林庆利 边亚东 杨小卫 殷晓三

摘  要：单筋矩形梁正截面受弯破坏实验是混凝土结构设计原理学习过程中重要的教学实验之一。以中原工学院为例，针对目前该实验教学存在的问题提出了进行少筋梁、适筋梁和超筋梁分组实验，并带领学生通过设计图纸分析、承载力计算与构件破坏特征交互验证的一套实验教学方法。

关键词：单筋矩形梁;正截面受弯破坏;结构力学组合装置（YJ-IIID型）;教学研究

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）20-0083-03

Abstract： The bending failure experiment of rectangular section beam with single reinforcement is one of the most important teaching experiments， during learning the course of concrete structure design principle. Taking Zhongyuan University of Technology as an example， firstly， the problems existing in this experiment teaching at present were analyzed. Subsequently， a set of improved experimental teaching methods were put forward， in which group experiment of small reinforcement beam， suitable reinforcement beam and super reinforcement beam was carried out. Meantime， under teacher's guidance， the design drawings analysis and bearing capacity calculation were completed by students， which can be cross-verified with component failure characteristics.

Keywords： rectangular section beam with single reinforcement; normal section bending failure experiment; structure mechanics combination device （YJ-IIID）; teaching research

引言

《混凝土結构》是土木工程专业的核心课程之一，该课程按照内容性质分为《混凝土结构设计原理》、《混凝土结构与砌体结构设计》和《混凝土公路桥设计》，上中下三册。在对标工程教育专业认证标准的基础上，中原工学院建筑工程学院于2018年修订了土木工程专业的培养方案，将上册和中册作为主要学习内容，分别以《混凝土结构I》和《混凝土结构II》来进行系统学习。其中，《混凝土结构I》共60学时/4学分，主要讲述混凝土结构材料的物理力学性能[1]，各种混凝土基本构件的受力性能、截面计算和构造等基本理论，属于专业基础知识。

《混凝土结构I》可以看作是钢筋和混凝土两种材料的材料力学，具有很强的理论性和实践性。它的基本理论大多以实验为基础，因此除去传统课堂授课之外，必须加强实验教学，让学生在教师的指导下亲自动手进行实验，观察实验现象，统计实验数据并进行归纳总结[2，3]，这样才能够使学生更深刻地认识混凝土基本构件的破坏过程、破坏特征和破坏规律，加强理解和记忆各类基本构件的截面承载力计算和构造规定。可见，在有条件的情况下，开展各种混凝土构件的实验教学显得尤为重要，而单筋矩形梁正截面受弯破坏实验就是其中最为重要的一个教学实验。本文首先分析了当前该实验教学存在的主要问题，进而针对有关问题提出了一套改进教学效果的方法。

一、当前教学中存在的主要问题

笔者通过对近五届土木工程专业本科生的教学调查和混凝土实验教学开展情况的研究发现，近五个学年以来关于单筋矩形梁正截面受弯破坏实验教学主要存在以下几个问题：

1. 课程内容多，学时少，没有开展相关实验环节。在积极准备工程教育专业认证和学科评估的背景下，土木工程专业大量核心课程的学时数量被强制压缩。然而，混凝土结构课程知识量大，内容十分丰富，涉及大量理论公式，对学生的数学、材料力学和结构力学的功底要求很高[4]，想要在规定的学时内让学生较好地掌握《混凝土结构I》的基本知识有一定的难度，同时对于许多教师而言也不容易将主要内容讲清讲透。因此，限于学时数量，有些任课教师更注重理论教学，只是将该实验的视频影像在课堂上给学生演示，没有实际开展。

2. 实验室老师负责具体操作，未让学生亲自动手实践。出于对管理秩序和实验效率的考虑，针对某几届学生虽然开展了相关实验教学，但大多是实验室老师负责具体操作，之后将实验数据拷贝给学生处理。这样一来，学生仅能观察整个实验破坏过程，统计实验数据，没有亲自参与，对于如何粘贴电阻应变片、构件如何设计安装、位移计如何使用以及如何利用静态测试软件采集实验数据不能真正熟悉，无法达到锻炼学生基本实验技能和激发学习与科研兴趣的目的。

3. 仅开展适筋梁的正截面受弯破坏实验，对少筋梁和超筋梁缺乏足够重视，不能形成有效对比。随着培养方案不断完善，单筋梁正截面受弯破坏实验已成为《混凝土结构I》必须要进行的实验环节。然而，当前该实验主要是在实验室老师的指导下让学生分组验证适筋梁正截面受弯的破坏过程，没有对少筋梁和超筋梁进行实验操作，不能形成强烈对比。此外，实验构件均是成品采购，非实验室人员或学生制作完成，未对构件的配筋计算和设计图纸进行仔细分析，学生对其内部构造也不太清晰。

可见，近五个学年以来，虽然对于该实验教学环节已经逐步开展和完善，但是仍然存在一些不足，为了更好地让学生理解记忆单筋矩形梁正截面破坏的特征和承载力计算原理，培养学生动手操作能力和激发学习兴趣，显然有必要提出一套更加合理有效的实验教学方法。

