對建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)的思考

任曉崧　郭雪峰　周球尚

摘要：建筑結(jié)構(gòu)抗震是一門土木工程專業(yè)學(xué)生的必修專業(yè)課，該課程涉及內(nèi)容多，學(xué)習(xí)難度大。搞好課程教學(xué)的關(guān)鍵是激發(fā)學(xué)生熱情和培養(yǎng)學(xué)生興趣。在課程教學(xué)實踐中，逐漸形成以反應(yīng)譜理論、概念設(shè)計為主線的教學(xué)理念，并突出結(jié)構(gòu)變形能力的重要性。本文結(jié)合課堂教學(xué)情況和學(xué)生反饋信息，從地震震害特點、抗震設(shè)防原則、地震作用計算和概念設(shè)計及構(gòu)造措施等四個方面對課程教學(xué)要點進行討論。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)抗震；變形能力；課程教學(xué)；教學(xué)研究

中圖分類號：G6420；TU3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：

10052909（2015）04005504

在中國經(jīng)濟高速發(fā)展且越來越受全世界矚目的大背景下，中國工程教育在高等教育中的地位也變得日益重要，一方面中國工程教育按照傳統(tǒng)教育模式為社會輸送了大量的工程技術(shù)人員，對繁榮中國經(jīng)濟起到了重要作用，另一方面是如何盡快適應(yīng)未來中國經(jīng)濟轉(zhuǎn)型需求培養(yǎng)高端實用的工程技術(shù)人才[1-2]。土木工程專業(yè)屬于傳統(tǒng)工程教育范疇，按照市場需求和工程實踐從內(nèi)容設(shè)置、教學(xué)設(shè)置等多方面進行相關(guān)課程的教學(xué)改革顯得十分必要[3-5]。

“建筑結(jié)構(gòu)抗震”是同濟大學(xué)土木工程學(xué)院土木工程專業(yè)本科學(xué)生的必修專業(yè)課，也是國家和上海市的精品課程，國家精品資源共享課程。該課程涉及力學(xué)類課程、結(jié)構(gòu)類課程等內(nèi)容，還和現(xiàn)行的各種結(jié)構(gòu)規(guī)范、規(guī)程密切相關(guān)，學(xué)習(xí)內(nèi)容多，難度大。筆者在長期承擔(dān)該課程教學(xué)過程中，根據(jù)土木專業(yè)學(xué)生的理性思維能力和計算機應(yīng)用能力強的特點，在教學(xué)過程中強調(diào)基本概念、基本理論、基本措施等內(nèi)容，利用學(xué)生助教的橋梁加強課程學(xué)習(xí)情況的反饋，力求在精品課程建設(shè)有所突破[6]。

一、從震害認(rèn)識地震及地震作用的特點

近年抗震問題備受關(guān)注和頻發(fā)強烈地震所造成的嚴(yán)重震害相關(guān)。什么是地震？地震作用有何特點？地震是如何引起結(jié)構(gòu)破壞的？這些是課程教學(xué)的要點。

從字面解釋，地震就是地面的振動，和雨、雪、雷、雹等類似，是一種自然現(xiàn)象。全世界每年發(fā)生的地震約達(dá)500萬次，其中絕大多數(shù)地震由于發(fā)生在地球深處，或者它所釋放的能量小以致人們難以感覺到。人們能感覺到的地震，即有感地震，占地震總數(shù)的1%左右，美國地質(zhì)調(diào)查局在其網(wǎng)站給出了世界范圍內(nèi)過去24小時所發(fā)生的2.5級以上的地震情況和30天內(nèi)強烈地震發(fā)生情況（http：//www.usgs.gov/），也匯總了1977年至今強烈地震的相關(guān)資料等。中國

國家地震局提供了2001年起中國地區(qū)發(fā)生5級以上地震和世界范圍發(fā)生7級以上地震的情況（http：//www.cea.gov.cn/）。這樣便于學(xué)生查詢網(wǎng)站，了解更多更新的地震知識，并從中認(rèn)識到對結(jié)構(gòu)有影響的強烈地震作用具有短時偶然性。地震的發(fā)生提供了檢驗結(jié)構(gòu)的真實抗震性能的機會，課程教學(xué)的第一堂課從收集到的震害資料開始，引導(dǎo)學(xué)生對地震作用有直觀的認(rèn)識。如圖1（a）照片是汶川地震的砌體結(jié)構(gòu)典型震害資料， X形裂縫為水平地震作用下的最大主應(yīng)力超過強度以后的剪切破壞形態(tài)，說明是受水平向反復(fù)地震作用的影響；從圖1（b）照片可見，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生很大的水平變形，引起了嚴(yán)重的震害。地震是以地面加速度進而以慣性力的往復(fù)方式作用在結(jié)構(gòu)上，一般情況下地震作用是以水平向為主，也有豎向的。

