鋼-混凝土組合梁受彎穩定承載力教學實驗的探討與實踐

方 成， 王 偉， 郭煜斌

（同濟大學 土木工程學院，上海 200092）

組合結構通常是指由兩種或兩種以上材料組成并共同工作的結構形式，其中最典型的代表當屬鋼-混凝土組合結構。該類結構構件充分發揮了鋼材強度高、塑性好，以及混凝土抗壓性能強等優勢，有效彌補了兩種材料彼此力學性能的不足。以部分填充混凝土構件為例，鋼板可部分充當澆筑模板，同時對混凝土起到一定的約束作用，而混凝土又可以延緩鋼板的局部失穩，在工程建設中往往有更好的技術經濟效益。鋼-混凝土組合結構由于其特有的工程優勢近年來在國內外工程界得到廣泛應用。

雖然組合結構的相關專業課程在本科教學中得到越來越多的重視，但仍然無法滿足學生深入了解和掌握組合結構工程實踐的需求。在理論教學上，鋼-混凝土組合結構通常在鋼結構的相關課程中引入，或者作為專業選修課供學生學習。部分學者對組合結構的理論教學工作提出了獨到見解，例如劉占科等［1］對鋼-混凝土組合結構課程的特點進行了探討，高福聚等［2］討論了網絡邏輯方法在組合結構教學實踐中的應用，部分學者對橋梁組合結構的教學改革進行了探索［3-5］。然而，在實驗教學方面，學生對鋼-混凝土組合結構的了解往往只能依托大學生創新項目、導師制科研項目或者第二課堂，很少有單獨實踐環節。例如：同濟大學土木工程學院開設的鋼結構基本原理實驗課程，雖然包含多種截面形式鋼構件的整體穩定實驗、局部穩定實驗和連接實驗等，但尚缺乏與鋼-混凝土組合結構相關的實驗教學安排。因此，學生無法通過實驗課程形象地了解鋼-混凝土組合結構的特性、優勢與工作機理，更缺乏在實驗中觀察、分析鋼-混凝土組合結構特有的行為與設計問題的能力。鋼-混凝土組合構件教學實驗的缺失，不僅使得相關知識的輸入不夠系統，還可能造成工程教育培養與工程建設實踐的脫節。

為適應我國土木工程建設的快速發展，提高專業課程教學質量，在鋼結構基本原理實驗原有項目的基礎上進行教學實驗內容改革，以部分填充混凝土組合梁（Partially-encased composite beam，即PEC梁）為切入點，增設了鋼-混凝土構件整體穩定教學實驗內容，旨在進一步完善土木工程實驗教學體系，發揮結構實驗教學在土木工程專業人才培養中的重要作用，實現實驗教學與學生職業發展的銜接。

一、實驗改革目標

同濟大學土木工程學院現有鋼結構實驗教學內容包括認知實驗、演示性實驗和自主設計實驗三大部分［6-7］，具體包含H 型、十字形、T形截面形式的軸心受壓構件整體穩定實驗，矩形管受壓柱的局部穩定實驗，工字形鋼梁的整體穩定實驗，壓彎構件整體穩定性實驗，以及高強度螺栓連接實驗（2019年之后該項目改成VR實驗教學項目）。

在原有鋼結構基本原理實驗課程的基礎上，結合鋼-混凝土組合結構的教學要求和該類構件的力學特點，選取目前在工程上應用較多、具有一定代表性的PEC 梁作為新設鋼-混凝土組合梁整體穩定實驗教學的內容。通過對比普通鋼構件實驗項目與組合構件實驗項目，加深學生對理論知識的理解，突出鋼、混凝土兩種材料相互組合作用的優勢，具體教學目標如下。

（一） 了解組合構件的構造

通過實驗教學增強對典型鋼-混凝土組合構件的基本認識，了解鋼-混凝土組合構件的基本組成部分，熟悉不同類型的組合構件形式，除PEC梁外，還包括鋼管混凝土組合構件、壓型鋼板組合梁等；理解各個主要組成部分的受力特性、結構功能和不同組成部分之間的相互影響；熟悉鋼-混凝土組合構件的基本設計要求，包括構件含鋼率、長細比等指標的限制，以及材料強度等級、骨料粒徑、鋼筋間距等構造要求，分析組合結構中板件寬厚比的規定與普通鋼構件的異同及背后的原因。

