王英濤，饒德軍

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 土木工程系，廣東 佛山 528000）

引言

土木工程實踐是人才培養(yǎng)過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)，其中實驗教學(xué)對培養(yǎng)學(xué)生的思維能力、動手能力、創(chuàng)新能力至關(guān)重要。“結(jié)構(gòu)檢驗”課程又稱“建筑結(jié)構(gòu)試驗”，是土木工程專業(yè)一門實踐性很強的專業(yè)技術(shù)課程，旨在讓學(xué)生通過實驗教學(xué)過程，提升學(xué)生的動手操作能力和基本理論認識水平，為工程實踐和科研工作打下基礎(chǔ)。我?！敖Y(jié)構(gòu)檢驗”課程在土木工程專業(yè)大三上學(xué)期開設(shè)，共計32學(xué)時，其中理論課18學(xué)時，實驗課14學(xué)時。

我校的土木工程專業(yè)已通過IEET工程教育認證，畢業(yè)要求之一是學(xué)生能根據(jù)需要選擇和使用恰當(dāng)?shù)墓こ谭治龉ぞ呋蚣夹g(shù)手段，將專業(yè)理論和實驗研究相結(jié)合，并能夠?qū)Ψ治鼋Y(jié)果進行合理判斷；但是傳統(tǒng)的教學(xué)方式存在一些問題，很難滿足以上教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)。因此，本文擬在“結(jié)構(gòu)檢驗”課程教學(xué)中將有限元軟件分析工具融入具體的實驗教學(xué)中，采用有限元分析方法進行求解，以達到應(yīng)用理論知識的目的，并可激發(fā)學(xué)生的興趣，在課程教學(xué)改革中具有十分重要的現(xiàn)實意義。

一、“結(jié)構(gòu)檢驗”課程教學(xué)中存在的問題

“結(jié)構(gòu)檢驗”課程的開設(shè)以開拓學(xué)生思維、培養(yǎng)學(xué)生探索觀察習(xí)慣和獨立分析思考及解決問題能力為目標(biāo)，但經(jīng)過近幾年的教學(xué)實踐，發(fā)現(xiàn)該課程存在以下問題。

（一）實驗教學(xué)內(nèi)容多，學(xué)時不足

本課程的實驗教學(xué)內(nèi)容一共包含七個內(nèi)容，每個實驗內(nèi)容為2學(xué)時，其中電阻應(yīng)變片貼片技術(shù)、電阻應(yīng)變操作測量（橋路測量）、鋼桁架非破壞實驗、鋼筋混凝土簡支梁受彎實驗和鋼筋混凝土柱偏心受壓實驗均需要學(xué)生動手操作，對學(xué)生的動手能力要求較高。通過教學(xué)發(fā)現(xiàn)，實驗教學(xué)內(nèi)容多、學(xué)時不足，學(xué)生的操作相對較慢，很難滿足教學(xué)需要。所以在這種情況下，高質(zhì)量地完成教學(xué)任務(wù)具有一定難度，亟待進一步通過教學(xué)改革提升教學(xué)效果。

（二）學(xué)生人數(shù)多，儀器設(shè)備臺套數(shù)有限

2016年之前，我校土木工程專業(yè)本科生每年招生不足100人，儀器設(shè)備臺套數(shù)能基本滿足實驗要求。但從2016年開始擴招，每年招收學(xué)生數(shù)超過200人，受實驗場地和資金的限制，很難大批量采購儀器設(shè)備，導(dǎo)致出現(xiàn)儀器設(shè)備臺套數(shù)不足的問題。為完成實驗教學(xué)任務(wù)，保證教學(xué)效果，只能采取分組分批的形式開展，造成實驗教師的教學(xué)工作量明顯增加。