圖1 結(jié)構(gòu)震害圖片

隨后布置開放式作業(yè)，要求學(xué)生自己動手收集有關(guān)震害資料，并對地震成災(zāi)原因、提高房屋抗震能力等加以討論分析。從作業(yè)反饋情況來看，學(xué)生對地震作用的慣性力特點、導(dǎo)致結(jié)構(gòu)震害的結(jié)構(gòu)強度和變形原因及其據(jù)此所提出的抗震措施有較深的認(rèn)識。教師結(jié)合學(xué)生作業(yè)中所提交的震害圖片資料進行課堂講解，重點放在地震烈度這個概念上，即要合理評價某地區(qū)歷史上多次地震的結(jié)構(gòu)震害情況，從而確定其抗震設(shè)防烈度，這才是工程抗震所關(guān)心的重點，而不僅僅關(guān)注某次強烈地震的震級或能量釋放水平。

二、對“小震不壞、大震不倒”抗震設(shè)防目標(biāo)的理解

“小震不壞、大震不倒”是重要的抗震設(shè)防原則，學(xué)生一般都能掌握，但是理解程度的差異較大，應(yīng)在教學(xué)過程中重點關(guān)注。

第一，對烈度和設(shè)防烈度的理解。地震烈度是表示某區(qū)域地面和各種建筑物受到一次地震影響的平均強弱程度的一個指標(biāo)，反映了一次地震中某地區(qū)內(nèi)地震動多種因素綜合強度的總平均水平。一次地震震級只有一個，但不同地區(qū)的烈度是不一樣的。一般情況下，烈度隨震中距加大而減小，而設(shè)防烈度是為了適應(yīng)抗震設(shè)防要求而提出的一個基本概念。通過對歷史上地震影響的綜合分析，采用概率方法預(yù)測某地區(qū)在未來一定時間內(nèi)可能發(fā)生的最大地震影響，作為衡量建筑抗震設(shè)防要求的尺度，設(shè)防烈度是指按國家規(guī)定的權(quán)限批準(zhǔn)的。

第二，關(guān)于地震作用“大”與“小”的相對意義。地震作用的分布符合極值III型，特點是假設(shè)最大的地震烈度是有上限的，這也符合一般的工程常識。根據(jù)50年超越概率10%確定設(shè)防烈度，或者設(shè)計用的中震水平，據(jù)此可以推出一年的發(fā)生概率為0.21%，即其發(fā)生的重現(xiàn)期為475年；相應(yīng)的按照50年超越概率2%-3%及63.2%確定本地區(qū)的大震及小震水平，相應(yīng)的重現(xiàn)期分別是2 400-1 600年及50年，可見小震的重現(xiàn)期是與房屋的設(shè)計年限基本一致的。

學(xué)生容易產(chǎn)生疑惑的是，中國規(guī)定的是設(shè)防烈度，即中震，卻要區(qū)分大震與小震進行兩階段的設(shè)防，地震作用與其他的結(jié)構(gòu)荷載采用了不同的考慮方式。小震的重現(xiàn)期為50年，地震作用在設(shè)計使用期內(nèi)發(fā)生頻度大，要求結(jié)構(gòu)處于彈性階段，以此進行強度、變形驗算，因而是合理的；大震的重現(xiàn)期較長，但其作用強烈，結(jié)構(gòu)一般都進入塑性，如何避免房屋倒塌從而減少人員傷亡至關(guān)重要，這強調(diào)的是結(jié)構(gòu)應(yīng)有良好的變形能力，通過結(jié)構(gòu)延性來耗散地震作用?？梢杂靡粋€簡單的層間剪力—位移示意圖加以說明（如圖2），1-2-3 為彈塑性模型，1-2-4為彈性模型；點1、2和3分別表示小震設(shè)計狀態(tài)、屈服狀態(tài)和極限狀態(tài)，點4表示彈性結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，可用點1乘以真實地震作用和設(shè)計地震作用之比確定，對于7度地震作用，可取6.3；點3和點2的位移比定義為延性系數(shù)，假設(shè)圖中的陰影部分面積相等，結(jié)構(gòu)延性系數(shù)達(dá)到3.0即可滿足大震結(jié)構(gòu)不倒的需求，較單純增加結(jié)構(gòu)的彈性抗震能力要合理，也易于實施。

