结构设计原理教学试验指导
工程结构设计原理虚--实结合实验教学初探
工程结构设计原理虚—实结合实验教学初探收稿日期：2018-10-19基金项目：东南大学教学改革项目（2017-021）作者简介：杜二峰（1983-），男，河南舞钢人，博士，工程师，研究方向为土木工程实验技术与管理。
东南大学工程结构设计原理课程集混凝土结构、钢结构、砌体结构和组合结构等于一体，是土木工程专业的重要专业基础课，同时也是一门理论性、经验性和实践性都很强的课程[1]。
该课程的教学效果对学生专业素养的塑造有着深远的影响。
实验研究对工程结构设计原理的基本概念，以及原理的诞生和发展起着十分重要的作用，因此，工程结构设计原理实验教学是工程结构设计原理理论教学的一个重要关联和支撑环节。
实验教学对激发学生的创新意识、拓展学生的创新思维、增长学生的创新技能、涵养学生的创新品格等方面的作用，是其他任何教学形式所不能替代的[2]。
通过工程结构设计原理实验教学，不仅能够加强学生对工程结构设计基本原理的理解，使他们对建筑结构的受力过程、变形特性及破坏形态有更加直观的认识，而且能够提高学生的实践动手能力，培养学生对土木工程专业的学习兴趣及研究热情[3-4]。
随着招生规模的扩大和科研实验的快速发展，目前实体实验教学中存在以下几个问题：（1）实验室的场地和设备较难满足日益增多的实验项目开展，本科生教学实验与研究生科研试验的矛盾日益突出，已开展的部分实验项目具有一定局限性；（2）由于消耗大、成本高、操作的复杂性以及安全性，使得本该由学生操作的实验只能作为演示性实验开展，且无法开展大批量的参数化实验。
这造成学生工程意识薄弱、实践能力差，对实际工程的掌握和处理能力受到极大制约[5]。
近年来，随着土木工程专业科研的发展以及计算机技术的不断进步，基于数值模拟技术的建筑结构虚拟仿真手段在土木工程专业的工程实践和科学研究中发挥着越来越重要的作用。
这为解决实体实验教学中的不足提供了可行的技术路线，即开展虚拟仿真实验教学。
由于虚拟仿真实验教学具有投入少、消耗低和共享性强等特点，因此众多高校诸如同济大学、中南大学、北京工业大学[6]和西安建筑科技大学[7]等均开发了相应的教学项目。
《混凝土结构设计原理》实验
《混凝土结构设计原理》实验指导书及报告书专业班级：姓名：学号:实验成绩：土木建筑工程学院结构实验室2017年11月实验一钢筋混凝土单筋矩形梁正截面受弯承载力试验一、试验目的1、观察适筋梁的破坏过程(裂缝出现及开展，挠度变化及破坏特征)。
2、观察适筋梁纯弯段在使用阶段的裂缝宽度及裂缝间距。
3、验证平截面假定。
4、初步了解正截面科学研究的基本方法。
二、试件设计为了确保梁正截面受弯破坏，试件的剪弯区段配置足够数量箍筋。
纵筋端部锚固也足够可靠。
图1－1和表1－1给出了L－1(适筋梁)的配筋详图及截面参数。
设计时，砼采用C30，架立钢筋HPB300级钢筋，纵向受力筋HRB400级钢筋。
表1－1 实验梁参数图1－1 配筋详图三、试件制作试件采用干硬性砼，振捣器振捣，蒸气养护或自然养护28天，制作试件同时预留砼立方体试块(150mm×150mm×150mm)和纵向受力钢筋试件以测得砼和钢筋的实际强度，所用钢筋不得冷拉。
表1－2 材料强度四、加荷装置采用三等分点加荷，梁中部为纯弯区段，见图1－2。
图1－2 加载装置示意图五、仪表安装1、百分表(φ1～φ3)用来测定梁的挠度，其中φ1、φ2用来测定支座沉降。
123f ()2φφφ＋挠度＝－2、用应变片来测定纵向应变以验证平截面假定。
3、分配梁应与试件在同一平面内，并对中。
4、通过加载系统电脑直接显示所加荷载。
六、安全措施及注意事项为了得到准确可靠的试验数据以及保证试验过程中人和仪器仪表的安全，应做到：1、试验区域必需清洁整齐。
2、加荷系统稳定可靠。
