“大学生挑战杯”创新实验教学改革尝试

摘 要：本文从挑战杯选题、教学计划、实施过程等方面阐述了“大学生挑战杯”创新实验的教学改革实践过程。

关键词：挑战杯;开放实验室;教学改革

中图分类号： G640 文献标识码：A

1 挑战杯项目的选题

挑战杯的选题是一项非常细致的事情。既要考虑到项目的先进性，又要考虑到项目的科学性及实用价值。根据简化工程实际问题，开设综合型实验的要求，我们选择了“钢管混凝土拱桥建造监测监控模拟仿真系统”，作为参加湖北省第十界“挑战杯・青春在沃”大学生科技作品竞赛项目，实际下承式桥梁见图1。简化后测试系统模型见图2。

1.1 测试系统概述

本次挑战杯选的题目为：“钢管混凝土拱桥建造监测监控模拟仿真系统”（以下简称测试系统），见上图。系统的设计，采用了塔扣合一的既经济又先进的吊装方法，钢管拱的线型为悬链线线形。该监测监控模拟仿真系统，将此类桥梁建造整个试验过程通过简化，采用模拟仿真的形式搬进课堂，便可以开出多种综合型及研究型的实验。应用模拟系统软件，可以进行桥梁建造过程的模拟、钢管拱吊装过程的应力模拟、塔架位移模拟、混凝土灌注过程的模拟、成桥试验的模拟、自爬吊篮的模拟等。可以演示监测监控的全过程，安装到每一部分时的各部位的应力情况。由于监测监控关系到工程建设项目的成败，所以，对保证工程质量有重大意义。

1.2 项目创新点和先进性介绍

创新点：设计制作出钢管混凝土拱桥建造监测监控模拟仿真系统，并制作出了应变长期监测规及应力自校仪。本作品运用了经济可靠的塔扣合一吊装技术，悬链线钢管拱线形及采用了应变长期监测规和应力自校仪，进行监测监控模拟实验。可以演示监测监控的全过程，安装到每一部分时的各部位的应力情况。可以让学生自己动手进行各个环节的实际操作，并在比较短的时间完成整个桥梁的安装过程及整个监测监控的测试过程，有益于对学生创新思路的培养。

2 教学计划的编制

2.1 测试系统的创新点及所开设的综合创新实验

2.1.1 测试系统的介绍

测试系统由两边的桥墩、桥墩上面的塔架系统、钢管拱系统及桥面系组成，见图3。

钢管混凝土拱桥模型全长1.5米，桥面宽30cm，净长为1.05米。该桥主拱采用双肋等截面桁架无铰拱，拱轴线是以悬链线为基础的三次样条曲线，矢高0.21m米，矢跨比1/5，分5段制作安装，每段焊接而成。拱肋吊杆为7对，Ф4钢筋固定。吊杆间的间距为 0.125 米，桥面为厚1mm的钢板搁在由10mm×20mm型钢焊接而成的骨架上。钢管拱的加工制作采用一次加工成形的办法（钢管拱采用不锈钢管制作）缆索吊装系统主索系上、下两组Ф4mm 钢筋构成，跨度为1.3米。

2.1.2 测试系统的创新点

（1）塔扣合一的吊装系统

塔扣合一的吊装系统见图4，塔架扣架分开吊装系统见图5。

本系统采用了既经济又先进的塔扣合一吊装技术，采用动态调索法保证拱轴线线型。

（2）拱轴线为悬链线线型

拱轴线为悬链线线型见图6。

在拱桥设计中，合理拱轴线的确定直接影响主拱截面内力的分布与大小。所谓合理轴线，就是当拱的轴线与压力线完全重合时，各截面的弯矩和剪力都为零，只有轴力，各截面上产生均匀分布的正应力，材料能得到充分利用，从力学的观点来看，这是最经济，合理的。因此在某种固定荷载作用下，拱的所有截面的弯矩都为零的轴线。目前拱桥常用的拱轴线型有圆弧线、抛物线以及高次抛物线等。本下承式钢管混凝土拱桥的模型拱轴线采用的是悬链线三次样条曲线。

（3）采用动态调索法调整索力及拱轴线线型

随着钢管混凝土拱桥设计跨度的增大，一次张拉法存在着一些不可克服的弊端：

第一，钢管拱肋的施工预抬值是无法精确计算的。其主要是受钢管拱肋结构的弹性变形、大型塔架的弹性变形、扣索（钢绞线）弹性模量的变化、扣索温差热膨胀等诸多因素的影响，致使裸拱圈最终不能满足设计线形。工程施工中如果过分地依赖其计算预抬值，可能会导致主拱合拢的困难。

第二，随着钢管拱拼装的延续，如果扣索是不可调的，先期安装的扣索，其内力总是不断地增加而偏大，使得各扣索内力分配不合理，那么相应地锚（特别是重力式地锚）和塔架的投入会过大，造成人力和财力资源的浪费。