（三）學(xué)生沒有全程參與實驗過程

受學(xué)生人數(shù)和場地限制，有些實驗內(nèi)容只能演示或者讓學(xué)生部分參與，學(xué)生很難實現(xiàn)全程參與。例如，鋼筋混凝土簡支梁受彎實驗和鋼筋混凝土柱偏心受壓實驗中的實驗構(gòu)件均為委托第三方加工完成，學(xué)生沒有參與到構(gòu)件的制作，缺乏對試件制作全過程的認識；加載設(shè)備的安裝和調(diào)試由實驗老師完成，學(xué)生僅參與讀數(shù)和數(shù)據(jù)記錄。同時，每組學(xué)生僅能夠完成單一構(gòu)件的實驗，不能參與多種參數(shù)構(gòu)件的實驗，學(xué)生難以對相關(guān)理論進行全面理解，影響了實踐教學(xué)的效果。

（四）實驗過程中的顯示度不足

在實驗過程中，學(xué)生僅從表面現(xiàn)象去理解理論，特別是混凝土構(gòu)件的實驗，學(xué)生只能讀取個別點的位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)，觀測裂縫的情況。但因混凝土內(nèi)部應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力變化和截面應(yīng)力等重要信息無法顯示，導(dǎo)致實驗中的顯示度不足，對理論知識的全面理解帶來困難。此外，實驗過程不能重復(fù)，如果要觀察前一個實驗加載步的情況，只能再次從頭開始。

二、有限元分析在土木工程教學(xué)中的應(yīng)用

有限元分析技術(shù)的出現(xiàn)為解決上述問題提供了一種可靠的方法。近年來，隨著計算技術(shù)的發(fā)展、分析精度和可靠性的提高，以及良好的可視化性能，有限元分析方法在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛采用。目前，常用的有限元分析軟件主要有ABAQUS、ANSYS、MIDAS等。有限元分析方法涉及“計算機分析”“數(shù)值計算”等本科生公共理論課程，又與“材料力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”“混凝土結(jié)構(gòu)原理”“鋼結(jié)構(gòu)”等專業(yè)課程相結(jié)合，有利于學(xué)生對數(shù)值分析和專業(yè)知識的應(yīng)用和結(jié)合。

王家全等探討了有限元分析軟件在土木工程專業(yè)課程的教學(xué)改革與實踐中的整體設(shè)計理念，發(fā)現(xiàn)通過有限元分析軟件與專業(yè)課程的結(jié)合，有限元分析的優(yōu)勢在本科教學(xué)中能夠得以充分發(fā)揮。劉文洋等利用ABAQUS有限元分析軟件構(gòu)建了鋼結(jié)構(gòu)基本構(gòu)件分析平臺，通過典型構(gòu)件的受力分析，將分析成果與課程教學(xué)實踐相結(jié)合，豐富了教學(xué)內(nèi)容。王天鵬發(fā)現(xiàn)將數(shù)值分析和結(jié)構(gòu)實驗課程相融合，結(jié)合實驗教學(xué)案例，加深了學(xué)生對實驗的理解，取得了很好的教學(xué)效果。可見，將有限元分析引入“結(jié)構(gòu)檢驗”課程中是完全可行的，且可以擺脫對實驗室場地和加載設(shè)備的依賴，能形象直觀地再現(xiàn)實驗過程，獲得構(gòu)件的受力過程和變形形態(tài)，并可以進一步觀察試件內(nèi)部的微觀力學(xué)行為，使學(xué)生更好地理解理論知識。

目前，我校土木工程本科專業(yè)尚未開設(shè)“有限元分析”課程，學(xué)生多是利用課下時間自學(xué)有限元分析軟件的簡單操作，缺乏系統(tǒng)指導(dǎo)和練習(xí)。因此，為解決上述問題，加強對專業(yè)知識的理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新和實踐能力，更好地達到實驗的教學(xué)目的，開展基于有限元分析技術(shù)的教學(xué)改革十分必要。

三、基于有限元分析的“結(jié)構(gòu)檢驗”課程改革措施

（一）教學(xué)內(nèi)容

在土木工程的教學(xué)過程中，有限元分析軟件ABAQUS因其前處理建模簡單、易于操作，后處理可視性好，在解決固體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等領(lǐng)域及實際工程問題有明顯優(yōu)勢，所以本課程教學(xué)改革采用有限元分析軟件ABAQUS。