3、为了防止仪表损坏，在安装时应轻拿轻放，用力要适当，并绑好安全绳。
4、在试验中不能够触动仪表，以免影响读数。
5、试验梁下设安全垫块以免梁破坏时伤害操作人员和破坏仪表。
6、试验过程中为避免人员伤害，不得在试件破坏阶段离试件过近（尤其不能在试件底面观察）。
七、加荷制度1、荷载分级不宜超过计算破坏荷载的10％，构件开裂前每级荷载宜取计算破坏荷载的10％，超过计算破坏荷载的90%后，取5％。
《结构设计原理》研究型教学的改革与实践
对不 同的内容设计 各种题 目开展专题演 讲 ；对于 习题 的讲 解分析 则采 用问答 和讨 论式 的小班 授课形 式 ； 对
元 结合” 教学模式 ： 即理论教学 、 实践教学和 自主研 学 ， 按照精炼 课堂教 学 、 化实践 教学 、 强 活化课 外研学 ， 构 建 学生 自主 、教师主导下 的学 习研究实践相结 合的研 究 型教学模式 。我校的《 结构设 计原理 》 课程是 面 向交 通运输 大平 台 ， 包括 交通工 程 、 道路 桥梁 与渡河 工程 、 岩土工程 、 港航工程等专业 的专业技术基础课 程 ， 长期 以来一 直采用 “ 以教 室为环境 ， 以教 师 为中心 ， 以纸介 教材为工具” 的封闭式单向传输 的教学模式 。 然传统 虽 的教学模式 为交 通土木 工程界输送和培养 了大批优秀
结构设计原理实验-钢筋混凝土矩形梁正截面破坏试验
• 二、实验内容 • 1.通过对钢筋混凝土矩形梁正截面破坏实验的全过程, 从梁的构造、钢筋构造、配筋率、正截面计算的基本 内容、受弯构件工作阶段、破坏特征,验算实验梁在不 同荷载作用下控制断面(最不利截面)的应力、挠度和 裂缝开展的位置及宽度,梁最大破坏荷载时相应挠度。 • 2.正式实验前，根据实验梁的构造、配筋和强度，估 算梁的最大破坏荷载，然后估算的最大破坏荷载分五 级列表算出每级荷载作用下相应测点处理论计算(应变 和挠度)值,以此指导实验方案的实施。
• 七、思考题： • 1．混凝土的标号低于设计标号实测的应力(或 应度)变大还是变小？ • 2．钢筋混凝土梁受弯强度应采用规范中轴心受 压还是弯压指标？
•
图-1
正截面破坏实验简支梁
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图-2
梁实验装置和测点布置
1-千斤顶; 2-力传感器;3-分配梁4-试验梁;5-混凝土应变片; 6-钢筋应变片;7-机电百分表;
• 五、实验实施步骤 • 1．加载前检查传感器、电阻片、挠度计的连接 和安装状态，并进行初始平衡调试； • 2．先作一次预备实验，预备荷载值取破坏荷载 的30-40%。加载后，测取读数，观察实验梁、 仪表装置工作是否正常，及时排除故障后，才 能进行正式试验。 • 3．正式实验时，原则上应按计算破坏荷载的 20%（也可取整数荷载值）分级加载，每级加载 后稳定5分钟再读取试验数据。
• 4．裂缝的出现和发展用目视或读数显微镜观 察，每级荷载下的裂缝发展情况应进行记录和 描述。 • 5．当裂缝宽度达到1.5mm时，即视为破坏。或 混凝土受压区破坏或钢筋应力达到屈服点，亦 视为破坏。观察时应特别注意安全。
• 六、实验报告要求 • 1．将实验中每级实际荷载作用下的理论计算值 和各测点实测值列表； • 2．将试验过程中从开始加载直至破坏划分为三 个工作阶段,并将跨中截面用图示方法描绘(计 算值为实线,测试值用虚线标出应度值)； • 3．绘出弯矩(或荷载)与各挠度测点的关系曲 线(按三个工作阶段,计算值为实线,测试值用虚 实际分级的 荷载重新计算每级荷载作用下相应测点处 理论计算(应变和挠度)值,并将实验记录值 整理，将实验过程中出现的异常情况或测 试极值取舍后作为实测值再与理论值进行 比较。
混凝土结构设计原理_实验指导书
