实验教学项目描述

实验原理

1.实验原理

（1）超声回弹综合法测混凝土强度实验原理

超声回弹综合法是采用回弹仪和超声仪，在构件混凝土同一测区分别测量超声传播速度和回弹值来综合检测混凝土强度的一种非破损检测方法。

超声波在介质中传播时，遇到不同界面，将产生反射、折射、绕射、衰减等现象，使传播速度、波形、频率等发生相应变化，从而反映材料的内部构造。超声法检测混凝土强度正是由超声波在混凝土内部的传播速度来推算混凝土的强度，其测试原理如图1所示。

回弹检测采用一个弹簧驱动的重锤，通过撞击弹击杆，将力传于混凝土表面，使重锤反弹。由重锤反弹的距离（回弹值），推定混凝土强度。混凝土表面强度越高，回弹值越大，其测试原理如图2所示。

图1超声检测基本原理

图2回弹仪工作原理示意

超声、回弹综合使用，既能反映混凝土表层，又能反映混凝土内部构造，能够较全面地反映结构混凝土的实际质量，测试精度高、适用范围广。

(2)人工加速模拟盐雾环境实验原理

盐雾实验通过创造人工模拟盐雾环境来反映海水的影响。水分子、氧气分子与盐雾中的主要成份氯离子穿透钢筋氧化层，在钢筋表面聚集形成局部原电池，使得钢筋中的铁元素发生电化学反应。使钢筋锈蚀产生铁锈，导致体积膨胀挤压外部混凝土保护层，最终导致保护层开裂。钢筋电化学腐蚀和钢筋混凝土锈胀原理如图3和图4所示。

图3钢筋的电化学腐蚀过程

图4混凝土碳化和钢筋锈蚀

(3)拟静力实验原理

拟静力实验，也称低周往复荷载实验，采用静力加载方式来模拟地震对结构的作用，是目前研究结构或构件抗震性能应用最多的实验方法。它采用载荷控制或变形控制对试件进行正反两方向反复加载和卸载，使试件从弹性阶段直至破坏。通过拟静力实验可以记录构件在力循环往复作用下的荷载－变形曲线，即滞回曲线。滞回曲线的形状可以反映钢筋的滑移或剪切变形的扩展情况，反映构件的延性特征、耗能能力和破坏机制。拟静力实验加载系统示意图如图5所示。

图5 拟静力实验加载系统示意

2.核心要素仿真度

本实验的核心要素包括：混凝土强度检测、剪力墙制作、剪力墙腐蚀、拟静力加载、抗震性能评估。实验底层数据支撑全部来源于项目组的科研数据，其映射出来的专业知识内容比本科教学基本教学内容更加宽广、内容更加前沿、实验技术更加先进。各要素仿真度如下：

（1）混凝土强度检测虚拟仿真

该要素模拟工程上广泛采用的超声回弹综合法进行混凝土强度无损检测。内容包括测区网格划分、测区选择、超声回弹检测和数据处理等实验过程。

该部分仿真让学生有机会多次重复亲历实际大型工程的原位检测，通过“以虚代实”，实现实验教学与工程实践的无缝对接，如图6和图7所示。并且，学生选择的建筑和选择的测区各不相同，可推定和比较不同工况下的混凝土抗压强度值，通过团队合作探索混凝土强度随腐蚀年代的退化规律，实现探究式教学。

图6 回弹检测

图7 超声检测

（2）剪力墙制作虚拟仿真

该要素模拟了土木工程师依施工图进行剪力墙制作过程，如图8所示。形象地仿真了模板制作、钢筋绑扎、应变片粘贴、混凝土浇筑、养护与拆模等全过程。重点将剪力墙的抗震构造要求、最不利内力位置和施工技术作为考核点。学生按照正确的施工顺序，选用正确的钢筋布置于正确的位置、正确选择最不利内力位置粘贴应变片，方能获得实验分并继续实验。

该部分的仿真不仅突破了实体实验时空尺度大、实验周期长的教学瓶颈，并且锻炼了学生将结构抗震、结构力学和施工技术等专业理论知识应用于实践的能力，实现“虚实结合”，同时让学生体验了施工蓝图变构件实物的成就感和快乐感。

图8 剪力墙构件制作

（3）剪力墙腐蚀虚拟仿真

该要素构建了盐雾腐蚀的实验环境，将有关“构件腐蚀”的科研成果转化为本科实验，如图9所示，解决了真实腐蚀实验长周期、高危险，做到“以虚代实”。同时，用仿真手段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10所示，解决了腐蚀箱内构件微观变化无法观察的问题，实现了“形象展现抽象”，并且形成了土木与材料学科交叉的知识载体，拓展了实验教学的深度与广度。