三、對地震作用反應(yīng)譜理論的認(rèn)識

地震作用實質(zhì)上反映了慣性力的影響，抗震分析應(yīng)該是動力分析問題。到目前為止抗震分析理論仍以反應(yīng)譜理論為主，即將動力響應(yīng)轉(zhuǎn)為等效的靜力作用加以考慮，如何理解其實質(zhì)？這無疑是課程理論部分教學(xué)的重點。從基本概念來說，地震反應(yīng)譜指的是單自由度體系在地震地面加速度作用下的結(jié)構(gòu)最大彈性響應(yīng)與體系自振周期之間的曲線，經(jīng)過統(tǒng)計、擬合并進行調(diào)整處理后，確定一條適合該建筑場地的標(biāo)準(zhǔn)加速度反應(yīng)譜曲線，乘以質(zhì)量就可以得到等效的地震作用，這應(yīng)用了牛頓第二定律的物理概念。峰值調(diào)整后的EI Centro及Taft地震記錄、相應(yīng)的反應(yīng)譜和規(guī)范所采用的設(shè)計反應(yīng)譜如圖3所示，可見反應(yīng)譜是和結(jié)構(gòu)動力特性、地面地震的特性相關(guān)的，轉(zhuǎn)為設(shè)計反應(yīng)譜，即地震影響系數(shù)與自振周期之間的曲線關(guān)系后，還和結(jié)構(gòu)阻尼比、場地的卓越周期有關(guān)。盡管無法考慮地震動持續(xù)時間對結(jié)構(gòu)的影響而存在一定的缺陷，但反應(yīng)譜理論能緊緊抓住結(jié)構(gòu)抗震中的主要問題，即關(guān)注地震作用下的最大響應(yīng)，多年的工程實踐也驗證了這種相對簡便的方法具有足夠的工程精度，也是至今仍為抗震分析主要方法的根本原因。

絕大多數(shù)工程屬于多自由度體系，需要將多自由度體系解耦成多個單自由度，再應(yīng)用反應(yīng)譜理論進行分析，利用振型組合法則組合成原結(jié)構(gòu)的最大結(jié)構(gòu)響應(yīng)。需要強調(diào)兩點：一是振型的意義，簡單的說就是振動的形狀，由于各振型具有關(guān)于剛度、質(zhì)量的正交性，振型可以描述成為振動的廣義坐標(biāo)，將原來耦聯(lián)的多自由度體系解耦成多個單自由度體系；二是采用振型組合法則必須考慮各振型之間的耦聯(lián)影響，對平動情況一般可以不考慮，用的最多的是平方和開平方的方法，也就是將各振型的最大響應(yīng)平方后求和再開方，從而得到原結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)。

反應(yīng)譜理論也被稱為準(zhǔn)動力分析理論，從學(xué)生作業(yè)、考卷等對此問題理解的反饋情況可見，學(xué)生對將動力響應(yīng)轉(zhuǎn)為等效的靜力作用的思路需要在課堂教學(xué)中反復(fù)強調(diào)，其中還需要區(qū)別結(jié)構(gòu)不同阻尼比、不同場地即卓越周期的影響，即對設(shè)計反應(yīng)譜進行修正的必要性。另外，學(xué)生容易忽略底部剪力法適用條件的物理意義，即地震響應(yīng)以第一振型為主，且第一振型基本呈直線，同時對頂層的附加地震作用、屋頂小突出物的鞭梢效應(yīng)等容易疏忽，可以通過多次作業(yè)并加以講解的方式幫助學(xué)生加深印象。此外，課程教學(xué)中一般會安排一次海外學(xué)者的公共講座，涉及速度和位移譜反應(yīng)譜理論的進展、時程分析法的應(yīng)用等，學(xué)生通過查閱參考資料結(jié)合講座內(nèi)容提交讀書報告，可以對地震反應(yīng)譜理論、時程分析在結(jié)構(gòu)分析，尤其是高層和超高層建筑中的應(yīng)用有較全面的認(rèn)識。對科研有興趣的學(xué)生，可以更快了解最新科研動態(tài)。

