实验教学项目描述
实验方法与步骤
（1）实验方法描述：
本项目综合了超声回弹综合法、盐雾腐蚀、拟静力实验、增大截面法加固等多种实验方法。实验方法与实验目的、教学进程的关联性如图23所示：
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图23本项目采用的实验方法
①通过超声-回弹综合法初步检测实际建筑的剪力墙混凝土抗压强度，从而获知：随着建筑服役年限的增长，钢筋混凝土结构混凝土抗压强度退化；
②通过构件设计、钢筋绑扎、支模与浇筑混凝土，制作1/2缩尺试验墙；
③模拟腐蚀箱盐雾实验环境，将试验墙构件腐蚀至原墙状态，同时透过腐蚀箱呈现钢筋混凝土内部电化学反应；
④通过伺服加载系统，进行拟静力加载，进一步获取试验墙的“滞回曲线”、“钢筋和混凝土应变”和“构件位移”。
⑤通过分析拟静力试验结果，计算试验墙的“承载力”、“刚度退化率”、“延性系数”、“耗能能力”等抗震指标，并比较分析建设年代对剪力墙抗震指标的影响。最终评估原墙是否需要进行加固
⑥模拟“增大截面法”加固原墙,提高其抗震性能。
（2）学生交互性操作步骤说明：
该实验教学项目属于“建筑结构抗震设计”课程，共计3个实验学时。通过三维仿真技术，虚拟构建厦门滨海腐蚀环境及土木工程结构实验室，学生可以在整个实验场景和情境中进行交互性操作20步。
实验主要流程为：登录系统=>获取实验指导书=>实验预习=>实验准备=>混凝土强度检测=>剪力墙制作=>剪力墙腐蚀=>拟静力实验=>抗震性能评估=>实验报告=>实验成绩=>实验结束=>退出系统，如图24所示。
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图24实验流程图
准备工作
输入网址http://civil.fjut.owvlab.net/virexp/jhfs，进入网站了解项目描述、特色、网络要求等相关信息。从网站右下角获取实验指导书。在主页上学生自主学习课件、规范、视频等相关教学资源，如图25所示。最后完成实验预习测试题如图26所示，方可进入实验操作环节。
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图25 实验教学资源
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图26“实验预习”界面
点击“教学入口”如图27所示，加载完毕后点击“开始试验”（如图28所示）。具体交互性操作步骤如下：
图27项目主页
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图28 “开始实验”界面
系统自动播放本项目的背景（如图29所示）与主要任务（如图30所示），学生可通过空格键跳过此段讲解。
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图29 项目背景介绍
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图30项目任务
随后选择操作员角色如图31所示（不同角色将对应不同的腐蚀程度，由任课老师分布），并根据提示更换服装佩戴安全帽，进入工作状态，如图32所示。
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图31选择操作员角色
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图32“操作员实验前准备”的界面
实验操作各环节具体步骤如下：
环节一：“混凝土强度检测”
此环节主要根据超声回弹方法检测任意高层建筑的剪力墙混凝土强度。包含4个步骤，即读取结构设计参数、回弹实验、超声实验和混凝土强度计算，如图33所示。
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图33 超声回弹模块所含步骤
步骤1：读取结构设计参数，使学生了解建筑抗震设计要点。
任意点击高亮显示的四座高层建筑（“双子塔”、“建设银行”、“海滨大厦”、“国际银行”）之一，读取该楼的工程背景信息，点击黄色字体可学习相关关键词含义。点击“关闭”即可返回查看其他建筑的信息。相反，点击“开始检测”，进入后续步骤，如图34所示。
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图34 “工程背景”界面
步骤2：进行回弹实验，获取回弹值，培养工程实践能力。
