土木工程專業(yè)抗震概念設(shè)計理念提升的研究★

周海燕 王亞萍 張 晨

(1.南通城欣市政工程有限公司，江蘇 南通 226000; 2.南通大學(xué)杏林學(xué)院，江蘇 南通 226019)

土木工程專業(yè)的最大特點是實踐性很強，對于該專業(yè)學(xué)生要求具有動手能力強、勇于探索、敢于創(chuàng)新和綜合素質(zhì)高等要求。畢業(yè)設(shè)計是學(xué)生即將走上結(jié)構(gòu)工程師工作崗位的最后一個綜合訓(xùn)練環(huán)節(jié)，要綜合提升學(xué)生處理設(shè)計、施工以及管理等各種問題的能力，教學(xué)質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到學(xué)生的崗位適應(yīng)性。這要求學(xué)生不是簡單地將教材和規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)與要求直接套用到設(shè)計、施工中。因此，畢業(yè)設(shè)計教學(xué)質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響學(xué)生走上結(jié)構(gòu)工程師工作崗位的適應(yīng)性。筆者多年的工程實踐經(jīng)驗和教學(xué)經(jīng)歷表明，工程結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計理念的提升能有效強化學(xué)生工程應(yīng)用的能力。

1 抗震概念設(shè)計的必要性

作為一個地震多發(fā)的國家，我國需要考慮抗震設(shè)防的地域遼闊。2008年5月12日四川汶川發(fā)生特大地震，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8 000多億元人民幣[1，2]。由于地震具有很強的不確定性和復(fù)雜性，目前很難準(zhǔn)確預(yù)測建筑物在地震作用下的特性和參數(shù)[3]。結(jié)構(gòu)分析中，一方面未能充分考慮結(jié)構(gòu)材料的非彈性特性、材料時效、結(jié)構(gòu)的空間作用以及阻尼變化等因素。另一方面，計算也存在著不準(zhǔn)確性。因此，工程的抗震設(shè)計不能依賴于“計算”來解決，而應(yīng)該著眼于“概念設(shè)計”。

抗震概念設(shè)計是指從結(jié)構(gòu)的宏觀體系出發(fā)，以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的觀點，立足于結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)，解決結(jié)構(gòu)的總體方案、材料特性、結(jié)構(gòu)分析計算、構(gòu)件截面設(shè)計、節(jié)點構(gòu)造等問題，力求結(jié)構(gòu)設(shè)計方案經(jīng)濟(jì)、合理，并達(dá)到合理抗震設(shè)計的目的[4]。工程抗震概念設(shè)計目標(biāo)是能發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)耗散地震能量的作用，避免結(jié)構(gòu)敏感薄弱部位的出現(xiàn)。一般說來，如果地震能量的聚散集中在結(jié)構(gòu)的少數(shù)薄弱部位，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的過早破壞。目前，各種工程抗震設(shè)計的前提是假定結(jié)構(gòu)整體共同發(fā)揮地震能量耗散的作用。在此假定基礎(chǔ)上以多遇地震(即小震)作用效應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、構(gòu)件設(shè)計和構(gòu)造處理措施。必要時，考慮應(yīng)用彈性時程分析方法補充計算，以達(dá)到結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下不倒塌目標(biāo)(即大震不倒)[5]。工程抗震設(shè)計規(guī)范明確規(guī)定，結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計對工程的抗震性起決定性作用。因此，規(guī)范在相關(guān)條文中強調(diào)要進(jìn)行建筑與結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計。不僅如此，工程·抗震規(guī)范中還將該條款列入強制性條文:即建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)符合工程抗震概念設(shè)計的要求[6]。

因此，土木工程專業(yè)學(xué)生在進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時，無論選擇哪種建筑形態(tài)，無論選用何種材料以及何種結(jié)構(gòu)形式，歸根結(jié)底都要具有明確的工程抗震概念設(shè)計理念，并貫穿于工程設(shè)計全過程。一位好的結(jié)構(gòu)工程師只有具備了良好的工程抗震概念設(shè)計理念，才能提出合理的、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案，才能在結(jié)構(gòu)的計算與分析中思路清晰，對計算結(jié)果的正確與否能進(jìn)行判斷，并合理地進(jìn)行相關(guān)構(gòu)件的構(gòu)造設(shè)計。此外，優(yōu)良的工程抗震概念理念也便于工程施工的指導(dǎo)。土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計作為專業(yè)教學(xué)計劃的最后一個教學(xué)環(huán)節(jié)，也是最重要的一個環(huán)節(jié)，不僅要提升學(xué)生綜合應(yīng)用專業(yè)知識的能力和工程實踐的能力，還要培養(yǎng)和強化該專業(yè)學(xué)生的工程抗震概念設(shè)計理念。

