目前，国内外建设项目中涉及到的土木工程、房屋与建筑工程、道路工程、桥梁与工程等都要求结构具备良好的使用性能和耐久性能，并且工程用量较大。钢筋混凝土结构因性能稳定、可靠性好和性价比高等优点，始终是工程建设的首选。因此，深刻理解钢筋混凝土结构材料组成及力学特性，研究内在因素（材料性质）和外在因素（荷载条件）下结构性能演变规律，对保障工程建设的安全性及耐久性具有重要意义[1-2]。
本文以分子动力学和有限元两种仿真技术手段为例，重点分析仿真技术在钢筋混凝土结构课程教学中的应用，以仿真技术补充课堂讲授难点，探寻新型教学模式下全面提升对理论知识掌握程度，践行教学推动科研、科研反馈教学思路，努力将科技发展成果运用到传统教学中，让学生深层次、多维度理解教学内容，不仅知其然而且知其所以然，最终实现提高教学效果的目的。
1仿真软件介绍
分子动力学软件是近年来被逐步用于混凝土性能研究的仿真综合性软件，其基本原理是通过对试验材料中每个原子在特定环境下的牛顿定律进行数值求解，得到动态的原子坐标及力学响应参数，然后以统计或积分等方式的进行结果处理[3]。该软件主要优点包括对材料结构的构建精细、对外界环境的模拟度高、对复杂工况的动力学响应准确性好等，并且软件操作界面简洁，能满足各阶段研究的需要。
对于钢筋混凝土结构而言，有限元软件可以用来求解混凝土结构中静力学、动力学、刚体动力学等问题，其仿真效果已取得工程界高度认可，其仿真效果已取得工程界高度认可，已广泛应用于工程项目建设[4]。
2仿真技术的应用
2.1分子动力学技术的应用
钢筋混凝土结构中水泥基材料水化反应产物较大程度上决定了构件的使用寿命和服役水平，水化硅酸钙凝胶作为水泥水化反应的主要产物，由于凝胶形成过程十分复杂，常规试验或表征手段无法直接检测和描述，其纳微观尺度的结构形式仍是探究和解析的重点问题，学生在学习过程难以直观地理解。幸运的是，随着计算机科学的发展，MD仿真技术逐渐在土木工程领域中得以运用，并可以有效地帮助混凝土材料传统室内试验研究及课堂教学。
东南大学周扬[5]使用MD仿真技术模拟了水化硅酸钙凝胶与三种聚合物之间界面交互行为，原位、动态还原了交互作用过程（图1），揭示了混凝土结构中掺加聚合物用于提升使用性能的内在机理。
图1. 水化硅酸钙凝胶与聚合物界面作用模拟体系的示意图[5]
2.2有限元技术的应用
钢筋混凝土结构课程对结构特性分析主要基于宏观力学试验，截面受力特征等常采用线性关系进行简化，然而实际工程中更多的是非线性问题，因此传统教学中难以准确地描述钢筋混凝土构件各个位置的受力状态。
混凝土材料特性中抗拉强度远低于抗压强度，因此在外力作用下受拉区混凝土易开裂破坏，整个过程表现出较大的脆性，破坏完成时间短，没有明显的征兆，即使在室内实验也较难观测其破坏过程。因此课堂教学中只能通过加载得到的应力应变曲线进行过程分析与讲解，对于构件更精细化的微小变形或不同位置应力分布情况难以描述。此外，教师在根据实验结果陈述式教学中，学生处于被动接收状态，缺乏对加载开始至加载结束构件受力全过程的清晰认识。而有限元仿真技术较好地解决了这类问题，通过建立正确的结构模型，设置合理的边界条件、荷载条件等，可以模拟结构在不同条件下的构件力学状态。有限元软件中能提取仿真模拟过程中模型在特定时刻的计算结果，通过云图方式能将应力、位移等状态直观展现在学生面前。有限元软件中包含大量工程材料数据库，模型建立时可根据所需材料组合直接选用，整体结构构建时，可得到不同尺寸与形状的模型，使用方便简洁、准确性高，目前使用较多的软件主要包括Ansys、Abaqus、Hyperworks和Comsol等。
3综合分析
计算机仿真模拟技术的发展成果为土木工程领域的教学科研提供了新的途径，新时代高校教育中工科类课程应逐渐走向多元化。钢筋混凝土结构课程中涉及钢筋混凝土材料与结构两方面的仿真技术软件，不仅包含丰富的数据库系统，更能构建复杂的结构模型，辅以强大的计算系统提高了钢筋混凝土结构物化性能预测的准确性和高效性。
本文涉及的两类仿真技术分别覆盖了钢筋混凝土材料与结构。分子动力学仿真技术基于原子单元构建材料化学结构式，模拟材料化学组分反应过程，对钢筋混凝土结构课程教学而言，积极地推进了学生从纳米尺度认识材料间的界面交互作用过程及机理。有限元仿真技术基于丰富的材料特征数据库，根据需求构建不同类型的结构单元，模拟结构在不同条件下受力过程，积极地推进了学生掌握钢筋混凝土结构设计原理及受荷条件下构件的力学行为，也能够动态可视地描述受力状态下结构破坏过程。
4结束语
计算机仿真模拟技术的发展成果为土木工程领域的教学科研提供了新的途径，新时代高校教育中工科类课程应逐渐走向多元化。钢筋混凝土结构课程中涉及钢筋混凝土材料与结构两方面的仿真技术软件，不仅包含丰富的数据库系统，更能构建复杂的结构模型，辅以强大的计算系统提高了钢筋混凝土结构物化性能预测的准确性和高效性。
本文针对钢筋混凝土结构课程教学，从材料和结构两方面着手阐述了仿真技术在课堂教学中的应用，解决了传统课堂中关于钢筋混凝土材料、结构受力形式、变形破坏过程等关键问题的可视化教学问题。仿真技术的引入丰富了课堂教学手段，拓展了教学内容的表达形式，激发了学生自主学习兴趣与创新思维，有助于学生对学科发展前沿的探索。尽管如此，如何在课堂教学中高效合理地融合仿真技术，仍需教学工作者在课堂实践中不断优化教学形式和内容设计。
参考文献
[1]郑尚敏,童尚兰,程海根.交通工程专业“混凝土结构设计原理”教学探索[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2020(03):34-35.
[2]郭宁,徐超,王乐.新工科背景下的“飞行器结构力学”教学改革与实践[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2021(10):12-15.
[3]申海兰,赵靖松. 分子动力学模拟方法概述[J]. 装备制造技术,2007,10:29-34
[4]李树森,曾剑锋,张恩惠.“有限元法”课程教学改革与实践[J].黑龙江教育(高教研究与评估),2014(02):1-2.
[5]周扬. 基于分子动力学的水化硅酸钙的微结构与性能研究[D].东南大学,2018.
作者简介：向浩（1992-），男，博士，主要从事混凝土新材料与结构设计研究。