在弹窗中学习回弹实验测区选择的原则，并在剪力墙的正面和背面绘制好0.2m×0.2m方格，分别选择5个测区。当选择的测区不符合测区选择原则时会提示选择错误（如图35所示）。选择完10个测区后，选定其一划分16等分，择一进行回弹实验，如图36所示。为节省时间，重复的回弹测试将跳过。
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图35“回弹实验”界面
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图36获取“单一回弹值”界面
步骤3：进行超声实验，获取超声值，培养工程实践能力。
首先按弹窗提示学习超声实验操作方法。在步骤2中的16个方格的斜对角4个方格中选择其中的三个方格进行超声实验，如图37所示，获得超声值。
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图37“超声实验”界面
步骤4：混凝土强度计算，获得混凝土强度推定值，使学生掌握无损检测技术。
首先，根据步骤2和3测得的各测点回弹值和声速值，选择对应公式计算测区回弹值Rm和声速值Vm，最后依据测区回弹值和声速值选择对应公式计算各测区混凝土强度推定值，如图38所示。其次，下载同组其他同学上传的其余3座建筑相关数据，绘制不同年代混凝土强度推定值曲线，如图39所示。由曲线可知，随着建设年份的增加，混凝土强度推定值呈下降趋势。
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图38选取“计算混凝土强度推定値”界面
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图39“不同年代混凝土强度值”界面
环节二：“剪力墙制作”环节
此模块主要将环节一中所涉及的剪力墙进行缩尺，制作构件为后期进行腐蚀和抗震性能评估做准备。该模块包含5个必修步骤和1个选做步骤即构件识别、尺寸选择、钢筋绑扎、应变片区域选择、应变片粘贴以及支模与浇筑，如图40所示。
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图40“剪力墙制作”模块所含步骤
步骤5：识别构件名称，使学生了解各部件作用。
由于剪力墙在进行实验时需增加地梁和连梁用于实验加载，本步骤可点击高亮处分别认知“地梁”、“连梁”、“剪力墙”及其作用，如图41所示。
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图41“点击构件”界面
步骤6：选择对应不同剪跨比的构件尺寸，为破坏模式分析奠定基础，培养多参数分析的能力。
本步骤在于选择未来要进行实验的高度或剪跨比。不同的剪跨比会产生不同的破坏模式，如图42所示，在下拉菜单中选择剪力墙高度、剪力墙宽度、剪力墙厚度。
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图42“尺寸选择”步骤界面
步骤7：绑扎钢筋，使学生掌握抗震构造要求和施工顺序。
根据构件施工图（右侧点击“点此查看施工图”处可查看），如图43所示；将左侧下料区框中的钢筋按照正确的顺序拖拽至正确的位置，以便学习剪力墙的抗震构造措施，如图44所示。
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图43“点击查看施工图”步骤界面
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图44“钢筋绑扎”步骤截面
步骤8：选择应变片粘贴区域，以便加载过程输出有效应变数据，提升力学知识的应用能力。
根据剪力墙受力性能，在剪力墙高亮区（大剪跨比墙的上、中、下部；小剪跨比墙的上、下部）选择最需要测量应变的区域，如图45所示。
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图45应变片区域选择”步骤界面图30项目任务
随后选择操作员角色如图31所示（不同角色将对应不同的腐蚀程度，由任课老师分布），并根据提示更换服装佩戴安全帽，进入工作状态，如图32所示。
步骤9：应变片粘贴（选做），培养数据采集的能力。
完成步骤8后，学生可根据熟悉程度选择是否跳过应变片粘贴过程（如图46所示），如若选择“否”则进入应变片粘贴步骤；如若选择“跳过”则直接进入步骤6支模与浇筑。