2 抗震概念設(shè)計理念的不足

近幾年，高等教育逐漸從單一的“專才”教育方式向著“通才”教育和“專才”教育相結(jié)合的方式轉(zhuǎn)變。隨著教學(xué)改革的不斷深入，新的問題不斷出現(xiàn)。

2.1 專業(yè)知識的深度不足

目前，土木工程專業(yè)本科生在三年半的時間內(nèi)要學(xué)習(xí)幾十門課程之多，而其他非專業(yè)課程占用大部分教學(xué)學(xué)時，導(dǎo)致專業(yè)核心課程包括鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計等教學(xué)的學(xué)時數(shù)比正常需要教學(xué)的學(xué)時數(shù)減少達(dá)1/4～1/3，其中工程抗震設(shè)計的課時數(shù)更少(32學(xué)時)。因此，教學(xué)中教師只講授一些結(jié)構(gòu)的基本原理，沒有時間來講授工程的結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計理念以及工程應(yīng)用案例，該部分內(nèi)容一般只能安排學(xué)生自學(xué)。在沒有足夠的硬性規(guī)定下，完全靠學(xué)生的自學(xué)積極性，教學(xué)的效果是很難得到保證的，最終導(dǎo)致的結(jié)果是，一旦進(jìn)入到畢業(yè)設(shè)計的階段，學(xué)生普遍感到專業(yè)知識獲取的太少，且深度明顯不足。當(dāng)面對有一定工作量和難度的畢業(yè)設(shè)計任務(wù)時，他們根本就無從下手，有的甚至直接放棄結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計這一部分的設(shè)計內(nèi)容，這種現(xiàn)象在歷年的畢業(yè)設(shè)計和畢業(yè)答辯中表現(xiàn)得非常突出，也給教師指導(dǎo)和組織畢業(yè)設(shè)計帶來了相當(dāng)?shù)睦щy。

2.2 基本概念模糊

先進(jìn)的現(xiàn)代計算機技術(shù)已將工程設(shè)計人員從繁雜的體力和腦力工作中解脫出來，但工程設(shè)計人員中普遍感覺抗震計算原理不清、結(jié)構(gòu)抗震概念模糊及抗震概念設(shè)計能力不足等。如，“抗震構(gòu)造措施”和“抗震措施”兩個概念經(jīng)?；煜磺?。一般而言，“抗震構(gòu)造措施”指依據(jù)抗震概念設(shè)計的基本原則，無需對結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體計算，僅非結(jié)構(gòu)的各部分所采取特殊的細(xì)部構(gòu)造?！翱拐鸫胧眲t是指在計算地震作用和結(jié)構(gòu)抗力以外的抗震設(shè)計內(nèi)容。它不僅包括:建筑總布置方案、結(jié)構(gòu)體系選型、地基基礎(chǔ)抗液化設(shè)計以及考慮地震作用效應(yīng)的調(diào)整等，還包括具體結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造，譬如，梁兩端箍筋加密、柱箍筋加密、搭接長度、連接構(gòu)造、箍筋彎鉤構(gòu)造、抗震錨固長度等等。應(yīng)該說，后者部分內(nèi)容涵蓋了前者。

2.3 專業(yè)知識認(rèn)知結(jié)構(gòu)非系統(tǒng)化

目前高校教學(xué)土木工程專業(yè)教學(xué)中，普遍重視結(jié)構(gòu)單個構(gòu)件和獨立分體系力學(xué)概念的講解。尤其在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課教學(xué)中，練習(xí)大多局限于單項計算，鮮有進(jìn)行綜合的練習(xí)，學(xué)生則著重體現(xiàn)在做考題備考中。結(jié)果是，在三年半時間內(nèi)學(xué)生學(xué)習(xí)了很多的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，但這些課程的知識在學(xué)生的記憶中僅僅是孤立的小片段，不能有機地將各部分知識聯(lián)系起來，更無法形成完整而系統(tǒng)的專業(yè)認(rèn)知知識體系。例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)了專業(yè)課程:鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)等基本原理后，學(xué)生大多掌握的是構(gòu)件承載力極限狀態(tài)設(shè)計方法，正常使用極限狀態(tài)設(shè)計概念薄弱，抗震的延性設(shè)計近乎空白。但是，強梁、強柱和強節(jié)點的框架結(jié)構(gòu)并非意味著結(jié)構(gòu)抗震性能良好。