混凝土结构设计原理实验指导书实验一、梁正截面受弯破坏实验一、实验目的1．了解钢筋混凝土梁正截面受弯破坏过程及破坏形态，观察裂缝的开展情况；2．通过测定混凝土梁侧面应变大小，验证平截面假定，同时测定梁在各级荷载作用下跨中挠度变形值；3．测定钢筋混凝土梁的开裂荷载、极限承载力，验证受弯构件正截面的承载力计算公式。
二、实验装置图1为本课程进行梁受弯性能实验采用的加载装置，加载设备为手动千斤顶。
采用两点集中力加载，在跨中形成纯弯段，由千斤顶及反力梁施加压力，分配梁分配荷载，压力传感器测定荷载值。
梁受弯性能实验，取L=1400mm，a=50mm，b=450mm，c=400 mm。
1—试验梁；2—滚动铰支座；3—固定铰支座；4—支墩；5—分配梁滚动铰支座；6—分配梁滚动铰支座；7—集中力下的垫板；8—分配梁；9—反力梁及龙门架；10—千斤顶；图1 梁受弯实验装置图（a）加载简图（kN）（b）弯矩图（kNm）（c）剪力图（kN）图2 梁受弯试验加载和内力简图三、试件设计（1）试件设计的依据根据梁正截面受压区相对高度ξ和界限受压区相对高度b ξ的比较可以判断出受弯构件的类型：当b ξξ≤时，为适筋梁；当b ξξ>时，为超筋梁。
界限受压区相对高度b ξ可按下式计算：b y s0.810.0033f E ξ=+(1-1)其中在进行受弯试件梁设计时，y f 、s E 分别取《混凝土结构设计规范》规定的钢筋受拉强度标准值和弹性模量；进行受弯试件梁加载设计时，y f 、s E 分别取钢筋试件试验得到钢筋受拉屈服强度标准值和弹性模量。
对于少筋梁，设计试件配筋时，需要控制梁受拉钢筋配筋率ρ不大于适筋构件的最小配筋率min ρ，其中min ρ可按下式计算。
tmin y0.45f f ρ= (1-2) （2）试件的主要参数①试件尺寸（矩形截面）：b ×h ×l ＝120×200×1400mm ； ②混凝土强度等级：C20；③纵向受拉钢筋的种类：HRB335（适筋梁和超筋梁），HPB300（少筋梁）； ④箍筋的种类：HPB300（纯弯段无箍筋）； ⑤纵向钢筋混凝土保护层厚度：15mm ； ⑥试件的配筋情况见图3和表1。
结构设计原理课程设计
结构设计原理 课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握结构设计的基本原理，理解结构的稳定性和强度概念。
2. 使学生能够运用所学原理，分析常见建筑和工程结构的设计方法。
3. 培养学生对结构设计规范和标准的认识，了解其在工程实践中的应用。
技能目标：1. 培养学生运用CAD软件绘制简单结构图纸的能力。
2. 提高学生运用计算工具进行结构分析和计算的能力。
3. 培养学生团队协作，进行结构设计创意实践的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对结构设计的兴趣，激发其探索精神和创新意识。
2. 培养学生关注工程安全、环保和可持续发展的意识。
3. 培养学生严谨、负责的工作态度，树立良好的职业道德观念。
课程性质分析：本课程为工程技术类课程，旨在培养学生的结构设计能力和实践操作技能。
结合学生特点和教学要求，课程内容以实践操作为主，理论讲授为辅。
学生特点分析：学生处于高年级阶段，已具备一定的力学基础和工程知识。
学生对新鲜事物充满好奇，具备较强的动手能力和创新意识。
教学要求分析：1. 注重理论与实践相结合，提高学生的实际操作能力。
2. 鼓励学生积极参与课堂讨论，培养独立思考和解决问题的能力。
3. 重视团队合作，培养学生的沟通能力和协作精神。
二、教学内容1. 结构设计基本原理：介绍结构设计的基本概念、分类和功能，重点讲解稳定性、强度、刚度的基本原理。
教材章节：第一章 结构设计概述2. 结构设计方法：分析梁、板、柱、框架等常见结构的设计方法，结合实例进行讲解。
