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清华大学混凝土结构31讲视频
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课程介绍

混凝土结构是土木工程应用最多的结构形式,从其出现150多年来已发展成为土木工程结构中最重要的专门学科,各个国家的工程建设标准中,均以混凝土结构设计规范为其水平的标志,而且随着工程建设需求和形式的发展,其内容和知识也在不断更新。

《混凝土结构》及其系列课程一直是土木工程专业的主干课程,从本科生的 “混凝土结构基本构件”、“混凝土结构设计”到本科毕业设计、以及研究生的“混凝土结构原理”和“混凝土结构有限元分析”,乃至硕士和博士论文的研究课题,贯穿土木工程结构专业教学的所有教学环节。
长期以来,清华大学的《混凝土结构》课程代表着我国混凝土结构教学的先进水平。陈肇元、滕智明、江见鲸、过镇海、朱金铨、李著景等老一批专家教授为本课程的教学奠定了雄厚的基础。20世纪90年代中期以后,叶列平、聂建国、时旭东等中青年骨干教师,在老教师的指导下先后接任该课程的教学工作,并一直保持良好的声誉,深受学生的好评。近年来,又有5名30岁左右具有博士学位的青年教师作为后备队伍参与了本课程的教学工作。

 

教学指导思想

 

   《混凝土结构》是一门理论与工程实际紧密联系的课程,其知识体系、理论和方法既具有很强的工程性,又具有其自身的科学性,而实际工程应用的综合性又使得本课程的涉及面和内容十分丰富,体现在概念多、符号多、公式多、难点多,同时工程中新问题的不断出现,新理论、新技术和新方法的不断发展,又使得本课程的内容又需要及时跟踪和适应学科的发展。因此,《混凝土结构》课程的教学理念和教学方法,与学生此前学习的具有严密科学逻辑理论体系的基础科学课程有很大的不同。

 

    针对上述特点,课程教学的指导思想是:

 

注重建立工程概念,

 

注重提炼科学问题,

 

注重培养综合能力,

 

注重激发创新意识;

 

从理论转向实际,从简单转向综合;

 

理论分析与工程概念相结合,

 

科学方法与工程应用相结合,

 

基础知识与工程创新相结合;

 

构建土木工程师基本素质和综合能力培养的教学体系。

 

    建立工程概念是本课程教学的前提,只有充分理解本课程中每个知识点的工程背景、问题的由来和应用的目的,才能进一步理解和掌握其相关理论方法的思路。学生由于长期习惯理性思维和严密的理论推导,缺乏工程实际经验和形象思维训练,不能充分的理解解决工程问题的直接目标,抓不住要领。教学中针对每个问题都从工程应用目的出发,通过实例进行讲解,使学生充分理解其工程背景和目标,为理论方法讲解打好基础。

 

    提炼科学问题是本课程理论方法教学的核心,只有学会从复杂的工程问题中抓住其关键科学问题,即可利用基础理论知识和方法,结合工程应用目的,建立合理的分析方法,进而得到工程应用设计计算方法。更重要的是,学会抓住关键科学问题及其解决方法,便能适应今后工程技术的不断发展。

 

    综合能力培养是本课程教学的目标。所谓工程,是由多个问题构成的复杂的、相互关联的、且可能相互矛盾的系统。处理多目标的工程问题,是以往理论课程教学中最缺乏的。学生往往只会求解独立的单个问题,然而每个单一问题的最优解,往往不是工程问题的合理解。教学中在讲解每个问题时都从其工程背景出发,介绍相关问题,以及该问题与其它问题的相互联系及其在工程中的地位和重要程度,对工程可能产生的不利影响,并通过几个典型的大作业进行实际训练。

 

    创新是本学科发展的根本。本学科发展的今天,是前人不断创新的结果。更重要的是,随着工程应用中新问题、新需求的不断出现,新技术、新方法和新理论的还将不断发展和涌现。教学中除采用讨论式方法激发学生对有关问题提出自己的观点和方法,还通过开放试题方法激发学生主动思考工程中和目前本学科理论中所存在问题,提出自己的解决思路和方法,甚至对正在新建中的重大工程存在的问题提出自己的观点和建议。

 

   课程教学体系

 

 课程教学体系由以下系列课程组成:

 

《混凝土结构(1)》 —— 本科生,48学时,基本概念、基本原理和基本方法;

 

《混凝土结构实验》——本科生,课外由学生自主性完成,培养工程感性认识与动手能力;