（二） 熟悉PEC梁的受力性能

通過觀察PEC梁受彎變形以及最終破壞過程，掌握該類構件在彎矩作用下的形變特征、損傷機理、極限承載力及失穩破壞模式，了解PEC 梁長細比對構件失穩行為的影響，對構件整體彎扭失穩行為進行清晰的觀察，掌握鋼板局部鼓曲、混凝土壓碎脫落和整體失穩變形等組合受彎構件的典型破壞特征。

（三） 掌握組合構件實驗的分析方法

通過試驗掌握基本試驗方法，包括試件設計、加載裝置設計、測點布置、試驗結果整理等。繪制PEC 梁加載全過程中的荷載-平面內撓度曲線、荷載-側向撓度曲線，以及關鍵位置應變發展曲線，理解不同受力階段荷載-位移和應變發展曲線的力學意義，分析彈性階段、彈塑性階段和下降（失穩）段各自的特點，了解各階段鋼材、混凝土材料的力學性能；通過將規范公式計算結果與實驗結果進行對比，分析既有公式的合理性、適用性以及結果差異產生的原因。

（四） 分析組合構件在工程中的優勢

通過實驗教學內容的擴展，對比組合構件和普通鋼構件的行為，掌握鋼材、混凝土共同工作對構件承載力和穩定性能的提升作用，以及對變形、破壞模式的影響規律；分析鋼構件、混凝土、栓釘等重要組成部分協同工作的機理，加深學生對組合構件性能優勢的認識，掌握鋼-混凝土組合構件規范公式中所體現的組合效應思想與原理，理解設計規范中所規定的不同設計參數背后的物理意義，討論鋼-混凝土組合構件的延性、變形能力等關鍵性能提升的原因，針對耐火、耐腐蝕、施工速度、設計效率等討論組合結構的成本效益和技術優勢。

二、教學準備工作

為了保障新增實驗項目的順利實施，對實驗方案、實驗材料、實驗設備、實驗構件等進行了設計規劃，完成了實驗方案設計及構件、連接件的設計，對教學實驗課程大綱、實驗測試和學生實驗手冊進行了調整與完善。

（一） 增補與實驗項目相關的教學大綱

明確實驗教學的具體內容，根據新增實驗內容調整教學大綱，包括課程性質與目的、課程基本要求、課程基本內容、能力培養內容、前修課程、評價與考核、學時分配、教材與主要參考書列表等。進一步完善學生實驗指導手冊，完善實驗目的、實驗方法和實驗結果處理分析等內容。

（二） 開發適用于教學目標的實驗設備

（1）加載設備。完成全套教學實驗構件與連接件的設計圖紙，估算最大承載力需求，在原有實驗裝置基礎上進行升級，更換原有15噸作動器，采用50噸新作動器。

（2）設備標定。需要標定的設備有千斤頂、傳感器、位移計、應變片、數據采集板等。

（3）試驗安全。為了避免內填混凝土壓潰、破碎引起的飛濺，采用玻璃隔板對試件進行安全阻隔（圖1）。

圖1 玻璃安全阻隔

（三） 實驗構件及其加載裝置的設計

（1）實驗構件的設計。構件中的H型鋼采用標準的Q235鋼材。根據《Eurocode4：Design of Composite Steel and Concrete Structures》［8］（BS EN 1994-1-1：2004）第6.7 節的內容對H 型鋼進行截面布置，填充混凝土，并按構造配筋，形成組合截面（圖2）。構件的長細比、翼緣寬厚比、含鋼率等指標均滿足構造要求，根據規范公式對其受壓承載力進行驗算，保證作動器承載力滿足要求。此外，長柱試件配有合理的側向支撐，確保其沿預設方向發生失穩。