利用有限元軟件選取典型實驗構(gòu)件進行模擬，采用有限元軟件建模，再現(xiàn)試件的構(gòu)造方式，通過對實體模型分析計算，給出構(gòu)件相應(yīng)的位移和應(yīng)力變化，可使學(xué)生對試件的受力機制具有更深的理解認識。通過旋轉(zhuǎn)、移動、剖切等視角，來獲得不同角度和位置的受力情況，這些是在實際實驗過程中很難實現(xiàn)的。

受“結(jié)構(gòu)檢驗”課時限制，不能大量占用課時時間，且僅靠學(xué)生自學(xué)難度較大，所以在課堂教學(xué)中演示簡單實例，讓學(xué)生迅速掌握有限元分析建模過程，然后再開展混凝土結(jié)構(gòu)的建模，由簡單到復(fù)雜，讓學(xué)生更有興趣學(xué)習(xí)。此外，學(xué)生的課外時間相對較多，可以鼓勵學(xué)生在課下加強練習(xí)，并在課后通過微信、騰訊會議等方式對學(xué)生建模分析過程中遇到的問題進行講解討論。

在引入有限元分析后，本課程可以采用更加靈活的方式進行考核，將有限元軟件的學(xué)習(xí)作為考核的一個內(nèi)容，形成以實驗操作和理論教學(xué)為主、綜合考慮有限元軟件學(xué)習(xí)情況的靈活綜合考核方式。對有限元分析部分，采用大作業(yè)的形式進行考查，占期末總評成績的20%，要求學(xué)生使用有限元模型求解分析，并對分析結(jié)果用專業(yè)知識進行合理解釋。

（二）教學(xué)方法

有限元軟件對本科生來說難度相對較大，大部分學(xué)生都沒有接觸過，如果過多地講解計算原理，可能會適得其反，難以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。為此，參考實驗教學(xué)方法，采用分組形式，每個小組3～5名學(xué)生，以學(xué)習(xí)小組形式開展教學(xué)活動，有利于共同解決問題，形成濃厚的學(xué)習(xí)氛圍。

在有限元軟件教學(xué)過程中，首先通過一個桿件的穩(wěn)定性引入，讓學(xué)生快速了解有限元分析的基本建模過程，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；學(xué)生在掌握基本建模過程后，再進行復(fù)雜模型的學(xué)習(xí)，并掌握有限元分析中的基本理論，能夠?qū)τ嬎憬Y(jié)果的可靠性進行判斷。針對學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，主要通過線上答疑完成，如果是共性問題，可采用線下集中答疑。

（三）教學(xué)案例

鋼筋混凝土簡支梁承載力實驗是“結(jié)構(gòu)檢驗”課程中十分重要的一個實驗，通過簡支梁的正截面破壞實驗，可以讓學(xué)生直觀認識混凝土梁的正截面破壞過程及最終的破壞特征，并能夠結(jié)合實驗，更好地掌握梁正截面設(shè)計的計算理論。實驗過程需要觀察鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面的應(yīng)變分布、裂縫出現(xiàn)及開展情況、撓度變化及破壞特征等。在實際實驗時，單個小組通常僅完成單個梁的實驗，很難完成少筋梁、適筋梁和超筋梁三種形式的實驗。在課程中引入有限元分析后，學(xué)生可以建立鋼筋混凝土簡支梁承載力有限元分析模型，獲取分析結(jié)果，將實驗結(jié)果和理論分析結(jié)果進行對比分析，并可以進一步擴展分析參數(shù)，完成實際實驗中難以完成的實驗。超筋梁、適筋梁和少筋梁的配筋形式如圖1所示。

