单位文秘网 2021-08-30 08:58:03 点击: 次
【摘要】在教学资源相对缺乏的情况下,为激发学生的学习热情,帮助学生理解基本概念,把数值模拟技术引入到建筑结构加固的授课过程中,形象逼真的模拟建筑构件加固前后的破坏过程。
【关键词】建筑结构加固;教学改革;数值模拟
【中图分类号】G420 【文献标识码】B 【论文编号】1009—8097(2009)05—0118—03
引言
教学和科研是高等学校发展的永恒主题,推动教学与科研的共同发展,促进两者的协调统一,是实现可持续发展的内在要求,也是提高办学水平的有效途径。伴随着我国高等教育大众化时代的来临,由于高校教学资源相对短缺,如何实现从“规模扩张”到“质量提升”的成功转型呢?如何在传授知识的同时培养学生的实践能力和创新能力?笔者认为以科研促教学是其中一个重要的环节。把新的科研成果融会于传统的教学活动中,不仅为传统的课程注入了活力,有利于提高教学效果;而且能够拓展学生的视野,激发学生的学习热情,提高学生的学习能力,创新能力和就业能力。本文尝试把工程计算中的数值模拟技术用于“建筑结构加固”课程的授课活动中。
一 建筑加固课程中的问题及改进尝试
随着我国经济建设的迅速发展,建筑物的检测、鉴定、加固与改造的任务日益繁重。近几十年来,结构的鉴定与加固逐渐形成了一门新的技术,已经成为土木工程技术人员知识更新的重要内容。在很多高校,“建筑结构加固”是土木工程专业高年级学生开设的一门专业课,该课程一个显著的特点就是实践性强。那么笔者在该课程的授课过程发现:虽然土木工程专业的学生都做过一些结构试验,但是多数的高校还没有开设针对土木工程专业本科生的“结构加固试验”,学生也很少接触一些现场实践活动,对结构加固的概念还是非常模糊的,特别是在结构构件加固前后的受力性能、破坏过程等的理解上存在一定的困难。
随着计算机技术和数值计算理论的发展,数值模拟在材料科学与工程应用中的作用已越来越多地得到人们的重视。如美国的核爆炸研究就是通过数值模拟来实现的。数值模拟主要是指通过数值计算方法再现已知的现象,强调运用数值模拟的结果加深对实际实验中观测到的已知现象的解释[1]。
RFPA(Realistic Failure Process Analysis)是由大连理工大学唐春安教授课题组开发的计算系统。它是一种基于有限元应力分析和统计损伤理论的材料破裂过程分析数值计算方法,是一个能够模拟材料渐进破裂直至失稳全过程的数值试验工具。该方法的一个重要特色是考虑了材料性质的非均性,是一种通过非均匀性模拟非线性、连续介质力学方法模拟非连续介质力学问题的材料破裂过程分析新型数值分析方法。基于弹性损伤理论,便可以建立材料破裂过程分析RFPA数值分析系统,其基本思路是:将材料介质模型离散化成由细观基元组成的数值模型;假定离散化后的细观基元的力学性质服从某种统计分布规律,由此建立细观与宏观介质力学性能的联系;引入适当的基元应力、应变求解方法,分析模型的应力、应变状态;引入适当的基元破坏准则(相变准则)和损伤规律,分析基元的力学性质演化即相变状态。该计算系统一个重要的特点就是强调了“可视化”的效果,通过计算机显示将一些试验中的基本现象直观演示出来。详细的介绍参见文献[2-4]。
计算机辅助教学是把计算机作为一种新型教学媒体,将计算机技术运用于课堂教学、实验课教学、学生个别化教学及教学管理等各教学环节,以提高教学质量和教学效率的教学模式。现在国家非常重视以计算机为核心的多媒体的教育。在教学资源相对短缺这样一种情况下,笔者利用FRPA计算软件对结构构件加固前后的破坏过程进行数值模拟,把科研成果、计算机辅助教学技术融合起来,用于课堂教学过程,取得不错的教学效果。
二 举例
在建筑结构加固中,粘贴钢板或者新型材料FRP条带是混凝土受弯构件常用的加固方法。采用大连理工大学土木工程学院开发的FRPA2D对混凝土受弯构件加固前以及采用CFRP加固后的破坏过程进行数值模拟,并分析对比。混凝土受弯构件加固前的破坏过程如图1所示。