为了使得主拱满足设计线形，最可行的方案是反复调整扣索即扣索动态调整法。通过现场适时张拉扣索，重新合理分配各扣索的内力，使各控制点的标高以某种方式逼近设计拱轴线，以其获得满意的拱肋内力、扣索内力和拱轴线形。扣索动态调整是通过理论分析和现场测试来实现的。其主要内容涉及到钢管拱和塔架的应变控制、扣索的内力控制和钢管拱助的标高控制。利用扣索动态调整技术，可以使扣索内力较合理的分布和控制拱肋标高。

（4）采用了应变长期监规测试系统

施工中采用动态调索法，保证钢管拱线形及每根扣索的索力在其允许值之内。钢管拱合拢之后，采用先进的无损探测技术，混凝土密实度探测。整个施工过程监测监控采用应变片、传感器、长期应变检测规及应力自校仪，静、动态应变测试系统，固有频率测试系统。下面对应变长期监测规及应力自校仪进行介绍：

长期应变检测是一个至今没有解决的问题，以下采取的使用长期应变检测规的方法，对于应变长期检测是非常有效的，见图7。

长期应变检测规是由连接块、应变规支架、夹式引伸计所组成。二次仪表用应变仪测取应变后，再换算出位移来。位移增量除以标距即为应变值。夹式引伸计的调零标定刀口与夹式引伸计的测量刀口是一样的距离，将应变规支架固定在应变规支架连接块上之后，将支架固定在构件上，再从侧面将在应变规支架连接块轻轻地移出。这样就保证了支架的标距值。将夹式引伸计安装在调零标定刀口上进行调零之后，再将夹式引伸计放在测量刀口上，看其是否也在零位，若有微小的初读数，记下来存档，当构件加载之后，重复刚才的调零测量方法，即可得到任何时间的应变值。测量完毕，将应变规拿下来保存，这种测量方法很适合于长期应变的测量。应变规在测不锈钢材料弹性模量中的应用见图8。

（5）采用了应力自校仪测试系统

应力自校仪测试系统见图9。应力自校仪由以下几部分组成：1.千分表应变测试系统;2.自校应变规系统;3.标距安装总成;4.信号采集转化系统;5.计算机软件程序系统所组成。

目前，用应变片短时间检测的桥梁健康检测比较多。但对于长期检测，应变变化及裂纹扩展时，就必须用应力自校仪才能做到。由于千分表和应变规同时测量，可以相互校对，增加了仪器应变测试的可靠性。同时可以测量裂纹的扩展量，这是本仪器的创新之处。应用于桥梁健康检测及监控之后，可以随时掌握路桥信息，指导路桥检修及加固。

应力自校仪在测材料弹性模量中的应用见图10。

那么如何到达桥梁的各个部位进行检测呢？这就是下面要介绍的自爬式水陆两用吊篮。

（6）自爬式水陆两用吊篮

自爬式水陆两用吊篮见图11。

本吊篮系统由吊篮移动车、水陆两用吊篮主体、气囊、卷扬机、滑轮、自爬升降器、方向盘组成。其运行方法为：在整个跨内由桥面上的吊篮移动车带动主体运行，完成各个部位的传感器安装及检测。吊篮的升降由自爬升降器（手动）和卷扬机（自动）来完成。当本跨内的测试，贴片任务完成之后，可换另一个位置进行工作。若下面是陆地时，气囊不充气，可将吊篮推到下一个位置。如果下面是水时，将气囊充气后，由后面的螺旋桨推动气囊开到下一个位置。吊篮移动车上面有两个套管，通过定位销固定支架的位置，移动车内装上水泥或者石头，以增加车的重量，提高支架的承载能力。有了方便的工具，对于经常性地检验桥梁成为可能，可以更好地预防交通事故的出现。

根据第二课堂实验教学资料《传感器的设计、制作与组装》、《钢管混凝土建造监测监控实验指导》，《建筑与桥梁结构试验加固实验指导》，在本测试系统上可以开设一下综合创新实验：测试系统的设计制作实验;应变片粘贴实验;塔架吊装、应力、挠度、垂度、偏移量测试实验;钢管拱应力线形挠度测试实验;索力测试实验;传感器标定实验;钢管混凝土探伤实验;成桥检测实验等。

2.1.3 实验内容及学时安排

实验内容及学时安排见表1。

3 开放实验室管理办法

针对以上教学及实验内容，特制定开放实验室管理办法首先制定了开放实验室的规章制度，之后按照规章制度执行。时间开放：开放是相对于“约束”而言。常规的实验教学，一是时间上的约束;二是内容上的约束，只有必做实验，没有选作实验;三是方法上的约束，只能按实验指导书上规定的方案、方法、步骤做实验，这对于学生能力培养十分不利。而时间开放，就是不受时间的限制，学生就可以认真仔细地将一个设计性的实验做完。

内容和教学方法上的开放：除必做实验外，还应安排学生自选实验。可以将教师的部分科研任务，安排为专题性的研究型实验，以及开展第二课堂和学生科技小组活动。个人或小组，可以自拟实验题目，自行设计实验方案，自选仪器设备组装实验装置，经批准后，独立进行实验。实验报告可以以小论文的形式提交。总之，将实验教学开发内化的方法落到了实处。