教材章节：第二章至第四章 结构设计方法与实例3. 结构设计规范与标准：讲解我国现行的结构设计规范和标准，以及其在工程实践中的应用。
教材章节：第五章 结构设计规范与标准4. 结构设计实践：组织学生进行结构设计创意实践，运用CAD软件绘制结构图纸，进行结构分析与计算。
教材章节：第六章 结构设计实践5. 结构设计案例分析：分析典型结构设计案例，使学生了解工程实际中的结构设计方法和技巧。
混凝土结构设计原理教案
混凝土结构设计原理教案教案标题：混凝土结构设计原理教案目标：通过本节课的学习，学生能够了解混凝土结构设计的基本原理，掌握混凝土结构设计的基本步骤和注意事项。
教学重点：混凝土结构设计原理、基本步骤和注意事项。
教学难点：掌握混凝土结构设计的基本原理，能够在实际工程中应用。
教学方法：讲授法、讨论法、实例分析法教学准备：教学课件、混凝土结构设计相关资料、案例分析资料、白板、黑板、彩笔教学过程：Step 1：导入（5分钟）引导学生回顾上节课所学的混凝土结构基础知识，包括混凝土的组成成分和性能、常用混凝土材料等。
Step 2：讲授混凝土结构设计原理（20分钟）2.1讲解混凝土结构设计的基本原理，包括荷载和变形的计算方法、构件等效矩形截面假设等。
2.2介绍混凝土结构设计的基本步骤，包括构件布置和尺寸确定、荷载计算和变形计算、构件截面设计等。
2.3讲解混凝土结构设计中的注意事项，包括受力合理、构件之间协调、剪力的考虑等。
Step 3：案例分析（30分钟）以实际工程为例，分析混凝土结构设计的过程和方法，引导学生进行设计计算和截面设计，通过实例加深对混凝土结构设计原理的理解和应用。
Step 4：讨论与总结（15分钟）让学生对案例进行讨论，分享设计思路和方法，提出自己的见解和疑问。
总结本节课所学的混凝土结构设计原理，强调重要的概念和方法。
Step 5：作业布置（5分钟）布置混凝土结构设计的相关作业，要求学生按照本节课所学的原理和方法，完成设计计算和截面设计。
教学辅助资料：1.混凝土结构设计手册2.混凝土结构设计案例分析资料3.混凝土结构设计相关的课堂教学课件教学反思：通过本节课的讲授和案例分析，学生对混凝土结构的设计原理有了更深入的了解，能够应用所学知识进行实际工程的设计计算和截面设计。
在教学中，引导学生参与案例分析和讨论，能够能够更好地掌握混凝土结构设计的原理和方法。
另外，通过布置作业，可以进一步巩固学生对混凝土结构设计原理的掌握。
《混凝土结构设计原理》综合性设计性课程实验
《混凝土结构设计原理》综合性设计性课程实验Comprehensive and Designed Test in the Course ofPrinciples of Reinforced Concrete Structure Design1.引言《混凝土结构设计原理》是土木工程专业平台课，是理论知识与工程应用紧密联系课程，其知识体系、理论分析和设计计算既具有很强的工程性，又具有严密的科学性。
《混凝土结构设计原理》课程实验是该课程的重要实践环节，通过课程实验使学生实现理论与实际的结合、理论分析与工程概念的结合、科学方法与工程应用相结合。
从简单转向综合，从理论转向设计。
更深刻地理解课程的基本原理，掌握设计方法，启发创新意识，培养工程实践能力和动手能力。
构建土木工程师的基本素质。
2.实验的综合性设计性2005—2006学年第一学期，土木工程专业8个班，分为16个实验小组进行实验。
为了实现实验的设计性和综合性，在实验的各个环节上强调学生自己进行讨论、设计、制作和实验。
学生分组讨论确定实验构件一个构件的破坏形态，每人提交一份初步设计计算书，计算书中应包括梁正截面，斜截面承载力设计或大偏心受压构件正截面承载力设计，采用的材料参数、配筋量，预测的开裂荷载、极限荷载。
方案必须能在提供的试验条件下实现。
各组在教师指导下最终确定实验方案。