四、對概念設(shè)計、構(gòu)造措施的認(rèn)識

地震作用是由于地面運動引起的結(jié)構(gòu)反應(yīng)而產(chǎn)生的慣性力，其作用點在結(jié)構(gòu)的質(zhì)量中心?？拐鹪O(shè)計包括概念設(shè)計、強度驗算和構(gòu)造措施等三個主要方面。土木工程專業(yè)學(xué)生一般多擅長計算分析，更容易關(guān)注強度驗算。強調(diào)抗震概念設(shè)計、構(gòu)造措施，重視工程實踐經(jīng)驗的總結(jié)，旨在有效提高結(jié)構(gòu)的變形能力。

抗震結(jié)構(gòu)體系要求受力明確、傳力途徑合理且傳力路線不間斷，具備必要的抗震承載力、良好的變形能力和消耗地震能量的能力，避免因部分結(jié)構(gòu)或構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震能力或?qū)χ亓奢d的承載能力。首先，應(yīng)根據(jù)抗震概念設(shè)計的要求明確建筑形體的規(guī)則性，即建筑平面形狀和立面、豎向剖面的變化不宜過大，這包含了對建筑的平、立面外形尺寸，抗側(cè)力構(gòu)件布置、質(zhì)量分布，直至承載力分布等諸多因素的綜合要求，規(guī)則性體現(xiàn)在平立面、豎向剖面或抗側(cè)力體系上，沒有明顯的、實質(zhì)的不連續(xù)或突變，其抗側(cè)力構(gòu)件的平面布置宜規(guī)則對稱、側(cè)向剛度沿豎向宜均勻變化、豎向抗側(cè)力構(gòu)件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小、避免側(cè)向剛度和承載力突變。其次，加強整體性要求、設(shè)立多道防線對結(jié)構(gòu)在強震下的安全是很重要的。這包含了兩個層面的意義，一是整個抗震結(jié)構(gòu)體系由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件連接起來協(xié)同工作；二是抗震結(jié)構(gòu)體系具有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部贅余度，保證結(jié)構(gòu)體系在部分構(gòu)件失效后不致變成可變機構(gòu)。

為加深理解，可布置關(guān)于鋼筋混凝土及砌體結(jié)構(gòu)概念設(shè)計、構(gòu)造措施的課后作業(yè)?？傮w而言，學(xué)生的理解相對比較機械，多限于對條文或文字內(nèi)容的簡單復(fù)述。在課堂教學(xué)中，需要結(jié)合震害等資料對作業(yè)進行講解，例如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)強調(diào)的強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱桿件等原則，著眼的就是提高其彈性階段的抗震能力。圖4是汶川地震中的典型震害圖片，反思圖4（a）的震害，可見提高柱抗震能力和在該樓層設(shè)置多道抗震防線的重要性，而圖4（b）反映了因柱的強度不足而產(chǎn)生的嚴(yán)重震害，可見增加柱抗剪能力、避免柱端產(chǎn)生塑性鉸的必要性。再如，砌體結(jié)構(gòu)的構(gòu)造柱、圈梁也是從震害中總結(jié)出來的構(gòu)造措施，構(gòu)造柱、圈梁要求現(xiàn)澆、閉合，可以對砌體墻片產(chǎn)生約束作用，從而增加結(jié)構(gòu)整體性，同時也可以提高墻片的往復(fù)變形能力，是除小震強度驗算外的重要抗震概念，出發(fā)點也是增加抗倒塌能力。

五、結(jié)語

課程教學(xué)是教和學(xué)的結(jié)合。在建筑結(jié)構(gòu)抗震課程教學(xué)實踐中，引入直觀的教學(xué)資料，重視依據(jù)學(xué)生的反饋改進課堂教學(xué)方法，著眼于從結(jié)構(gòu)的變形能力理解地震的破壞作用和抗震設(shè)計要素。本文從地震震害特點、抗震設(shè)防原則、地震作用計算和概念設(shè)計及構(gòu)造措施等四個方面對課程的教學(xué)要點進行了討論，旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情、培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣中取得理想的教學(xué)效果。

圖4 典型震害照片

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