由于受知識認(rèn)知水平的限制和缺乏足夠的實訓(xùn)機會，該專業(yè)學(xué)生的專業(yè)知識很難形成一個完整的系統(tǒng)。當(dāng)學(xué)生面對畢業(yè)設(shè)計時，他們不知道該進(jìn)行哪些工作，也不知道設(shè)計的基本程序和思路，更不知道具體計算時該用哪方面的知識。認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的不足給學(xué)生畢業(yè)設(shè)計和教師的組織與指導(dǎo)進(jìn)行帶來相當(dāng)?shù)睦щy，這也不利于學(xué)生今后專業(yè)技術(shù)的發(fā)展和業(yè)務(wù)能力的提升。

3 抗震概念設(shè)計理念的培養(yǎng)與實踐

抗震概念設(shè)計一般分為工程概念設(shè)計和理論計算兩大部分。其中，理論計算部分是工程設(shè)計人員基于結(jié)構(gòu)計算模型的基本既定和受力分析狀態(tài)的假定，依據(jù)規(guī)范和計算理論基本原則，對工程主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算和分析設(shè)計，由于理性計算不能解決所有的問題，規(guī)范也并非完全涵蓋工程的方方面面，在未明確規(guī)定和很難作出精確的計算部分，目前常用的方法是采用工程概念設(shè)計。參考數(shù)值分析結(jié)果，分析結(jié)構(gòu)整體體系與結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)在地震作用下破壞機制以及地震震害、工程試驗現(xiàn)象，形成工程概念設(shè)計的基本設(shè)計思想和原則。從結(jié)構(gòu)整體的角度出發(fā)，提出工程結(jié)構(gòu)的建筑、結(jié)構(gòu)總體布置方案和結(jié)構(gòu)構(gòu)件細(xì)部的構(gòu)造措施。針對這一現(xiàn)狀，筆者考慮將工程抗震概念設(shè)計理念的培養(yǎng)貫穿于土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計的整個教學(xué)實踐環(huán)節(jié)。

3.1 抗震設(shè)計方案的理解和應(yīng)用

合理的結(jié)構(gòu)方案和抗震體系是保證建筑抗震安全的重要因素，以5層的辦公樓為例，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為辦公區(qū)域，中間設(shè)內(nèi)走廊。現(xiàn)有2個設(shè)計方案如圖1，圖2所示，方案1的結(jié)構(gòu)體系抗震安全系數(shù)明顯要比方案2小。分析其原因有:方案1的塑性鉸首先出現(xiàn)在走廊處框架梁的梁端，內(nèi)框架梁端塑性鉸出現(xiàn)后，兩側(cè)外框架梁又重新組成了一個相對穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，而方案1不能滿足此要求。但是，要形成圖2的塑性鉸機制，工程設(shè)計中應(yīng)將走廊處框架梁的截面取得要弱一些和小一些，使該部分梁先屈服進(jìn)而形成塑性鉸，如果框架梁截面相同則很難形成圖2塑性鉸機制。

圖1 兩側(cè)梁端塑性鉸機制

圖2 中間梁端塑性鉸機制

由兩種設(shè)計方案的對比不難發(fā)現(xiàn)，方案2的設(shè)計更合理。在滿足同樣的設(shè)計要求前提下，方案1和方案2體現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)設(shè)計人員的工程抗震概念設(shè)計理念。此案例的講解與分析有助于學(xué)生明白工程結(jié)構(gòu)概念設(shè)計理念的提升與培養(yǎng)，是提出科學(xué)、合理、安全和可靠結(jié)構(gòu)方案的基礎(chǔ)。科學(xué)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，才能真正做到強節(jié)點弱構(gòu)件，即節(jié)點強度要高于構(gòu)件強度，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體延性的有效增強。從而實現(xiàn)抗震概念設(shè)計中對框架結(jié)構(gòu)的三個最基本要求“強剪弱彎、強柱弱梁和強節(jié)點弱構(gòu)件”。

3.2 理解抗震計算與分析模型

目前，工程結(jié)構(gòu)的計算是基于簡化的計算簡圖進(jìn)行的，計算簡圖的選用適當(dāng)與否是結(jié)構(gòu)計算是否有效以及結(jié)構(gòu)能否安全的前提條件。以一地震區(qū)帶底框的房屋抗震設(shè)計為例，在計算模型的建立過程中應(yīng)考慮上、下結(jié)構(gòu)是兩類截然不同的受力性質(zhì)體系，二者的極限變形能力也是相差懸殊。小震時，上部磚房將起主要控制作用，在結(jié)構(gòu)處于彈性階段時，應(yīng)將磚墻部分作為驗算的重點;當(dāng)上部磚房的磚墻開裂后，在結(jié)構(gòu)處于非彈性階段時，則應(yīng)將框架部分作為驗算的重點。還有一點值得注意的是，帶底框的房屋側(cè)向變形協(xié)調(diào)主要是靠樓板來保證的，因此樓板在水平方向應(yīng)具有足夠的剛度。施工時，底層樓板一般需要全現(xiàn)澆以保證其達(dá)到足夠的水平剛度，還需要滿足樓板厚度的最小要求。

