钢结构教学创新实验平台的构思与探索

2018-03-30吴丽丽

实验技术与管理 2018年3期

吴丽丽

(中国矿业大学(北京) 力学与建筑工程学院，北京 100083)

钢结构是土木工程专业最重要的课程之一,没有实验作为实践载体,学生对钢结构构件的基本构成与原理很难形成清晰的概念[1-4]。2014年我校在钢结构课程学时非常紧张的情况下,首次开设了2学时钢结构实验课,根据实际情况提出创建钢结构教学的多功能实验平台的构想,在这个过程中根据不同教学实验需求, 设计多功能钢结构实验平台和网络虚拟仿真实验室,并鼓励开放式实验室管理模式。实验项目的设计考虑基础性实验和设计类实验项目[5]。常规基础性实验项目包括工字型截面、T型截面、十字型截面柱的整体稳定以及工字型截面梁的整体稳定实验。设计性实验项目则可以根据学生在学习过程中遇到的问题自主提出或者根据导师科研项目的子课题获取,鼓励大胆实践创新,曾经做过包括截面类型对轴心受压柱整体稳定性的影响、焊缝连接和螺栓连接的传力特点和破坏模式等方面的实验研究,培养学生的创新意识与创新能力[6-7]。

1 基础性钢结构实验课的开展及存在的问题

1.1 钢结构实验课的初步开展

2014年我校钢结构课程第一次开设了常规基础性实验,它的基本定位是认识+部分演示。整个实验大致分为前期计算分析(学生为主体)、试验构件设计与操作(在教师的指导下完成),后期的数据整理分析(学生为主)。实验文本工作包含3部分,即试验构件设计分析计算书,实验指导书和实验报告。具体包括以下几个环节:

(1) 根据理论教学中讲解的关于工字型、十字型和T型等3种不同截面型构件,深入理解它们的失稳形态(见图1),以及其稳定承载力计算方法。并通过2种途径进行计算分析,即研究生带领本科生学习有限元软件,通过有限元分析获得其失稳形态和荷载(分析结果见图2),并同时按照钢结构设计规范的稳定计算公式计算,与前者作对比。构件的具体尺寸需要根据实验场地所能提供的净空要求,因条件所限,此次实验所设计的构件长度为1 m,构件的基本尺寸见图3。

图1 3种不同截面型构件失稳示意图

图2 3种截面型构件的有限元分析

图3 试验构件截面尺寸示意图

(2) 编制“钢结构基本原理”课程实验指导书及与之配套的实验报告(由学生观测、整理数据后填写)。实验指导书中介绍实验项目、实验目的,试件、实验设备以及实验过程中的测量尺寸、对中、应变片黏贴、加载控制、数据量取和实验现象的观察记录等问题。实验报告要求学生详细阐述实验过程,并对实验结果进行分析、总结等。通过实验加深学生对钢结构基本概念和理论的理解,并训练学生的实际动手操作技能。

(3) 实施钢结构材性实验。根据国家标准《金属拉伸试验方法》GB228—87,1988,加工制作标准材性实验用试件,测量其横截面面积、确定标距。在实验机上安装试件,调试应变仪,正常工作后加载。实验过程中记录应变和相应的拉力值,最后绘制应力和应变曲线。确定抗拉强度、屈服强度、弹性模量、延伸率等。

(4) 在结构实验室自平衡加载实验架上架设实验构件,如图4所示,正确定位,安装测量仪表,准备记录实验现象和数据。实验完成后能整理分析如下实验结果,其中包括:绘制试件跨中位置的荷载—水平位移曲线、绘制试件跨中截面的名义应力—平均应变曲线、总结各试件极限承载力数值、分析各试件的破坏模态、得出各试件的整体稳定系数并与钢结构设计规范的结果进行比较。

1.2 当前存在的主要问题

限于本校结构工程实验室条件相对比较薄弱的实际情况,钢结构实验课的开展尚存在一系列问题:

(1) 实验场地狭窄。学院路校区结构实验室面积仅66 m2,室内仅安装了一套自平衡加载钢架,备有100 t的液压静力加载作动器和50 t动力疲劳实验机。由于参与这个实验涉及的学生比较多,目前大约每届7个班,各班平均30人,所以一次只能提供1个班的实验。事实上，1个班进入实验室后仍然很拥挤,很多学生没有接触实验设备及构件的机会。与此同时,由于实验涉及钢结构构件的稳定,安全问题尤其重要,实验中不允许学生过于靠近试验构件。一些站在后面的学生无法观察,且学生观察视线受约束,参与度会受到影响。

图4 实验构件装置示意图

(2) 实验设备性能不够稳定。原来的加载系统油源噪音很大,控制过程中往往不太稳定,例如实验当中某个构件加载开始后，力始终没有达到预定值,然后作动器又突然向下运动,把构件瞬间压弯,因此旧实验设备还有待改进。

(3) 实验项目有限。由于实验场地和条件所限,目前钢结构课程可以开展的实验项目相对较少,再加上前面2点问题的存在,导致钢结构实验环节十分薄弱。很多设计性实验项目,包括长细比对轴心受压柱整体稳定性能的影响、薄壁矩形管受压局部屈曲、高强度螺栓和焊缝连接实验等都无法开展。