在应变片粘贴步骤中，学生选择屏幕下方工具栏中的工具完成应变片粘贴。①用尺子量出需要粘贴应变片的部位，并用粉笔标记；②用砂轮机在标记处砂出一块较为平整的钢筋段；③用502粘贴应变片；④将端子用焊锡焊好并用剪刀裁剪；⑤用502粘贴端子，要靠近应变片；⑥用电烙铁将应变片的线与端子用焊锡焊接好；⑦用电烙铁将电线与端子焊接起来；⑧分别涂抹703胶水和914胶水进行封装应变片；⑨贴标签，检查应变片是否损坏（用欧姆表检查）；最后涂抹环氧树脂用纱布包裹应变片用胶带粘好，以保护应变片，如图47所示。
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图46选择是否跳过应变片粘贴步骤界面
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图47“应变片粘贴”步骤界面
步骤10：支模与浇筑，完成剪力墙制作，使学生掌握施工技术。
点击屏幕中央的钢筋笼高亮处完成墙体和连梁的支模，点击模板完成各部件混凝土的浇筑，并进行养护，如图48所示。
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图48 “混凝土养护”步骤界面
环节三：“剪力墙腐蚀”环节
此环节含“腐蚀参数选择”以及“钢筋混凝土锈蚀”两个步骤，如图49所示。
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图49“剪力墙腐蚀”模块步骤
步骤11：选择腐蚀参数，将剪力墙腐蚀至原墙状态，建立多参数分析能力和环保意识。
在屏幕中央的构件参数选择框中，分别选择构件的“模拟腐蚀近似时间（年）”、“NaCl盐溶液浓度（%）”、“PH值”、“温度（℃）”和“盐雾实验室运行时间（d）”。其中“模拟腐蚀近似时间（年）”的下拉菜单含无腐蚀、5年、15年、30年，点击任一“模拟腐蚀近似时间（年）”在右侧会出现其相对应的盐雾实验时间以及与之近似匹配的大楼。其余参数主要是模拟厦门地区腐蚀信息，如图50所示。
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图50“腐蚀参数选择”步骤界面
步骤12：钢筋混凝土锈蚀，了解腐蚀机理，培养土木与材料的跨学科思维能力。
选择完毕后，构件由叉车运至腐蚀箱，在腐蚀箱中，可近距离观察腐蚀箱内部工作情况，同时点击“钢筋混凝土锈蚀”可透过混凝土表面裂缝观察钢筋锈蚀膨胀引起钢筋周边混凝土开裂的微观反应，如图51所示。
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图51 “钢筋混凝土锈蚀”步骤界面
环节四：“拟静力实验”
本环节含四个主要步骤，分别为：“构件安装”、“安装位移计”、“应变片和位移计接线”、“剪力墙加载”，如图52所示。
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图52“拟静力实验”模块步骤
首先，弹窗引导学生学习拟静力加载的定义和目的。阅读学习后点击确认进入构件安装步骤，如图53所示。
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图53“拟静力加载”要点
步骤13：安装构件，为拟静力加载做准备，培养实践操作能力。
根据右下角提示，学生观看场景转换，点击选择高亮处依次设置地垫，吊运构件，安装地锚、MTS作动器（如图54所示）、力传感器垫片、千斤顶和力传感器（如图55所示）。在学习过程中，需要记录实验步骤，并在随后的考核题目中选择正确的安装顺序，如图56所示。
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图54“安装MTS作动器”界面
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图55“安装力传感器”界面
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图56“构件安装”步骤界面
步骤14：根据力学原理安装位移计以采集位移数据，提升力学知识应用能力。
点击高亮处，安装位移计，学习认识位移计的安装原则，如图57所示。
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图57“安装位移计”步骤
步骤15：根据惠斯登原理进行应变片和位移计接线，用于采集位移、应变数据，培养力学和电学的跨学科思维能力。
此步骤要求根据应变片连接原理（本项目采用1/4桥连接）和位移计接线原理（本项目采用半桥连接），在应变采集箱指定位置（应变片在第一排的最左侧位置、位移计在第一排的最右侧位置，均有高亮显示）按接线要求进行接线。其中每个接线位置下方均注释（））。当接线错误时会有局部爆炸效果，如图58所示。
