探索型人才培养的钢筋混凝土梁受弯综合性实验设计

摘    要：文章在钢筋混凝土梁受弯试验的基础上拓展教学内容，注重系统性和开创性，设计了钢筋混凝土梁受弯综合实验，对前置知识如混凝土基础力学实验、混凝土配合比计算方法等进行融合，并根据实测数据，建立混凝土本构曲线，进而采用有限元模型进行仿真与验证。该实验集成了混凝土结构设计、土木工程材料、有限元基础重要知识点，对学生创新能力与动手能力起到很好的锻炼作用，极大地提高了土木工程专业学生的科研能力与创新素质。

关键词：混凝土梁受弯实验；综合性实验；科研能力;有限元

中图分类号：G642.0      文献标识码：A     文章编号：1002-4107（2024）11-0075-05

一、引言

伴随社会转型和经济改革发展，国家对高素质综合型人才的需求不断增加。党的二十大报告指出，必须坚持科技是第一生产力、人才是第一资源、创新是第一动力，深入实施科教兴国战略、人才强国战略、创新驱动发展战略。坚持培养创新型、技能型、知识型的综合素质人才，是高校发展坚定不移的方向和目标[1]。本科生的培养需要其具备扎实的基础知识、熟练的实验操作技能和灵活创新的思维。因此，推动高等教育改革，加大对本科生的科研训练，锻炼本科生的科研能力，探索本科生创新能力培养模式尤为重要。

土木工程专业是一个实践性较强的专业，在本科生培养过程中实验类课程是重要的一个环节，其中，钢筋混凝土梁受弯实验是土木工程本科生的核心实验，通过对钢筋混凝土梁进行受弯实验，得到钢筋混凝土梁最大弯矩及受弯破坏形式。但在实际实验中发现存在以下弊端：一是试件较大、实验准备周期长、操作过程危险且烦琐，只能以教师操作、学生小组观摩的形式进行[2]；二是此实验的前置实验有水泥胶砂实验、骨料实验、混凝土立方体抗压强度实验、钢筋拉伸实验等，均分布在大一、大二阶段。由于此实验与前置实验间隔时间较长，学生难以形成系统化知识体系，导致教学效果不佳。为了解决上述问题，国内部分学者进行了相关尝试。例如，张元亮对“混凝土结构设计原理”课程教学提出改进措施，对学生进行细化分组，并引导学生通过ABAQUS（工程模拟的有限元软件）处理模块对梁的受力情况进行分析[3]；谢志红结合混合式教学理念提出了新的教学方法和教学模式，提高学生的主观能动性，使学生积极参加钢筋混凝土结构实验课程[4]；钱匡亮等人采用“集约分层式”教学模式对混凝土第五组分、第六组分进行实验[5]；王立成针对“钢筋混凝土结构”课程教学实验中存在的问题，通过转变实验教学观念，以提高学生的创新能力和综合素质为目标，全面培养学生的参与意识、动手能力和创新意识[6]。虽然不少高校进行了尝试，但仍存在实验缺乏探索性、受益面小、教学投入过大等问题。因此，以学生为主体，设计钢筋混凝土梁受弯实验及验证的综合性实验，面向大三学生进行开放选修，与课内实验并行，不仅可以减轻课内实验人数的压力，也可以提高学生的科研探索能力。

二、实验目的

通过测定混凝土的抗压强度、抗弯强度，熟悉并掌握相关测定方法、混凝土的标准养护和强度评定、配合比的确定等内容。学习计算配合比；学会使用振动台和万能试验机等仪器；掌握本构生成器和ABAQUS的操作技能。通过将具体的实验操作过程和有限元软件相结合，进一步对钢筋混凝土梁的受弯试验进行验证。