圖1 實驗梁的尺寸及配筋示意圖

采用有限元軟件ABAQUS建模時，要建立試件的幾何模型，再定義材料、組建模型、劃分網(wǎng)格、定義邊界約束。加載可以采用位移加載和力加載，若要獲得較好的荷載-位移曲線下降段，建議采用位移加載，并為對稱加載。圖2為基于有限元軟件ABAQUS分析得到的超筋梁的應(yīng)力分布圖。從圖2中可以看出，在兩點對稱加載下，鋼筋混凝土超筋梁的受壓應(yīng)力集中位置清晰可見，可以據(jù)此判斷混凝壓碎部位及應(yīng)力的傳遞路徑。圖3為適筋梁在彈性階段橫截面的應(yīng)力分布情況，形象地展示出了混凝土梁橫截面在彈性階段中和軸位置、受拉區(qū)、受壓區(qū)及應(yīng)力的分布情況，有助于學(xué)生理解平截面的假定。

圖2 超筋梁的應(yīng)力分布圖

圖3 彈性階段橫截面應(yīng)力分布

根據(jù)有限元分析結(jié)果，學(xué)生可以得到實驗梁的荷載-位移曲線、開裂荷載、破壞荷載、混凝土和鋼筋的應(yīng)力應(yīng)變、裂縫的分布等，觀察梁內(nèi)部的應(yīng)力分布。同時，有限元分析能夠?qū)崟r再現(xiàn)整個實驗過程，通過有限元分析結(jié)果與實驗結(jié)果對比，啟發(fā)學(xué)生思考二者結(jié)果的異同，進一步加深學(xué)生對“結(jié)構(gòu)檢驗”課程中鋼筋混凝土簡支梁受彎時的受力特征和關(guān)鍵知識點的理解和掌握。此外，學(xué)生可以改變試件的參數(shù)，進行參數(shù)化分析，得到不同參數(shù)下梁的受力過程和破壞形態(tài)，完成本科教學(xué)實驗中難以完成的部分，拓展學(xué)生的視野。

總之，通過基于有限元分析軟件的課程教學(xué)改革，可以使學(xué)生熟悉有限元軟件，掌握科研方法和科研工具，加深對理論知識的理解，有力地支撐教學(xué)工作開展，促進教學(xué)質(zhì)量提高。

四、教學(xué)改革對人才培養(yǎng)的促進作用

在“結(jié)構(gòu)檢驗”課程中引入有限元分析方法，能夠?qū)ν聊竟こ虒I(yè)人才培養(yǎng)具有良好的促進作用。一是在有限元分析的講解和展示過程中，引入已學(xué)的專業(yè)理論知識，可以讓學(xué)生對本科階段已學(xué)的課程付諸實踐，有利于激發(fā)學(xué)生對專業(yè)知識的興趣，加深學(xué)生對所學(xué)專業(yè)知識的理解。二是采用分組的形式進行學(xué)習(xí)，鼓勵學(xué)生以小組的形式查閱資料，自行解決遇到的問題難題，鍛煉學(xué)生的自學(xué)能力并培養(yǎng)團隊意識。在有限元分析的教學(xué)過程中，通過課堂與課外、理論與實踐相結(jié)合的方式，引導(dǎo)學(xué)生在把課堂時間利用好的同時，充分利用好課外時間，開闊學(xué)生的視野、增長見識，整體上提升學(xué)生的綜合能力。三是有限元分析的掌握，能夠為學(xué)生申請大學(xué)生創(chuàng)新項目、參加學(xué)科競賽及科學(xué)研究等打下技術(shù)儲備，更能調(diào)動學(xué)生的主觀能動性和學(xué)習(xí)的積極性。

結(jié)語

“結(jié)構(gòu)檢驗”是土木工程專業(yè)一門實踐性很強的專業(yè)技術(shù)課程，針對課程中存在的問題，構(gòu)建基于有限元分析的“結(jié)構(gòu)檢驗”課程教學(xué)改革，將有限元軟件引入實踐教學(xué)。通過對教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的改革，結(jié)合鋼筋混凝土簡支梁受彎實驗的教學(xué)案例，再現(xiàn)試件的受力過程與受力性能，分析結(jié)果可與實驗和基本理論相結(jié)合。將有限元分析應(yīng)用于教學(xué)實踐，對提高教學(xué)質(zhì)量具有積極的作用，對培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力具有重要意義。同時，希望該研究成果可以為土木工程類似專業(yè)課程的教學(xué)改革提供參考和借鑒。