3.3 抗震構(gòu)造措施的理解和應(yīng)用

考慮地震作用時，不僅要領(lǐng)會和靈活運用抗震概念設(shè)計的計算理論，還需掌握相應(yīng)的構(gòu)造措施。如，建筑平面外墻轉(zhuǎn)角處的轉(zhuǎn)角窗是結(jié)構(gòu)薄弱部位，應(yīng)用抗震概念設(shè)計理念，可考慮在豎向構(gòu)件間設(shè)置厚板、暗梁等可靠拉結(jié)以約束角部結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件。再如，抗震構(gòu)造措施中有關(guān)節(jié)點部位的設(shè)計，考慮引入“抗開裂性能”概念，就此來比較節(jié)點偏心對梁與柱連接節(jié)點性能的影響。在地震區(qū)，規(guī)范規(guī)定構(gòu)件連接節(jié)點不宜采取偏心過大的梁、柱連接形式，并且連接節(jié)點的實際承載力不得低于與節(jié)點所連構(gòu)件的極限承載能力。

3.4 PKPM電算軟件的理解和應(yīng)用

目前，PKPM系列建筑結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)軟件在工程設(shè)計方面得到了廣泛的應(yīng)用，這要求學(xué)生能靈活應(yīng)用該軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其是電算模型的建立。采用三維有限元SATWE軟件進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)的空間分析計算充分模擬建筑結(jié)構(gòu)的破壞形式，建立多個與實際結(jié)構(gòu)體系相符合的力學(xué)計算模型。以進(jìn)行地下室電算為例，該部分的力學(xué)計算模型有:1)考慮將地下室作為地上第一層，并與上部結(jié)構(gòu)一起建模成為一個整體;2)直接將上部結(jié)構(gòu)與地下室建成為一個整體模型。上述兩種力學(xué)計算模型各有優(yōu)勢，可以相互補充，能較為真實反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。

值得說明的是，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計效果的好壞不是軟件分析的多少，而應(yīng)重視工程結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計。近年來，很多高校強調(diào)計算機應(yīng)用教育，比如要求畢業(yè)設(shè)計全部用工程設(shè)計軟件計算和計算機出圖。卻忽略計算機設(shè)計過程存在一定的屏蔽效應(yīng)，因而也消弱了學(xué)生手算過程的實訓(xùn)程度，造成學(xué)生過度依賴計算分析，致使學(xué)生綜合運用能力普遍下降，對于工程結(jié)構(gòu)體系則是概念模糊。這些與教育部目標(biāo)培養(yǎng)具有創(chuàng)造力的工程師是極為不符的。

4 實踐指導(dǎo)的成效

筆者參與指導(dǎo)的土木工程專業(yè)(土木06，07和08級)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計教學(xué)實踐環(huán)節(jié)，取得了一定的成效，主要有以下幾點:

1)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計成果更為合理，學(xué)生在設(shè)計過程中考慮問題可以更加全面，設(shè)計思路、概念設(shè)計也更為清晰，具備了一定的工程抗震概念設(shè)計理念。

2)學(xué)生的畢業(yè)答辯結(jié)果顯示，學(xué)生能較好地回答有關(guān)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的工程問題，進(jìn)一步將各部分知識系統(tǒng)化。

3)通過畢業(yè)設(shè)計的實踐環(huán)節(jié)，有效地完善了學(xué)生的知識體系，提高了學(xué)生對工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)分析與評價的能力。

隨著人們生活水平的不斷提高和社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計也將提出更高的要求和目標(biāo)，尤其是工程結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計。全面提升土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計的質(zhì)量，鍛煉畢業(yè)生的實踐能力和培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)既是一個系統(tǒng)工程，又是一項長期任務(wù)，這需要工程界和教育界不斷開拓思路，有針對性地制定并實施可行的措施，才能在提高畢業(yè)設(shè)計質(zhì)量上起到實效，并為社會培養(yǎng)出高質(zhì)量的土木工程專業(yè)人才。

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[6] GB 50223-2008，建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)[S].