摘 要：高等混凝土结构理论是一门重要的土木工程专业硕士研究生的专业课，教学难度极大。为了提高高等混凝土结构理论课程的教学效果，文章提出利用有限元软件SeismoStruct辅助该课程的课堂教学。文章以钢筋混凝土悬臂柱的低周反复加载试验和钢筋混凝土框架结构的静力推覆分析作为教学案例，详细论述了SeismoStruct在高等混凝土结构理论教学中的运用，文章能帮助学生理解钢筋混凝土结构有限元分析的基本过程，而且可以弥补传统教学模式的不足，提高授课效果和教学质量。

关键词：高等混凝土结构理论；数值模拟；教学改革；研究生

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2018）18-0018-03

Abstract： Advanced theory of concrete structures is an important professional course designed for graduate students in the civil engineering major， there always had more difficulty in teaching of this course. In order to improve the course teaching effect， use of the finite element software SeismoStruct to assist classroom teaching is proposed. The low cyclic reversed loading test of reinforced concrete cantilever column and the static pushover analysis of reinforced concrete frame structure are used as teaching cases， the use of SeismoStruct in the teaching of advanced theory of concrete structures is discussed， and this will help students to understand the basis process of infinite element analysis for reinforced concrete structures， make up the shortage of traditional education mode， improve the teaching effect and teaching quality.

Keywords： advanced theory of concrete structures； numerical simulation； teaching reform； graduate student

引言

《高等混凝土结构理论》是一门主要面向土木工程专业研究生开设的，对本科阶段已学混凝土结构基本原理进行深化拓展的课程。由于该课程具有教学内容多、涉及知识面广、理论性和实践性强等特点，导致这门课程的教学难度极大，传统的教学模式已经无法满足高等混凝土结构理论课程教学的需要。因此，如何针对课程特点、学生对知识掌握程度、学科发展需求等选择科学有效的教学模式，实现课程教学目标，是每一位高等混凝土结构理论主讲教师亟需解决的问题[1-3]。

随着计算机和计算方法的高速发展，数值仿真技术已经成为土木工程领域中除实验研究和理论分析外的第三种研究手段。利用数值仿真技术能够虚拟仿真土木工程领域中的各种试验现象或工程问题，此外，数值仿真软件强大的后处理功能可以将仿真结果直观地展现在学生面前，激发学生自主学习的兴趣，提高学生理论联系工程实际的能力。近年来，利用数值仿真技术来辅助土木工程专业相关课程的课堂教学已成为一种趋势，SeismoStruct作为一款专业有限元软件，其使用功能非常强大，工程结构的设计与分析并重，同时操作简便，易于掌握。

综上所述，本文提出将SeismoStruct引入高等混凝土结构理论的课程教学中，以钢筋混凝土悬臂柱的低周反复加载试验和钢筋混凝土框架结构的静力推覆分析作为教学案例对SeismoStruct在高等混凝土结构理论课程教学中的应用进行了探讨。

一、高等混凝土结构理论课程概况

与本科阶段已经开设的钢筋混凝土结构基本原理相比，高等混凝土结构理论强调从基本理论上对混凝土材料、钢筋混凝土构件以及钢筋混凝土结构的性能进行分析。西安工业大学建筑工程学院将《高等混凝土结构理论》设定为土木工程专业硕士研究生的专业必修课，课程教学内容包括：钢筋混凝土结构的可靠度设计理论、混凝土的本构关系和破坏准则、钢筋混凝土结构的抗震性能、钢筋混凝土结构有限元分析、正截面承载力计算、斜截面受剪承载力计算、扭曲截面承载力计算、裂缝控制及耐久性设计、预应力混凝土结构以及高性能混凝土等[4]。

对这些教学内容进行归类可以看出，可靠度设计理论、本构关系和破坏准则、钢筋混凝土结构的有限元分析等属于混凝土结构相关课程中具有普遍适用性的核心知识点，这部分知识点在本科阶段开设的混凝土结構相关课程中往往很少涉及，而在研究生阶段开设的高等混凝土结构理论课程中，无论是从课程开设的目的，还是从研究生课题研究的需要来看，均应对这部分内容进行重点讲解；有些教学内容则与混凝土结构设计联系特别紧密，如正截面承载力计算、斜截面受剪承载力计算、扭曲截面承载力计算、裂缝控制及耐久性设计、预应力混凝土构件计算等，在对这部分教学内容进行讲解时，应注重与本科阶段已学内容进行联系和对比，应突出计算公式及相关参数的来龙去脉，对与计算公式相关的试验进行深入讲解，进一步加深学生对计算公式的理解程度和运用计算公式解决具体问题的能力，同时满足学生开展试验研究的科研需求；有些教学内容如高性能混凝土、纤维混凝土、钢-混凝土组合结构等则属于近年来相关领域的研究热点，因此，应该结合目前学科的发展前沿，联系国内外相关文献进行讲解，充分拓展研究生的知识面。由此可见，该课程涉及的知识面甚广，较为单一的传统教学手段很难适应该课程的教学需求，实现教学目标。

目前，西安工业大学建筑工程学院主要采用课堂教学、课后小作业、结课考试的形式开展高等混凝土结构理论的教学工作，旨在使学生掌握混凝土结构的基本理论，理解计算公式的建立依据和推导过程，并能运用所学理论知识解决实际工程问题。这样的课程安排注重学生知识体系的构建，可以帮助学生全面了解混凝土的各方面知识，但由于总课时有限，学生对这些知识的学习只能浅尝辄止，课堂教学很难收到应有的教学效果。

