数字化教育背景下高校土木工程专业实验空间整合设计研究

数字化教育背景下高校土木工程专业实验空间整合设计研究

姓名：陈丽华   

学校：湖南城市学院邮编：413000

【摘要】结合我国的发展建设需要，土木工程专业的人才不仅需要熟练地掌握专业知识和基本技能，还 应具备较高的综合素养。在对土木工程专业课进行教学时，可以通过实验让理论知识更加直观。但是， 目前我国所进行的实验教学还是不能满足社会的发展需求。基于此，本文对土木工程专业实验课程体系 教学改革进行研究。 【关键词】土木工程专业；教学现状分析；实验课程体系；教学改革分析1 土木工程专业引入虚拟仿真实验教学的 重要性 随着高等教育的不断发展，我国成为高校在校 生 最 多 的 国 家[5] ， 其 中 土 木 工 程 专 业 在 校 学生 2019 年已接近 50 万。在全球经济和科技快速发 展的趋势下，为了适应就业需求，有必要提高土木 工程专业大学生的理论知识储备、实践操作能力、 创新能力。 在土木工程专业的教学过程中，训练学生们 实践能力的传统方法主要包括 2 种：1) 在土建设 计院、施工现场进行实习；2) 在学校内部实验室 进行实验。对于设计院、施工现场实习，由于一 项工程往往涉及到勘察、设计、施工、监理、检修 等各个环节，需要较长时间来熟悉和掌握。在校 生的理论基础本身较为薄弱，且由于学校的管理 制度和自身因素无法长时间停留在现场。造成的 问题是，学生们只见到工程的一部分环节，没有全 面了解整个流程。而在学校内部实验室进行实 验，很大程度上受到相关仪器设备和技术条件的 制约。因此，通过虚拟仿真实验的方式与学生们 的实践相结合，可有效填补当下土木工程学科教 学存在的不足[6]。2数字化教育背景下高校土木工程专业实验空间整合设计（1） 结构实验室概述 ① 结构实验室的特点 覆盖范围广：结构实验室的服务对象并非只有结构方向的学生，桥梁方向乃至 水利方向都会开设结构课程，并用到相关实验设备。 实验工艺要求高：结构实验室拥有土木学科最大的实验设备与最为复杂的实 验工艺，其实验的完成往往需要多方人员配合，学生很难独立完成。 实验偏向个性化，实践性强：土木工程不存在完全相同的两个结构实验，其信 息收集具有随机性，模糊性和不完整性，这是结构实验个性化的表现。此外，结构 实验强调动手能力的培养，除了课堂的理论知识外，很多经验需要在实际操作中体 会，这是结构实验实践化的体现。[21] ② 结构实验室的分类 按照荷载类型可分为静力实验、动力实验、伪静力试验，拟动力实验。 静力试验：指在实验过程中承受静力作用的结构构件，通过重力或加载设备以 满足加载需要从而检测构件的工作性能的实验，是最常见的结构实验。静力实验一 般分为结构静力单调加载试验和低周反复静力加载试验。静力试验需要的设备相 对简单，对实验空间的要求较低且观测简单，从某种程度上说，静力试验是动力试 验的基础。动力试验：指研究结构或构件在工作中承受动力作用的性能。具有代表性的是 结构的抗震性能，通常需要电液伺服加载设备和振动台来完成，此外也有风荷载， 抗冲击等问题都属于动力作用。动力试验相对静力试验要复杂很多，对于实验空间 要求也更高，带有动力试验功能的结构实验室通常需要做好防震处理。动力试验主 要包括结构动力特性测试，结构动力反应测试和疲劳试验。 伪静力试验：伪静力试验是通过静力试验装置研究动力性能的手段，它是一种 低频率的周期性反复静力荷载试验，简称低周反复静力加载试验。伪静力试验的加 载目标是试验前就已知的，而且每一步都是单调静力加载，加载与时程无关。 拟动力试验：即模拟结构承受动力作用的试验，拟动力试验通过电脑将震动加 速度转化成作用在结构的位移和力，当震动加速度产生变化时，作用在结构或构件 上的力也会发生相应变化。拟动力试验通常分为反力墙拟动力试验和地震模拟振 动台试验，前者又分为慢频和原频两种方式，慢频则是放慢地震频率施加在结构或 构件上，原频则是缩小地震能量作用在试验对象上。拟动力试验的荷载本质上是失 真或模拟的动力，每一步加载都与时程有关。拟动力试验对于试验空间的要求最为 严苛，空间的布局以及材料与抗震的处理都要围绕试验工艺流程进行,其按照荷载 作用时间可分为短期荷载实验和长期荷载实验：短期荷载试验从施加荷载到构件 破坏所经历的时间较短，尤其是动力荷载，对于爆炸的动力荷载甚至在毫秒级别； 长期荷载试验则研究结构或构件在长期荷载作用下的性能，例如研究钢筋的松弛 与混凝土的徐变，这种试验甚至可以持续几个月甚至几年时间 。（4） 实验室结构系统 ① 实验空间柱网选择 据笔者调研统计，土木学科结构实验空间柱距在 4 至 9 米的区间，其中 6 米 柱距最为常见，纵向柱距基本为 6 米，横向柱距会有例外，这其实是建筑工业化的 结果，用以提高建设速度，加快建设进度，缩短工期，提高工程质量。 ② 吊车梁 吊车荷载的主要受力构件是吊车梁，一般为简支结构，因其传力明确，构造简 洁，在工程中应用广泛，相比而言连续吊车梁虽更加节省材料，但在施工，计算， 构造上都要比简支梁更为复杂。我国将吊车梁分为，轻、中、重，特重四个等级， 土木学科试件与设备重量较大，因此吊车梁应依据实验目标选重型或特重型。[23] ③ 柱间支撑体 柱间支撑是指结构实验室当中纵向抗侧力构件，纵向不仅要依赖排架柱刚度 和屋架刚度传递水平力，也需要柱间支撑传递纵向水平力并传导至基础，同时，支 撑提高了厂房的抗扭能力，具有重要作用。 土木厂房类实验室一般满足前三条件，因此柱 间支撑的设置十分普遍，但当柱间有高强度和高稳 定性的墙体时，墙体与柱的连接能起到整体受力的 作用，吊车起重量低时可考虑不设支撑。柱间支撑 应布置在伸缩缝的中央位置，当混凝土收缩时厂房 两侧可自由变形，避免产生太高的收缩应力，此外 支撑应与吊车梁分离，避免受其变形影响。柱间 支撑体通常为十字交叉形，倾角一般为 35 至 50 度，材料为钢材。

姓名：陈丽华   

学校：湖南城市学院

邮编号码和单位一致：413000

出生年月:1987.2

性别：女

民族：汉

籍贯：福建永安

职称：讲师

学历：硕士研究生

研究方向：土木工程

课题：【益阳市社科课题】数字化教育背景下高校土木工程专业实验空间整合设计研究（2023YS128）