图2给出了采用FRP加固混凝土受弯构件的示意图。图3给出了FRP加固混凝土构件的破坏过程。很显然,在构件加固前和加固后的破坏过程表现出明显的差异。加固前,混凝土梁的跨中形成了一条垂直的裂纹;加固后,混凝土梁跨中形成了树根状的裂纹系,最终构件因FRP板与混凝土撕裂、脱落而失效。这也是外贴法加固混凝土构件的一种典型的破坏模式。图4是FRP加固混凝土梁的典型破坏试验结果,可见数值模拟结果与试验结果吻合较好。
图5给出了两者载荷—位移曲线的对比。通过图1、图3以及图5的对比,学生可以形象逼真的理解了混凝土受弯构件加固前及加固后破坏过程的不同,而且深刻体会到外贴加固法对构件破坏模式的改变。混凝土构件加固前,承载力较低,破坏呈现脆性破坏;加固后,构件的承载力大幅度提高,而且构件的延性得到了改善。
如果采用传统的教学方法,由于教学资源有限,学生的实践经验缺乏,多数学生课程结束以后对基本概念的理解也仅停留在文字层面上。采用多媒体技术为载体把科研成果直观、形象、有趣味地表达出来,摆脱了枯燥抽象的文字描述,深深的吸引了学生的注意力,开启学生的想象力,同时也激发了学生的学习兴趣。
四 结束语
(1)利用现代计算机技术对结构构件的力学性质进行数值模拟,不仅具有通用性强、方便灵活、具有可重复性等特点,而且在一定程度上弥补了教学资源相对不足的问题。
(2)把数值计算方法用于建筑结构加固课程的授课过程中,把一些不容易表达的概念可以清晰地用图形表达出来,激发了学生的学习热情,帮助学生深刻的理解基本概念。
(3)通过这样一种方法,不但帮助学生学习本门课程,而且有利于激发学生对数值计算、计算机编程及绘图等难度较大课程的兴趣,对学生素质的全面提高也具有促进作用。
(4)把新的科研成果用于本科生教学,改进了传统的专业课教学,不仅可以拓展学生的视野,而且是一种提高学生创新能力的重要途径。
参考文献
[1] 王述红,唐春安,朱万成等.数值试验在岩石力学实验教学中的应用[J].实验技术与管理,2003,20(6):140-143.
[2] 唐春安,赵文.岩石破裂全过程分析软件系统RFPA 2D[J].岩土力学与工程学报,1997,16(5):507-508.
[3] C. A. Tang, Z. Z. Liang, Y. B.Zhang, et al. Fracture spacing in layered materials: a new explanation based on two-dimensional failure process modeling [J]. American Journal of Science, 2008, 308: 49-72.
[4] Xu Chang, Gaowei Yue, Haixiao Lin, Chunan Tang. Modeling the pullout behavior of fiber reinforced polymer bars from concrete [J]. Construction and Building Materials, 2010, 24(4): 431-437.
[5] 张娟霞,唐春安等.FRP加固混凝土构件中裂纹扩展规律的数值模拟[J].工程力学,2006,23(12):143-148.
[6] Zhishen Wu, Jun Yin. Fracturing behaviors of FRP- strengthened concrete structures [J]. Engineering Fracture Mechanics, 2003,70(10):1339-13.
(责任编辑:单位文秘网) )地址:https://www.kgf8887.com/show-114-90164-1.html
上一篇:个人信息 免费刊登
版权声明:
本站由单位文秘网原创策划制作,欢迎订阅或转载,但请注明出处。违者必究。单位文秘网独家运营 版权所有 未经许可不得转载使用