(4) 钢结构实验课课时太少。目前本校的钢结构课程总共只有32学时,由于钢结构理论课程内容较多,以前一直未开设相关的实验课,从2014年起本科生新版教学大纲修改后才挤出了2学时实验课,但目前的状况是班级人数多、实验室场地狭窄,所以名义的2个学时，实际上是教师背后6倍的付出,而且目前实验运作模式尚处于摸索阶段。

2 多功能钢结构实验平台架的设计

为适应新形势下创新型土木工程人才的培养要求,在教育部和学校、学院等多方面的支持下,本专业准备并正在开展的实验室建设与改造分为2部分:

第一部分是改造原结构实验室(见图5),新增实验系统由多通道电压伺服加载系统、集成液压泵站、反向轴压试验控制软件等组成,实验室中由网络摄像机、触摸电视机、NVR(网络硬盘录像机)组成的录像直播系统,可以记录实验的整个过程,当结构实验存在对实验人员的危险时,可以通过同时录像直播系统在电视屏幕前观看实验画面(见图6),同时可以保存实验视频,供后期教学长期使用。多通道电压伺服加载系统一共有3个作动器,图5中左、右两侧液压作动器,可施加拉力和压力2个方向的力或位移,最大加载值为30 t,图5中间的液压作动器,可施加正向和负向位移,最大加载值为50 t,力只能施加正向压力。相比之前,新的实验系统可以更好地满足钢结构实验课项目的要求,构件长度可以增加,原来的铰接节点模式得以实现,今后还可以开展部分其他设计性构件等创新性实验项目。学生可以在屏幕前更清楚地观察实验现象,同时很大程度地解决了安全问题。

图5 多通道电压伺服加载系统

图6 触摸电视屏幕

第二部分,目前学校在沙河新校区给本专业配备400多m2的厂房,改造为新的土木工程结构实验室。加载的反力试验钢架是钢结构教学实验平台的重要核心元素,后期计划开展不同尺度模型构件的需要。正在设计筹建多功能教学实验平台,在这套新的系统中可以实现前文提及的常规基础性实验和提高类的设计创新性的实验,构件和节点实验多样化,尺度可以多样化,实现一架多功能化的目的。实验平台上部设计了吊车桁架,方便试件的安装与就位。同时为了保证安全,平台周围设置一些安全防护板,有效防范未知风险。加上场地宽敞,同时可以容纳4～5个班级学生进行实验,视线无遮挡,便于学生上手操作。另外,计划购置4～5架自平衡反力装置,方便学生分组实验,让更多学生有上手实验的机会。

3 网络虚拟仿真实验室的开发

尽管新实验室面积得以改善,但是有时也未能完全满足本专业的教学需求。受实验场地限制,有些情况下学生不可能参与所有实验项目,加之有些实验成本较高、危险性较大,为了保证实验教学的系统性,计划开发网络虚拟仿真实验平台,即采用实体建模方式,在电脑上实现各种构件或结构体系的加载及屈曲模式,以及节点的构造方式与传力机理,通过程序系统再现模型的观察及细节拆分。有的实验还可以通过多媒体动画合成技术演示,从而可以实现实验手段多样化、灵活化,节省了课时和提高了效率。初步设想是学校提供校园网数据链接,方便学生进入实验虚拟系统进行准备、加载、观测和整理结果。

4 鼓励开放实验室管理模式

要真正发挥实验室在钢结构教学中的重要地位还需要做到一点,即引入开放实验室管理模式。每个实验室配备相应的实验指导教师,实验室采用“开放式”管理模式[8-10],鼓励学生开展创新性实验研究,学生课余可以通过申请实验报告书,交由实验教师审阅,然后由学生自主完成实验项目。这个过程中,教师只是作为辅助指导者。学生通过设计试件、制作加工试件、试件加载、数据分析等一系列环节加强对知识点的理解。由图7可见,不管是时间、空间、场地和设备的投入都是全方位的,其中意味着要牺牲教师更多的时间和精力,但是换来的是学生的成长和能力的提高。

图7 实验室“开放式”管理内涵

国外很多大学在很多方面都体现出实践动手能力为主线的教学理念,例如美国明尼苏达大学[11]、佐治亚理工学院[12]、加州大学洛杉矶分校等,他们基本的共性主要有几个方面:

(1) 管理措施方面。国外大学实验室的开放程度很高,实验室能够做到24 h开放,进出靠刷卡或“一把钥匙”,这也是令初去美国的人很惊讶的地方。“一把钥匙”可以开启很多实验室的门,这在国内很难想象。国外很多学校的所有实验设备对全校师生开放,任何个人或者单位，只要事先得到认可，均可使用实验室做实验, 实现了设备共用、资源共享。当然在这个过程中他们的管理措施是很到位的,既保障实验室高度开放运行,又能井然有序,还能避免低效率运行。

(2) 实验课程体系方面。他们的实验区分层次,而且较多与工业界关联。

(3) 经费与仪器方面。国外大学的经费很多需要学生自筹,经费来源基本是教授负责制,责任教授是仪器的维护与管理的责任者。

今后若钢结构实验教学能在开放式实验室管理模式下运行,相信学生能有更多机会自主完成实验方案设计、数据测试及处理、实验结果分析等内容,学生的探索求知精神及创造力都能激发出来,有利于学生在以后的研究生阶段培养良好的科研习惯和启发学生的创新思路。