三、实验方案

通过查阅资料和对其他学者的实验方法进行对比分析，确定实验方案。

①准备阶段。准备实验所需要的材料和工具，在这一过程中学生能够认识材料并悉基本的实验工具。

②实验阶段。先计算混凝土配合比并制备试件，再进行实验。需要制备100 mm3的混凝土试件和100 mm×100 mm×400 mm的钢筋混凝土梁试件，试件中布置2根受力钢筋为L1，布置3根受力钢筋为L2。立方体混凝土试件进行抗压强度测试；钢筋混凝土梁试件进行抗弯强度测试[7]。实验阶段有利于学生学习实验操作技能，既培养了科研的兴趣和能力 ，也增强了团队意识。

③模拟阶段。生成本构模型；用ABAQUS模拟混凝土梁受弯实验过程。创新实验引入有限元软件进行模拟，整理并分析实验数据，推动学生创新思维的发展。

④分析阶段。进行结果分析和实验反思。对比实验值与模拟值，分析实验结果，反思实验得失。学生通过整体分析实验，提升对知识的整体认知能力，培养批判性思维。具体实验方案如图1所示。

四、实验仪器与材料

已有的材料和工具有水洗河沙、5～20 mm连续粒径石子、水、100 t万能试验机、100 mm×100 mm×100 mm试模、100 mm×100 mm×400 mm试模、标准养护室、振动台、捣棒、小铁铲、金属直尺、刮刀、本构生成器、ABAQUS等。学生自行购买的材料和工具有普通硅酸盐水泥、直径6 mm钢筋、AB胶、细铁丝、保护层模具、锯刀等。

五、实验步骤

（一）混凝土梁的制作过程

①配合比的计算。实验的目的是制作强度等级为C30的混凝土，σ＝5.0 MPa，试配强度fcu，0＝fcu，k+1.645σ，所以fcu，0＝30+1.645×5.0≈38.225 MPa。计算水灰比，水泥实际强度为fce＝50.0 MPa，所用粗骨料为碎石，回归系数    ＝ 0.53，αb＝0.20，水灰比    ＝                      ≈0.50。最终计算精确到小数点后两位，确定水的用量为5.51 kg、水泥用量为10.58 kg、砂子用量为13.79 kg、石子用量为25.63 kg。

②100 mm3立方体混凝土试块的制作。学生进入实验室后，先将试模擦拭干净，内壁涂一层矿物油，再将普通硅酸盐水泥、水洗河沙、5～20 mm连续粒径石子、水等混和搅拌。将拌合物一次性装入试模且略高于试模口，试模移至振动台并固定好后，开启振动台，振动至表面出现水泥浆停止。将拌合物分2层倒入试模进行振捣，学生具体操作如图2所示。成型后在室温20℃左右、相对湿度50%左右的环境下静放一个昼夜，养护28 d。

③100 mm×100 mm×400 mm混凝土梁的制作。先制作2种不同的受力筋，用锯刀将4根长为1.2 m的钢筋锯成合适长度。用细铁丝将钢筋捆绑固定（图3）。利用水泥和模具，以水泥和水1∶0.5的配合比制作保护层垫块（图4）。使用上一步的拌合物，采用100 mm×100 mm×400 mm的钢筋混凝土试模当模板，用AB胶将垫块粘至钢筋与模具的空隙处和钢筋交界处。再将搅合好的混凝土倒入试模中，静放一个昼夜等待成型。试件拆模后，在温度为 20±2℃、相对湿度为95%以上的标准养护室中养护28 d。

（二）试件测试

①混凝土立方体抗压强度测试。将试件安放在试验机的下压板上，加压时应连续而均匀地加荷，直至试件破坏，停止试验机，记录破坏荷载 。利用压强公式计算出混凝土的抗压强度。

fcu＝                              式（1）

式（1）中，fcu为混凝土试块的抗压强度——MPa；F为抗压破坏载荷——kN；A为受压面积——mm2。

②钢筋混凝土梁受弯强度测试。梁受弯实验装置如图5所示，实验加载装备为万能试验机，采用两点加载方式，通过压力传感器来观测实际荷载，记录实验情况[8]。通过位移控制，以0.5 mm/min的速度均匀向下加压。试件出现裂缝时记录破坏荷载，当压力传感器反映出的力，即位移曲线出现峰值且开始呈下降趋势的时候结束实验。记录转折点对应的位移和力的大小，计算抗弯强度。