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图58“应变片和位移计接线”步骤界面
步骤16：剪力墙加载，获得构件承载力，培养实验操作、系统性思维判断与分析的能力。
在完成上述准备工作后，进入剪力墙加载阶段。首先点击千斤顶对构件施加轴力，随后利用步骤1中的超声-回弹综合测试法检测混凝土强度推定值。接着出现本项目采取的拟静力实验加载制度，学生需记录加载制度，此后开始加载，如图59所示。
加载共分为三个阶段：分别为“开裂阶段”、“屈服阶段”以及“破坏阶段”。下面分别介绍各阶段性能节点的操作关键点。
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图59“选择加载方式”步骤界面
①裂缝节点
首先根据“拟静力实验加载制度”选择力加载，此时界面分布有：剪力墙构件区、力-位移曲线区和钢筋应变区。开始加载时，要求学生注意观察剪力墙的裂缝开展，当出现第一条裂缝时，记录“力-位移曲线区”的开裂荷载及其对应的位移，如图60所示。
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图60“寻找开裂荷载”步骤界面
②屈服节点
仍选择“力加载”方式继续加载。此时不仅要观察剪力墙构件的裂缝开展，同时要注意最大的钢筋应变，当钢筋应变达到2000微应变时可认为构件屈服，此时记录“力-位移曲线区”的屈服荷载及其所对应的位移，如图61所示。
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图61“寻找屈服荷载”步骤界面
③破坏节点
构件屈服后，进入循环加载，此时加载方式为位移加载（如图62所示）。根据步骤②中记录的屈服位移向上取整，取为△（如图63所示）。此后按位移控制加载，分别输入位移值（依次为△的1倍、2倍、…直至荷载降至最大荷载的85%）。界面展示了剪力墙的应力动态云图，学生不仅可观察裂缝，还可观察剪力墙的应力流动特征，如图64所示。
图62“点击位移加载”步骤界面
图63“输入位移”步骤界面
图64“循环加载”步骤界面
当荷载降至最大荷载的85%时，将停止加载。此时，在“力-位移曲线区”将出现骨架曲线，学生依此获得更多的抗震信息，如图65所示。
图65“骨架曲线”界面
随后将对学生记录的开裂、屈服以及破坏荷载以选择题形式进行考核。
值得注意的是，本项目允许学生在仿真环境中尝试反常规操作，输入大位移（如图66所示），学习此时的破坏模态，如图67所示。
图66“输入大位移”步骤界面
图67“大位移”破坏界面
环节五：“剪力墙评估”
此环节主要含四个步骤，分别为：“抗震性能指标分析”、“抗震性能比较”、“加固构件判断”以及“剪力墙加固”，如图68所示。
图68“剪力墙评估”模块步骤
步骤17：抗震性能指标分析，培养数据分析的能和。
在此部分，学生可分别点击“延性系数”、“刚度退化率”以及“耗能能力”三部分内容学习相关指标计算知识。在界面中，中部为各性能指标的计算方法，右侧为相对应的性能指标的定义。点击右下角的“定义”按钮可以展开或关闭相对应的性能指标的定义，如图69所示。
图69“性能指标分析”步骤界面
步骤18：抗震性能比较，建立团队合作的意识
学生点击“获取同组其他同学数据”，从而下载他人数据，计算并生成相同剪跨比的不同建设年代（腐蚀程度不同）构件的承载力下降比，进行抗震性能的比较，如图70所示。
图70“抗震性能比较”步骤界面
步骤19：选择需加固的剪力墙，培养判断决策的能力
根据右下角提示，在高亮处选择需要加固的建筑，进入剪力墙加固。此处，项目建议承载力下降10%时需加固构件，如图71所示。
图71“加固构件判断”模块
步骤20：“增大截面法”加固剪力墙，培养解决问题的能力。
进行剪力墙加固时场景返回步骤3中选择的建筑，即在原剪力墙上进行加固。本项目加固方法为“增大截面法”。在屏幕下方存在工具栏，从左至右依次选择“凿毛机”将剪力墙表面混凝土凿毛；接着选择“结构胶”在凿毛的表面涂刷结构胶保证新旧混凝土的粘结；随后选择钻孔机在剪力墙表面钻孔，并插入钢筋和搭设钢筋，最后支模并浇筑混凝土，如图72所示。
图72“剪力墙加固”步骤界面
实验操作完成后步骤：在线填写实验报告
下载实验数据（如图73所示），分析抗震性能指标，在线完成实验报告（如图74所示），提交后生成实验报告并下载，最后将获得本次实验成绩鉴定表（如图75所示）。
图73实验数据下载提示”界面
图74“在线完成实验报告”界面
图75“实验成绩鉴定表”界面