土木工程实验教学的虚拟仿真平台设计

　　摘要：利用虚拟仿真技术搭建了土木工程教学实验平台。利用该平台进行混凝土结构破坏性试验，可以降低“工程结构设计原理”本科实验的成本，节约实验对仪器及场地等资源的占用，能够较好地适应教学改革和课程创新的需要，具有非常积极的意义和价值。

　　关键词：土木工程实验；教学改革；虚拟仿真

　　土木工程专业的许多结构试验具有破坏性强、耗费高、相对危险等特点。东南大学土木工程专业的大二、大三学生(每届约300多人)都会在实验室参加实体结构模型的专业实验。为了验证混凝土结构设计理论，一般需要对钢筋混凝土实体构件进行破坏性试验，因而试验成本比较高。随着现代科技的发展和数值仿真技术的应用，混凝土构件的试验可以利用仿真实验教学软件完成[1-3]。

　　1虚拟仿真实验的特点和优势

　　虚拟仿真实验是将常规实体结构实验用计算机、数据采集系统和软件等进行模拟、设计和数据采集的实现过程，具有以下优势：

　　(1)改变以往被动参与实验过程的状况，培养学生自己动手建立和设计仿真模型并进行模拟数据采集的能力，加深对实验过程和状态变化的理论认识；

　　(2)减少大型实验构件材料的消耗，减少仪器、设备的占用时间；

　　(3)学生可主动设计仿真结构实验模型，可改进设计和反复实验而不必担心实验成本问题，因而大大提高学生的学习兴趣，可更好地培养学生的创新性思维和创新实践能力[4]。

　　LabVIEW是美国国家仪器公司(NI)推出的软件平台，是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件开发集成环境，是标准的数据采集和仪器控制软件。LabVIEW目前已在电子、仪器等专业的大学生实验教学中得到了广泛应用，显示出强大的虚拟仿真实验能力。在土木工程领域，LabVIEW已在一些大型工程的健康监测系统中(例如大型桥梁工程、FAST巨型望远镜工程)得到了应用，但在高校的土木工程结构实验教学中的研究和应用还有待于进一步开发[5-8]。

　　2虚拟仿真实验教学平台的构建

　　首先，设想通过虚拟仿真软件LabVIEW和以往的实验数据，搭建土木工程结构中的基础实验平台，并根据实验数据和理论公式对实验过程、实验数据进行分析处理，画出相关曲线，得出实验结果以验证理论课程的相关内容，由此逐步建立一个较完善的虚拟仿真实验平台，以满足“工程结构设计原理”中对钢筋混凝土构件的实验内容和要求。

　　针对本科教学的RC矩形截面梁受弯和受剪教学实验，基于现场数据采集、数值模拟，通过LabVIEW等软件构建虚拟仿真实验平台，期望呈现试验梁受力过程中力学性能的演变(包括钢筋应变、结构位移、破坏形态等)。

　　通过虚拟仿真实验平台，学生既可以加深对理论知识的理解，又可以仿真实际的混凝土结构实验，加强对课程概念的理解和认识过程，最终通过该仿真平台逐步减少和替代传统足尺的钢筋混凝土结构实验，以降低实验费用和仪器设备资源的占用[9]。

　　3仿真实验平台的设计

　　以本科生“工程结构设计原理”课程相关的基础实验“短期荷载下单筋矩形截面梁正截面受弯承载力实验”和“钢筋混凝土受弯构件斜截面受剪承载力实验”为背景，收集了相关的实验内容、实验数据和相关资料，通过LabVIEW等软件，初步搭建RC矩形截面梁受弯和受剪实验的虚拟仿真实验平台[10]。通过该仿真实验平台，学生可以尝试虚拟仿真实验过程，采集相应的仿真实验数据，并可通过观看现场实验过程的照片获取更直观的感性认识，通过软件平台实现实验过程的内容和操作，最终生成初步的实验报告。

　　在实验开始前，设计好钢筋混凝土梁的截面尺寸和内部配筋(见图1)，设计加载方案中力的分布和作用点的位置(见图2)，完成受弯构件实验的前期准备。

　　然后在软件中改变荷载的大小，分别获取构件中的钢筋应力、混凝土梁的表面变形及跨中挠度变化等重要参数的数据，并对实验数据进行分析和处理，画出相应的曲线。

　　在主程序中，学生可以完成对实验梁施加荷载，记录钢筋应力、跨中挠度、混凝土表面应变等相关实验数据，并画出荷载应力曲线、荷载挠度曲线及应力应变曲线等。其中构件跨中挠度随荷载变化的程序框图(见图3)、应力应变随荷载变化的框图(见图4)以及用实验平台程序画出的钢筋荷载应力曲线。

　　4结语

　　基于LabVIEW软件、“工程结构设计原理”的理论知识、数据采集技术和以往实验数据结果，搭建了“钢筋混凝土受弯教学实验平台”，可以初步实现RC受弯混凝土梁在静力荷载作用下的跨中挠度、钢筋应力、弯矩以及破坏特征等相关数据的变化过程，并可对施加的每级荷载下的相关数据进行采集，处理数据并画出相应的曲线，初步完成“工程结构设计原理”实验教学要求的相关内容[11-12]。

　　“钢筋混凝土受弯教学实验平台”是土木工程结构专业的实验共享平台，丰富了结构专业的多层次实验教学模式，拓宽了学生的眼界，也提高了学生的创新实践意识，为进一步构建综合的、多层次的、创新实验教学模式打下了良好的基础。