 

《混凝土结构(2)》 —— 本科生,32学时,结构理论和设计 方法,以及近期工程发展的内容,如“钢-混凝土组合结构”、“钢 骨混凝土结构”和“钢管混凝土结构”等;

 

《混凝土结构课程设计》——本科生,32学时,完成一个完整的工程结构设计,进行综合设计能力训练;

 

《钢筋混凝土原理》——   研究生,32学时,基本理论和方法的深化;

 

《混凝土结构有限元分析》——研究生,32学时,理论和计 算分析能力的提高。

 

课程内容

 

本课程由下面几部分组成:

 

基础内容——《混凝土结构(1)》及配套的《混凝土结构实验》

 

提高内容——《混凝土结构(2)》

 

实践环节——《混凝土结构课程设计》

 

面向研究生的高级课程——《混凝土结构原理》与《混凝土非线性有限元分析》

 

《混凝土结构(1)》——本科生,48学时,为主要基本原理和基本方法。主要介绍混凝土结构材料的力学性能以及钢筋混凝土各种基本构件的截面承载力和变形、裂缝计算方法,最后还介绍了预应力混凝土轴心受拉和受弯构件的设计方法。其先修课程是数学、力学、建筑材料。

 

《混凝土结构实验》——本科生,课外由学生自主性完成,培养工程感性认识与动手能力。由老师指导,学生自主完成钢筋混凝土梁受弯性能实验。包括材料配比设计、构件设计、钢筋绑扎、模板安装、混凝土拌和浇注、拆模养护、加载试验、结果分析等多个实际工程和研究的环节。锻炼学生的动手能力,并配合《混凝土结构1》的课堂教学,加深感性认识,体会本课程的工程特点。

 

《混凝土结构(2)》——本科生,32学时,结构理论和设计方法,以及近期发展的内容。为《混凝土结构(1)》的后续课程,主要讲述钢筋混凝土结构的设计理论和设计方法,包括结构概念与体系、荷载分析与计算、梁板结构与塑性内力计算方法、框架和排架结构与内力组合、基础设计方法,以及钢-混凝土组合结构、钢骨混凝土结构和钢管混凝土结构等新型混凝土结构技术和设计计算分。本课程讲授结构设计计算的基本理论,锻炼实际工程结构设计中综合能力,并介绍混凝土结构的最新发展趋势。

 

《混凝土结构课程设计》——本科生,32学时,与《混凝土结构(2)》课程教学配合,进行综合设计能力训练。通过对混凝土多层建筑结构或单层工业厂房结构或桥梁结构的设计,培养对已经掌握的结构力学和钢筋混凝土基本构件等专业基础和专业知识的综合应用能力。掌握结构设计的程序和方法,了解建筑与结构方案的协调,掌握设计计算原理和手段,熟悉使用结构设计规范、标准图和手册。学会编写结构计算书,绘制结构施工图。通过设计,接受结构工程设计的基本训练。

 

《混凝土结构原理》——研究生,32学时,基本理论和方法的深化;

 

《混凝土非线性有限元分析》——研究生,32学时,理论分析能力的提高。

 

  教学思想的实现

 

    本课程的特点和内容从不同层面上充分反映了基础性和实践性、前沿性和时代性,而基于上述四个“注重”、两个“转向”和三个“结合”的教学指导思想,则可将本课程的基础性和实践性、前沿性和时代性反映到每一节课程和每一个知识点的教学中。

 

     注重建立工程概念与注重提炼科学问题

 

    本课程的每一个知识点均来源工程应用的直接需要,并经科学提炼形成的。没有对基础理论的透彻理解,就不会提炼工程中的科学问题,也就不能掌握处理工程问题的关键;而缺乏对工程应用概念的直接认识,也不能理解由基础理论建立实用设计计算方法的过程,并加以正确运用,甚至有时会导致错误的结论。在教学中,将基础理论、工程概念和科学问题提炼并建立实用设计方法的过程作为重点,三点并重,可以使得学生对基础理论透彻理解,对工程问题深刻认识,并掌握问题的研究方法和形成实际设计方法的来龙去脉,同时引导学生在后续教学中和今后的工作中,自我运用基础理论对一些工程问题进行研究和提炼,做到真正掌握运用科学理论处理实际工程问题的方法。

 