二、实验教学改进方法探讨

本实验采用烟台新天地试验技术有限公司设计的YJ-IIID型结构力学组合装置进行加载，如图1所示。在具体进行该实验教学时，可以采用如下几个步骤：

1. 划分实验小组，分别对单筋矩形截面少筋梁、适筋梁和超筋梁进行加载测试，但在加载前并不告知该小组所测试构件的配筋情况。一般情况下，土木工程一个班级人数在32人左右，可以均匀地分成4组，包含少筋梁、适筋梁和超筋梁三种类型，其中可以有任意一种类型多出1组，事先不指明构件的配筋类型。首先，每一小组成员之间互相配合，共同完成梁体正表面打网格线和在跨中位置粘贴混凝土电阻应变片。接着，四个小组依次进行构件安装调试、加载和采集数据等操作内容。一个小组进行加载时，其他三组一起认真观察构件的破坏全过程。

2. 每个小组根据试验现象判断简支梁配筋类型，并进行实验数据分析处理。现以超筋梁为例，如果简支梁出现混凝土受压区边缘先破碎，而下部受拉钢筋不屈服，基本没有预兆的情况下由于受压区混凝土被压碎而突然破坏的破坏形态，则说明该实验表现出的是超筋梁破坏特征，可以判定为超筋梁，如图2所示。某小组对应获得的实验数据，见表1。由此绘制出的M-f（弯矩-挠度）关系曲线和M-？着S关系曲线，分别见图3和图4。

由表1可知，该构件正截面所能承受的极限弯矩值为20.87kN·m，达到极限弯矩后实验现象表现为受压区混凝土突然被压碎，而此时纵向受拉钢筋的平均应变值仅约为1318个微应变，远未达到正截面承载力计算的基本假定-纵向受拉钢筋极限拉应变为10000个微应變，实验现象表现为受拉钢筋不屈服。

3. 进行设计图纸分析，并通过配筋计算验证简支梁配筋类型。在以往实验教学过程中，都是对购买的成品构件直接进行加载验证，学生对其内部构造不甚清楚。进行设计图纸分析之后，可使学生更加直观地认识构件的配筋情况，熟悉纵向受拉钢筋、架立筋与箍筋如何绑扎形成钢筋骨架，以及构件的纯弯段是怎样进行配筋设计的。同样以超筋梁为例，对应的设计图纸如图5所示，具体配筋和截面尺寸见表2。

通过配筋计算验证简支梁配筋类型的具体步骤如下：

由力的平衡条件可得：

fyAs=？琢1fcbx          （1）

查规范可知[5]，C25混凝土：fc=11.9N/mm2，ft=1.27N/mm2;HRB335钢筋：fy=300N/mm2;？孜b=0.550。

于是，x？燮xb=？孜bh0=0.550×（150-20-6-7）=64.35mm其中，箍筋直径是6mm，纵筋直径14mm，混凝土保护层厚度为20mm。

则适筋梁的最大配筋面积为：

As，max=？琢1fcbxb/fy=1.0×11.9×100×64.35/300=255.26mm2

适筋梁的最小配筋率取0.2%和0.45ft/fy的较大值，经计算较大值为0.2%，则适筋梁的最小配筋面积应为：

As，min=0.2%■bh0=0.2%bh=0.2%×100×150=30mm2

故适筋梁的纵向受拉钢筋截面面积应控制在[30，255.26]mm2范围内，而表2中构件的纵向受拉钢筋选用了2根直径14mm的HRB335钢筋，其截面面积As=308mm2，则确实属于超筋梁，这样也就与第2.步中观察的超筋梁的破坏现象和实验数据得到了交互验证。

三、结束语

《混凝土结构设计原理》课程应重视实验教学，单筋矩形截面简支梁正截面受弯承载力实验是这门课程中最重要的一个教学实验。笔者通过对所任教学院近五届土木工程专业本科生的实验教学情况进行调查研究，分析了当前教学中存在的主要问题，针对这些具体问题提出了一套实验教学的改进方法，锻炼了学生的动手实践能力，激发了学习兴趣，便于学生更深刻地理解受弯构件正截面的受弯性能，从而更好地掌握单筋梁正截面受弯承载力计算原理等知识。改进的教学方法，还应在今后的实践教学过程中不断优化和完善。

参考文献：

[1]东南大学，天津大学，同济大学.混凝土结构设计原理（第五版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[2]周翠玲，冯竟竟，张耀军.工程教育专业认证背景下钢筋混凝土结构课程教学改革[J].山东农业工程学院学报，2018，35（11）：28-31.

[3]蓝丽江，张站祥.《混凝土结构设计》课程教学改革探讨[J].教育教学论坛，2018（43）：122-123.

[4]徐华，陈正，余波，等.北部湾区域高校混凝土结构课程教学改革研究[J].高等建筑教育，2018，27（1）：45-48.

[5]GB50010-2010混凝土结构设计规范（2015年版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2016.