣的模型計算是否與實際不相符？從結構設計的概念出發(fā)，材料需要滿足工程結構的功能要求，滿足預定功能是結構設計的目標。設計中所考慮的材料性能，既要滿足設計實現(xiàn)的可能（即要解決工程問題），又要保證結構的可靠，可以在材料本構模型上做些簡化，這與數(shù)學、力學等基礎課程中單純理論計算是有基本區(qū)別的。

復合應力下混凝土的強度，可以考慮箍筋的配置對混凝土的側向約束，以提高混凝土的強度，并增強其變形能力，至于提高多少受到多種因素的影響。如何在工程設計中使用這個性能，這是概念的范疇，在計算公式中沒有定量考慮，不能像前述基礎課程中那樣，一定要在計算公式中體現(xiàn)出來。那么，這就要使學生懂得設計過程中概念設計的理念，應用概念進行設計。

對混凝土結構中的鋼筋，《混凝土結構設計規(guī)范（GB50010-2010）》給出的鋼筋本構關系考慮了鋼筋強度硬化的提高（圖3）。而在結構設計計算時，采用的是理想的彈塑性本構關系，鋼筋屈服代表著結構構件的破壞。理論上講，強度硬化模型可以充分利用鋼筋的強度，在保證結構構件安全可靠的基礎上，降低使用鋼量，以提高工程的經(jīng)濟性。但是，實際計算中采用的理想彈塑性本構關系更利于計算和設計的實現(xiàn)，強度硬化模型的概念則可以在設計過程中配筋時予以概念性設計[6-7]。

（三）混凝土結構設計計算模型分析

結構計算所采用的模型與構件實際的理想破壞形態(tài)還有區(qū)別。如適筋梁的破壞特征： 受拉鋼筋先屈服，然后受壓區(qū)混凝土壓壞，中間有一個較長的破壞過程，有明顯破壞預兆，即“延性破壞（Ductile Failure）”，破壞前可吸收較大的變形能[7]。這是混凝土結構構件設計的理想破壞模型，需要與實際的破壞狀態(tài)結合進行分析。學生在學習過程中如何透徹理解是個關鍵。構件的實際破壞形態(tài)受多重因素的影響，可能并不完全如同理論的破壞形態(tài)。這個概念，可以通過混凝土梁基本構件試驗讓學生有實際的認識和理解。

四、概念設計與構造

（一）結構的概念設計

結構的設計，不是簡單的數(shù)學計算公式1+1=2;設計的最高境界，不是計算公式的求解，而是所設計出來的結構和構件要滿足其功能要求，可見概念設計的重要性。構造設計是體現(xiàn)概念設計的一個方面。

混凝土結構課程中涉及大量的構造要求，不同的受力構件截面形式、尺寸，以及鋼筋直徑、間距、布置的規(guī)定等都有不同。這部分內(nèi)容比較零散[1][5]，很多學生在學習過程中，覺得構造要求都是文字條款的規(guī)定，容易忽視它的重要性。

其實構造設計不是簡單的“對一些不便、不必計算的內(nèi)容”進行的規(guī)定[1]。筆者認為，構造設計更重要的在于對有些無法計算或者目前計算理論無法量化的東西進行構造設計，以滿足狀態(tài)的功能要求。要讓學生理解到這些構造很多也是為了彌補計算的不足而規(guī)定的，包括計算模型的不準確、材料和作用選取中的不確定性等。

（二）設計思想與計算思想的轉變

構件截面的承載力，是由材料所“貢獻”的，與材料的多少（如截面尺寸、面積）、材料的強度、材料在構件中的位置（構件的截面形式、鋼筋的位置等）有關。鋼筋和混凝土這些變量的不同變化，直接決定其在構件承載力中的“貢獻”。當然，不是簡單的“貢獻”越多，承載力就越高;隨著“貢獻”比例的變化，構件的破壞形態(tài)也會發(fā)生變化，如配筋率的變化會使梁的破壞形態(tài)發(fā)生改變（適筋梁、超筋梁和少筋梁的破壞）等。

簡單地從計算角度來看，只要滿足承載力公式，就應該可以了。而從實際情況來看，不僅要考慮結構構件的承載力，還要考慮結構構件破壞的性質。工程設計既要考慮承載力，又要考慮結構的延性，二者具有同等重要的作用。

五、結語

結構設計涉及的因素復雜，不僅要進行理論計算，還要考慮結構的特點，以及結構中材料的特點。如混凝土材料的特性，包括混凝土材料的非均勻性概念，以及設計中所采取的構造措施等。在混凝土結構課程教學中培養(yǎng)學生結構設計的思想和概念，廣義上講也就是培養(yǎng)其工程的思想和概念，而工程思維，這對學生以后學習和處理工程中的結構問題是非常有益的。

參考文獻：

[1]張曉燕，李鳳蘭，曲福來，韓愛紅.混凝土結構設計原理課程教學方法探討[J].高等建筑教育， 2011（1）：79-82.

[2]羅立權，何金春，劉健.水工鋼筋混凝土結構教學改革與實踐探討[J].高等建筑教育，2017（2）：57-61.

[3]丁永剛.混凝土結構設計原理教學細節(jié)探討[J].高等建筑教育，2014（4）：88-91.

[4]許英，汪宏.鋼筋混凝土結構設計原理課程教學探討[J].高等建筑教育，2010（6）：81-83.

[5]黃明， 陳穎輝.? 對鋼筋混凝土結構課程的教學體會[J].昆明大學學報：綜合版，2005（1）：72-74.

[6]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部，中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫局.《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2010，北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[7] 葉列平.混凝土結構（上冊）[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[8] 葉見曙. 結構設計原理[M].3版.北京：人民交通出版社，2010.