二、SeismoStruct辅助高等混凝土结构理论课程教学的优势

SeismoStruct作为一款土木工程专业有限元分析软件，拥有非常丰富的材料模型库、复杂多样的截面形式、强大的非线性分析和后处理功能以及完全可视化的人机交互界面。该软件具有如下特点：

1. 7种不同的分析类型。如动力和静力时程分析、推覆分析、增量动力分析、动力特性分析、静力分析及响应谱分析。

2. 11种材料模型。如非线性混凝土模型、高强非线性混凝土模型、非线性钢筋模型等。

3. 庞大的3D单元库。如非线性纤维梁柱单元、非线性桁架单元、非线性填充墙单元等。

4. 19种滞回模型。如线性、双线性和三线性随动硬化模型、土-结构相互作用模型、Takeda模型、Ramberg-Osgood模型等。

5. 多种性能准则。可用于识别结构达到不同性能极限状态（非结构损伤、结构损伤及倒塌）的时刻，获取构件开裂、屈服、失效的顺序。

混凝土和钢筋这两种材料的本构关系和破坏准则的定义、钢筋混凝土构件或结构的有限元模型、钢筋混凝土构件或结构非线性有限元分析过程、钢筋混凝土构件或结构的抗震性能分析等这些属于高等混凝土结构理论课程中的主要内容，在学生运用SeismoStruct对钢筋混凝土框架结构进行分析的过程中均会被反复实践。由此可见，在高等混凝土结构理论课程的教学过程中引入SeismoStruct，能够帮助学生将抽象的理论知识付诸于实践，提高学生运用所学理论知识解决工程实际问题的能力。另外，利用该软件强大的后处理功能和完全可视化功能，能够将一些复杂的工程问题通过数值仿真实验的方式生动形象的展现给学生，激发学生的学习热情，提高课堂教学效果。因此，在高等混凝土结构理论课程的教学过程中引入SeismoStruct具有很大优势。

三、SeismoStruct在高等混凝土结构理论课程教学中的应用案例

（一）钢筋混凝土悬臂柱的低周反复加载试验

钢筋混凝土结构构件的抗震性能作为高等混凝土结构理论课程的重要组成部分，它包含了钢筋混凝土梁、柱、节点及剪力墙的抗震性能等主要内容。该部分内容的实践性很强，然而传统的教学模式主要借助现场试验研究形成的图像和文字进行授课，导致学生的参与度不高，难以真正地理解并掌握这部分内容。借助SeismoStruct软件，学生可以对钢筋混凝土结构构件的抗震性能进行数值仿真实验，下文以钢筋混凝土悬臂柱的低周反复加载试验为例来说明该软件在辅助钢筋混凝土结构构件的抗震性能这一部分内容教学中的应用。

图1所示为基于SeismoStruct的钢筋混凝土悬臂柱低周反复加载数值仿真试验示意，其中，图（a）为悬臂柱的有限元分析模型，图（b）为试验时定义的位移加载制度，图（c）为试验过程中悬臂柱变形的可视化，图（d）为通过分析得到的悬臂柱截面处的弯矩-转角关系曲线，图（e）为通过分析得到的构件荷载-位移滞回曲线。通过运用SeismoStruct进行数值仿真实践，使学生更加直观、形象地理解与掌握低周反复加载、弯矩-曲率关系曲线、滞回曲线等与钢筋混凝土构件抗震性能分析相关的重要概念，使抽象的知识形象化。

（二）钢筋混凝土框架结构的静力推覆分析

静力推覆分析法是在侧向静力单调加载下对结构进行的弹塑性分析，这种分析方法比进行非线性动力分析简单，可用于近似评估结构抵御地震的能力。图2所示为运用SeismoStruct建立的某一榀5层钢筋混凝土框架的有限元分析模型，图3所示为通过对该一榀框架进行推覆分析得到的推覆曲线，即结构顶点位移与基底剪力的关系曲线。整个分析过程有助于加深学生对静力推覆分析法这一概念的理解。

运用SeiSmostruct进行钢筋混凝土框架结构的静力推覆分析除了可以得到反映结构抗震性能的推覆曲线外，还可以将结构的损伤演化过程以可视化的方式展现出来，如图4所示，让学生更加直观的了解结构从完好、损伤直至破坏的全过程，使该部分内容的课堂教学变得生动起来。

四、结束语

在高等混凝土结构理论课程的教学过程中引入有限元软件SeismoStruct具有很大优势。相比于传统的教学手段，借助SeismoStruct能够使这门课程的课堂教学更加地形象和生动，同时能够給学生将抽象的理论知识付诸于工程实践提供平台，使学生更加充分地参与到该课程的教学过程中，提高学生运用所学理论知识解决工程实际问题的能力，激发学生的学习热情，提高教学质量。

参考文献：

[1]沈璐，娄亚非，陈凤山.应用型人才培养为导向的高等钢筋混凝土结构课程改革[J].中国冶金教育，2017（03）：1-2.

[2]沈璐，娄亚非，上官子昌.地方院校水利工程专业硕士《高等钢筋混凝土结构》课程体系构建[J].教育现代化，2017，4（02）：124-125+135.

[3]鲁正，杨玉玲.中外土木工程防灾专业高等混凝土课程比较研究[J].高等建筑教育，2017，26（01）：61-64.

[4]赵国藩.高等钢筋混凝土结构学[M].北京：机械工业出版社，2005.