圖2 PEC梁構件及截面（非比例）

（2）支座的設計。支座應實現對構件端部水平、垂直方向以及軸向扭轉的約束，還應保證構件端部能夠自由翹曲，其設計結果如圖3 所示。支座底部為底板，通過外部連接固定在剛性的加載基座上。支座豎直方向通過條形支座對構件進行支撐，水平方向則通過固定立桿和滑動立桿對構件進行安裝和夾持?；瑒恿U通過固定擋板上的螺栓和螺桿進行加持寬度的調整和鎖定。支座各組件及連接的設計均滿足強度、剛度等設計要求，確保實驗安全、可靠。

圖3 支座設計圖示（非比例）

（3）加載裝置的設計。實驗采用吊載的方式，以保證外力能夠以集中荷載的方式作用于組合構件。吊籃通過螺栓和螺栓桿組成的連接裝置安裝于實驗構件的跨中位置。在跨中同時放置一臺直線位移傳感器LVDT（Linear Variable Differential Transformer，線性可變差動變壓器），以此確定構件跨中的位移值。在構件兩端的支座處各放置一臺直線位移傳感器LVDT，以消除支座位移對構件跨中位移讀值的影響。

（四） 編制實驗報告并確定考核方式

（1）編制實驗報告手冊。實驗報告手冊的主要內容包括背景知識、實驗目的、實驗方法，以及鋼-混凝土組合梁設計規范中的相關設計公式，以便與實驗結果比較。手冊還提供實驗現象記錄表，要求學生記錄實驗過程中的關鍵現象，包括可能的彈性階段、彈塑性階段、塑性強化段、下降段中構件的力學行為，以及最終失效模式。

（2）確定課程考核方式。課程最終以實驗報告的完成質量，參考學生在教學活動中的總體表現及分工，設定權重，給出成績等級。

三、實驗教學安排

教學實驗過程主要分為現場理論教學、試件與設備介紹、完成實驗和提交實驗報告等環節。要求學生掌握組合結構的基本知識（重點掌握構件承載力的規范設計方法）和實驗的基本方法與流程，包括試件、加載裝置的設計和選用，加載過程的控制，數據的測量，實驗結果的整理和分析討論等。

（一） 構件承載力規范設計方法

學生首先需要了解相關規范設計公式的基本原理，正確、靈活運用規范公式對實驗構件的承載力進行預測。由于PEC 梁的彎扭失穩承載力理論值較難推導，因此僅要求準確計算不考慮混凝土貢獻的鋼梁的理論極限承載力，包括通過彈性理論計算得出的承載力（公式1）和根據《鋼結構設計標準》［9］計算得出的承載力（公式2）。計算結果和實測純鋼梁以及PEC 梁的承載力進行對比，定量與定性相結合，思考混凝土對構件穩定承載力的影響。

（二） 實驗構件與設備介紹

介紹構件的基本情況，強調要實現的約束條件，即端部可繞強軸自由轉動、端部可繞弱軸自由轉動、端部不可扭轉、端部可以自由翹曲。介紹各個測點的物理意義與相對應的通道（圖4），闡明數據之間的相互印證關系。介紹加載設計裝置（吊載方法），闡述力控制和位移控制各自的特征。

圖4 試驗準備工作

（三） 學生任務及實驗指導

（1）選擇實驗試件。實驗分為若干小組，每8～10 位學生一組，每組學生在給定的構件（不同長度）中隨機選擇，現場測量構件關鍵尺寸（圖5）。

圖5 試驗結果觀察

（2）逐個檢查測點是否工作正常，確定加載制度。其中，加載制度采用單調豎向加載，要求對構件承載力進行估算，選定合理的加載步驟和每級荷載的大小。

（3）預加載。預加載荷載為極限承載力的20%，檢測設備是否正常工作，檢測應變片和位移計的讀數是否正常，同時應壓緊試件，消除空隙。

（4）正式加載和讀數。實驗過程中要求學生及時判斷構件所處的狀態，在接近極限承載力80%時應適當調整加載方案，合理控制加載速率，以獲得完整的加載曲線。對構件最終的破壞形式進行記錄（圖5），判斷極限承載力（荷載不繼續增加，而試件的變形明顯增大），關鍵過程拍照，最后卸載實驗構件。