    同时,由于工程应用需求的不断发展,新问题、新技术和新方法不断出现,其前沿性和时代性的内容往往体现在每一个知识点的形成和发展上,也是工程实践和发展的必然结果。由于规范和规程也在不断更新,授课内容紧随其发展,清华大学利用多名教师参与规范编制工作的条件,最早在国内(1998年)将新《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)及时融入课程教学,而且每年都增添新的工程案例,并根据教师的科研工作,在教学中随时反映最新的科研成果,如高强混凝土结构、钢-混凝土结构、钢骨混凝土结构、FRP加固混凝土结构技术,以及混凝土结构的耐久性、裂缝控制方法、复杂受力分析等最新的混凝土结构计算理论和方法。

 

    注重建立工程概念与注重培养综合能力

 

    一个工程由多个问题构成的复杂的、相互关联的、且可能相互矛盾的系统。对每个知识点的理解和掌握,并不代表能很好地解决工程问题,需要有清楚的工程概念和对关键问题的把握,以及各个知识点有机的结合和综合运用。工程应用综合能力是学生最缺乏的素质,其根源依然体现在对工程概念和工程问题理解缺乏。在课程教学中对每个问题的讲解都从其工程背景出发,介绍相关问题,以及该问题与其它问题相互联系及其在工程中的地位和重要程度,对工程可能产生的不利影响。在教学体系上,设置了实验教学、大作业和课程设计等进行环节进行培养。

 

   《混凝土结构实验》:在教师的指导下,由学生分组自主独立完成钢筋混凝土梁受弯性能实验的全过程,包括材料配比设计、多方案配筋设计比较、亲手制作构件、亲自动手加载试验、处理试验结果并分析,以竞赛评分形式组织。学生能亲身体会实际工程和研究的各个环节,认为“这次试验是上大学以来历时最多、参与程度最多、自主性最多、成就感最多的一次试验。可以说,真正的是参与了整个试验的全过程,真正体验到了做学问、做研究的苦与乐。”

 

     大作业:一个伸臂梁的设计,需要将受弯和受剪承载力、裂缝和挠度、配筋构造等知识的综合运用,并要考虑各方面的配筋的协调,将阶段性知识进行综合运用,从中体会的以往单一问题求解练习中所没有遇到过的综合训练。

 

   《混凝土结构课程设计》:设计题目有混凝土框架结构设计、单层工业厂房设计及桥梁结构设计,由学生根据兴趣自主选题。要求完成建筑方案、结构方案、荷载和结构分析、内力组合、构件设计、施工图绘制,是一个比较完整的工程结构设计训练。由于从建筑方案开始就由学生自主确定,避免了重复以往题目问题,也使得学生具有充分发挥的空间。同时有建筑方案的多样性,在结构设计过程中还会遇到许多课堂教学中未涉及的问题,因为建筑方案是学生自己提出的,因此学生自己带来了挑战性,在教师的指导下培养了学生运用混凝土结构基本理论和基本方法自主解决问题的能力,增强了对学生的分析能力、综合能力和解决实际问题能力的培养。课程设计的要求已基本接近以往毕业设计,为后续毕业论文期间采取“综合论文训练”的研究性大学教学模式奠定了基础。在2005年建设部土木工程专业教育委员会对我系的专业评估中,评估专家特别肯定了我们所采取的课程设计模式。

 

    注重建立工程概念与注重激发创新意识

 

    工程中的新方法、新技术的出现均是来源工程应用需求的发展,甚至有些科学方法(如有限元方法),有时也是由工程师首先提出的,这一特点是以往基础课程所没有的。在教学中充分利用每个知识点的发展过程,从不同角度讲解其提出和创新的工程应用背景,并结合混凝土结构最新发展趋势讲授,使学生从中体会工程和理论创新的来源,体现前沿性和时代性。通过提出工程问题,采用讨论式教学方法,引导学生对有关问题提出自己的观点和方法,激发学生的创新意识。还通过开放试题方法激发学生主动思考工程中和目前本学科理论中所存在问题,提出自己的解决思路和方法,甚至对正在新建中的重大工程存在的问题提出自己的观点和建议。

 

    在课程教学的同时,经常即兴提出的具有深层理论意义的思考题和计算分析程序的要求,每年都有不少学生利用课外时间出色的完成,有些还获得了清华大学“挑战杯”课外科技活动的奖励。甚至从教师正在进行的科研课题中,找出一些学生能够解决的小课题让学生解决,让学生真正体会到获得研究成果的快乐。迄今已有三名本科生在学习混凝土课程期间完成的研究工作成果在国内核心期刊发表学术论文5篇。

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