各组实验前提交最终的设计计算书，并给出对试件极限承载力的预测。
两个实验小组（土02-7班）的实验梁由学生自己制作，在教师指导下学生自己动手拼装模板，绑扎钢筋，按电阻应变片粘贴技术要求贴应变片，计算混凝土配合比和材料用量，浇筑混凝土。
实验按照预定方案，在教师指导下由学生进行加载实验，直至构件破坏，与预测结果比较。
每人提交试验报告一份，包括实验现象，实验全过程的照片，数据的整理，分析构件的受力，预测偏差出现的原因，以及整个试验的体会与心得，应做到图文并茂。
本学期完成教学实验16组，其中正截面受弯构件实验12个，斜截面受剪构件实验3个，大偏心受压构件1个。
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《结构设计原理》课程教学试验指导
陈晓强编
钱培舒核
东南大学交通学院
桥梁与隧道工程系
2007年6月
试验一：钢筋混凝土矩形截面简支梁正截面抗弯试验
一、试验目的
研究适筋梁、超筋梁和少筋梁在纯弯区段内，沿截面高度混凝土的应变，观察梁的裂缝出现和开展及梁的挠度变化。
观察梁最后破坏的外观特征。
加深对钢筋混凝土梁正截面的三个工作阶段和两种破坏特征(塑性破坏、脆性破坏)的认识。
二、试验内容
1.观察梁在纯弯段内的第一条裂缝出现和开展过程，记下开裂荷载。
2.用位移计测量梁的跨中截面在各级荷载下的挠度值和支座沉降量，计算出梁的跨中截面在各级荷载下的实际挠度值，并绘制荷载—挠度的关系曲线，验证理论的开裂荷载是否正确。
3.用应变计量测梁的纯弯段内截面不同高度处混凝土应变值及主筋应变，绘制出沿梁高而变化的平均应变分布图，验证平截面假定是否成立。
4.观察梁的破坏特征和延性对比，记录下破坏荷载。
三、试验梁尺寸及试验方法
1. 受弯试验梁尺寸及配筋图，混凝土按强度等级C40进行配制。
图1—1 受弯试验梁尺寸及配筋(尺寸单位：mm)
2. 实验设备
①反力架与加荷千斤顶
②磁性表架与大行程百分表
③手持应变仪、数据采集仪
④读数显微镜
⑤钢尺、铅笔等
3. 实验方法
①受弯试验根据课程要求分适筋梁、超筋梁和少筋梁三组进行，按照一班分三组，一组十人的规模方式进行。
②试验在静力试验台座上进行，用千斤顶、分配梁和反力架组合成加载系统，进行两点加载。
③通过数据采集仪对荷载、应变和挠度传感器进行数据采集；或用手持应变仪量测截面应变，用百分表量测挠度，用读数显微镜测量裂缝宽度。
4.试验步骤
①未加荷载前读出应变计、位移计和千斤顶油压表的初读数，检查混凝土梁的表面有无初始裂缝。
②试验分五级加载，每次加荷维持3~5分钟后，再读取应变仪和位移计的各级读数。
③在估计的开裂荷载前加载级差应减小，直至观察到第一条裂缝的出现。
使用读数显微镜，读取主筋位置处的裂缝宽度。
④.开裂后继续分级加载，观察各条裂缝开展形态，读取主筋位置处的裂缝宽度，及时用铅笔在梁上实际裂缝的近旁（2～3mm处）描绘裂缝开展图，在裂缝末端注明相应的加载数值。
⑤加载至估计的破坏荷载之前，注意观察描述破坏时的特征，记录下破坏荷载值。
四、试验资料整理
1.材料力学性能、荷载分级及实测数据
(1)混凝土轴心抗压强度
f= MPa，钢筋抗拉强度s f= MPa。
c
(2)实测数据汇总表
a、B—1梁
b、B—2梁
c、B—3梁
2.绘制荷载—挠度曲线
3.绘制截面平均应变分布图
五、思考题
1.简述试验中适筋梁B—1的受力特征。
2.通过B—1、B—2和B—3三根梁的试验，得出哪些结论？
3.根据B—1梁的材料与截面的数据，计算梁的理论承载力、并与试验得出的实际承载力进行对比分析。
4.根据力学原理，结合材料的物理特性，计算试验梁的开裂荷载，以及未开裂前跨中截面上的应变情况，并与实测值进行比较分析。
5.为保证B—1梁在试验中为受弯破坏，而在剪弯段内配置了足够的箍筋，为什么要这样做？。