（5）提交實驗報告。實驗完成后，要求學生對實驗數據進行匯總、整理，繪制應力-應變曲線和荷載-位移曲線，分析實驗結果的合理性，將所得承載力與規范公式［10-11］進行對比，比較普通鋼構件與鋼-混凝土組合構件的極限承載力，作出討論與總結，完成并提交實驗報告。

四、教學效果分析

本教學項目于2020—2021 學年秋首次加入鋼結構基本原理實驗大綱，在年級400 余名學生中有70 余位學生選擇了PEC 梁的試驗（另有其他鋼構件試驗可供選擇），得到了參與學生的高度認可，有效提升了鋼結構教學實驗的寬度和廣度，激發了學有余力的學生對新型結構構件的探索興趣。通過追蹤PEC梁整體失穩的全過程，學生對鋼梁彎扭失穩的機理有了更加深刻的認識，對于混凝土對鋼梁承載能力與穩定性能的提升有了更加深入的理解。

從試驗報告（圖6）可以發現，95%以上的學生可以熟練采用理論公式推導H型鋼梁的整體穩定承載力，并發現內填混凝土可有效延遲彎扭失穩，顯著提升承載力；80%以上的學生能夠定性地評價內填混凝土對構件整體穩定承載力提升的基本力學機理，雖然并不完全準確，但基本反映了學生的思考能力。典型的回答包括：（1）填充的混凝土能有效約束平面外變形，起到提高平面外穩定性的作用，使得承載力得到大幅的提升；（2）混凝土的加入使構件截面的慣性矩有了較大的提高，讓構件在幾何層次上的抗彎性能有了增強；（3）混凝土對H 型鋼的腹板和翼板有黏結作用，制約了在彎曲的過程中腹板和翼板可能產生的局部失穩變形，進而提高了整體的穩定性；（4）混凝土的抗壓性能優異，對鋼構件容易產生失穩的受壓區有較好的輔助作用。部分學生從經濟效應的角度闡述了PEC 梁的優越性，還有部分學生提出了可能存在的問題，包括合理的澆筑方式、混凝土與鋼構件協同作用，以及長時間作用、外界侵蝕等條件下混凝土耐久性等問題。代表性學生報告如圖7所示。

圖6 學生試驗報告摘取

圖7 摘取學生試驗報告中對部分填充混凝土相關論文發表的統計

本教學的另外一個重要意義是培養學生查閱文獻、自主學習的能力。有部分學生通過知網等數據庫搜索鋼-混凝土組合結構的相關知識。圖7 摘自一位學生的報告，從知網上搜索“部分填充混凝土”，可以得到60 篇檢索結果（截至2020 年12 月14 日）。其中，發表相關文章最多的是同濟大學陳以一教授，4 篇?？傮w而言，通過本實驗學生主觀能動性得到充分發揮，開闊了學生的工程視野，進一步鞏固專業理論知識，增強教學的實踐性與應用性。學生通過分析工程問題、思考解決方法，思維能力和解決實際工程問題的能力得到提升。

五、結語

近年來，中國土木工程建設發展迅速，工程建設規模日益擴大，難度不斷加大，現代新型結構與構件形式的涌現對土木工程專業學生的專業素質和專業實驗教學提出了更高要求。為了適應土木工程建設的快速發展，提高相關課程的教學質量，發揮結構實驗教學在土木工程專業人才培養中的重要作用，同濟大學在既有鋼結構實驗教學體系的基礎上拓展了全新的實驗項目，以PEC梁為切入點，增設組合結構教學實驗課程，使學生充分了解該類構件的局部穩定、整體穩定等關鍵知識，并且與普通非組合構件進行對比，明確鋼-混凝土相互作用的優勢，拓展實驗項目的同時服務鋼結構理論教學，起到驗證理論、深化理解理論的作用。為了落實教學目標、確保課程的順利開展，進行了一系列規劃和設計工作，包括增補鋼結構實驗教學大綱、開發配套實驗設備和構件、編制學生實驗手冊等內容，完成了教學實驗的總體設計，在彌補組合結構教學實驗缺失方面取得了一定的成效。