（三）有限元模拟

本构生成器是一个可以便捷地生成本构模型的软件，由4部分组成，分别是创建材料参数、生成本构曲线、受压本构模型、受拉本构模型。在测试100 mm3混凝土的抗压强度后，得到混凝土的强度值为30 MPa，带入到本构生成器中，创建本构模型。从图6a创建材料参数界面可以看出，材料参数来源于设计强度值，混凝土强度小于60 MPa选择GB50010-2010方法。图6b生成本构曲线界面，和前页保持一致，计算方法选择GB 50010-2010方法，强度代表值为平均值，选择完毕后即可得到本构模型（图7）。

ABAQUS是一款基于有限元方法的能解决从线性分析到复杂非线性分析等各类问题的工程模拟软件[9]。ABAQUS丰富的材料属性库可以模拟金属、橡胶、可压缩泡沫、岩石、土壤、复合材料等各种材料，其提供的丰富的单元库可以实现任意实际形状的模拟[10]。为了验证实验的合理性，学生选择用ABAQUS模拟钢筋混凝土梁的受弯过程。将上一步建立的本构模型代入有限元软件中，确定模拟的钢筋混凝土梁的强度等级为C30，根据实际情况定义弹性模量为29518.7 MPa、泊松比为0.2，装配后创建分析步。加入混凝土梁的边界条件，定义加载方式大小为0.5 mm/min。最后将梁进行网格划分，运行钢筋混凝土梁的受弯实验模拟，模拟出的塑性应变分量如图8所示。

六、结果分析

（一）实验结果分析

实验加载至12 kN，混凝土梁L1出现第一条斜裂缝，荷载不断增加，斜裂缝也不断变宽变长；当加载至67 kN、位移为2.1 mm时，荷载达到顶峰，此后梁的承载力开始大幅度下降。混凝土梁L2荷载加载至13 kN时开始出现微裂缝；荷载加载至42 kN时，裂缝由底部发展到中上部，位移增加幅度较大；当荷载加载至62 kN，荷载已无法保持，构件彻底破坏，停止加载[11]。试件L2破坏形态如图9所示。

（二）模拟结果分析

对比模拟值和实验值，ABAQUS模拟实验过程与实际实验过程基本一致，上升段的吻合度较高，下降段的趋势基本相同，能够反映出混凝土梁受弯力与位移的对应关系。混凝土梁L1和混凝土梁L2的力—位移曲线模拟值与实验值对比如图10、11所示。从整体上来看，模拟值曲线与实验值曲线的趋势一致；从局部来看，当位移加载到2.5 mm，混凝土梁L1的模拟值与实际值的峰值都达到了60 kN，而当位移加载到2 mm左右，混凝土梁L2的模拟值与实际值都在60 kN左右，相差不大。运用有限元软件模拟钢筋混凝土梁的受弯实验，一方面复习了ABAQUS的有限元知识，使学生能够更加熟练地操作有限元软件；另一方面，学生通过构建模型、输入参数、计算数据，成功模拟出实验过程，增强成就感，激发了科研热情。

七、钢筋混凝土梁受弯综合性实验总结

（一）对实验中出现的问题的反思

学生通过实验对混凝土的知识更加熟悉，同时也发现了实验过程中自身存在的问题。首先，保护层用AB胶粘的不够牢固，在浇灌水泥时造成钢筋歪斜，下次实验则直接选择细铁丝固定，或制作其他形式的保护层。除此之外，斜截面受剪破坏出现裂缝，分析试件破坏可得，试件未配置箍筋，抗剪能力不足。从压力传感器反映的图像看，当荷载加载至12 kN左右时，出现一条斜裂缝；加载至38 kN时，斜裂缝不断加大，贯穿整个试件。剪力增加时箍筋会限制斜裂缝的发展，因为试件缺少箍筋，斜裂缝会向剪力作用点不断变长变宽。通过反思实验过程中的问题来改正错误，这样印象会更加深刻，对学生形成批判性思维、进行深入思考有极大好处。