4 创新实验的教学过程

4.1 测试系统的制作

根据测试系统的制作所涉及的内容，讲解了钢管混凝土拱桥建造监测监控的整个实验过程，在本系统上所要开设的所有实验（见表1的实验内容），并提供参考资料及电子文件，进而开拓学生的创新思路。之后学生根据功能设计制作出样机及实际测试系统，见图2测试系统模型，及图3测试系统尺寸示意图。

4.2 应变片的粘贴及仪器调试

根据要求，在塔架，钢管拱、桥面上分别贴上应变片，从贴片方案设计、应变片粘贴、接线、应变片接桥及仪器调试，都由学生独立完成，真正的锻炼他们的动手能力。他们基本功扎实，动手能力强，经过努力，终于完成了测试系统，并在本系统上开出了研究、设计综合型实验。综合型实验有：应变片的粘贴实验;塔架系统测绘调整应力测试实验;传感器标定实验;钢管拱线型及应力测量实验;索力测试实验;钢管混凝土探伤实验;桥梁荷载试验;动应力及固有频率测量实验等。

4.3 实验报告及教学资料的整理

通过制作与测试，完成了实验报告的编写及答辩资料的整理。完成的教学资料有：

1.湖北省第十届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛作品申报书，作品名称为：钢管混凝土拱桥建造监测监控模拟仿真系统;2.测试系统设计图纸及模型制作;3.钢管混凝土拱桥建造监测监控模拟仿真系统设计说明书;4.钢管混凝土拱桥建造监测监控模拟仿真系统指导手册;5.钢管混凝土拱桥建造监测监控模拟仿真系统上所能开设实验的实验报告;6.答辩讲演稿（PPT）等;

5 比赛辨及获奖

展板设计与制作是根据比赛要求来设计的。湖北省“挑战杯”竞赛自1997年举办以来，已成功举办了9届，今年是第10届。本届挑战杯以“创新点亮中国梦”为主题，全省普通本科院校参与率达100%，民办独立学院、高职高专参与率达70%，共吸引来自全省64所高校的623件作品参赛，数十万青年学子以“挑战杯”为平台，积极参与科技创新与创业教育实践。

为了更方便说明仿真系统的功能，特意将系统及测试仪器运到比赛现场进行演示。既方便问辨又便于给参观的人们演示。为了便于了解系统使用，特编写了“钢管混凝土拱桥建造监测监控模拟仿真系统指导手册”，便于让人们更好地了解我们的创新点和先进的施工技术。

问辨之后有许多学生及老师参观，针对我们的作品，我们进行了耐心细致的讲解及演示。由于参观的人比较多，这就要注意仪器设备的安全问题，运去的仪器有个记录，回来有个清点，保证设备不要丢失。运输过程要注意安全，不要将仪器设备损坏。

本次比赛，武昌理工学院学生团队斩获多项大奖。其中，《钢管混凝土拱桥建造监测监控模拟仿真系统》、《业主在住宅项目设计阶段BIM知识库建设的研究》获二等奖，此两个二等奖均为城建学生申报的作品。《“丫丫”移动互联网社交APP》、《槲皮素-羟丙基-β-环糊精包合物对柔红霉素心脏毒性的保护作用》、《硫色素荧光法测定维生素B1含量实验条件的研究》、《对于公益“微”企业的尝试--一种校内服务性移动新媒体平台的构建》、《从应试教育到素质教育渐变问题的系列研究（四篇）》获三等奖。经过参赛学生及指导老师的努力，我们的《钢管混凝土拱桥建造监测监控模拟仿真系统》在湖北省第十届“挑战杯・青春在沃”大学生课外学术科技作品竞赛中荣获二等奖。赛后团委书记表示：“此次我校学子在这次比赛中能获得7个奖项，表明了他们在学术研究和科研创新上付出了努力，在成功素质教育的理念下坚持不懈，最终获得了一些成绩，充分向社会展示了我校学子风采，有力地证明了我校学生扎实的理论功底，为我校培养人才、实现与社会人才需求标准高端对接提供了坚实基础。”

6 总结

第一，完成了钢管混凝土拱桥建造监测监控模拟仿真系统的设计、制作以及教学资料的编写工作，对挑战杯实验进行了开发内化教学;

第二，编写了挑战杯实验教学资料：《传感器设计、 制作与组装》、《钢管混凝土建造监测监控实验指导》，《建筑与桥梁结构试验加固实验指导》，制订了教学计划，制定了实验室开放教学的规章制度及管理办法;

第三，结合钢管混凝土拱桥建造监测监控模拟仿真系统，开出了研究型综合性实验;

第四，经过参赛学生及指导老师的努力，我们的《钢管混凝土拱桥建造监测监控模拟仿真系统》在湖北省第十届“挑战杯・青春在沃”大学生课外学术科技作品竞赛中荣获二等奖。

第五，学生通过申请书填写、模型设计与制作、应变片粘贴及各个综合型实验的试做、实验报告及教学资料的整理，开发了学生的潜能，收获很大，提高了动手能力及测试水平。同时本实验将开发内化教学落到了实处，并取得了丰硕的成果。

（本文审稿 张端丹）