建筑結構抗震設計課程教學探討★

王 濤 孟麗巖

(黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

?

建筑結構抗震設計課程教學探討★

王 濤 孟麗巖

(黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江 哈爾濱 150022)

介紹了建筑結構抗震設計課程的重要性，從地震作用、結構材料、結構地震反應分析等方面，總結了在建筑結構抗震設計課程教學與科研工作中的一些感悟，旨在培養(yǎng)學生的結構設計創(chuàng)新能力。

結構抗震設計，地震作用，建筑材料，結構體系

0 引言

土木工程的英文為Civil Engineering，含義為民用工程，與軍事工程相對而言；土木工程的中文含義是采用土和木等材料建造的工程結構，為滿足人類的生存和改造自然的生產活動以及能夠為更幸福的生活提供場所。其中，保護人類生存是土木工程的初衷。地震災害是一種最為常見的自然災害，災害是事物發(fā)展過程中的一種極端表現(xiàn)，毫不夸張地講地震災害是目前威脅人類生存的最嚴重的災害，可謂群災之首。近年來我國地震災害頻發(fā)，地震災害歸根到底是土木工程災害，地震中建筑物的倒塌是人員傷亡最直接的原因。生命是無價的，要能確保滿足人類追求幸福生活的同時，更要能夠保證在極端作用下人的生命存在，這是土木工程不可逃避的責任。結構抗震就是通過合理的結構設計來抵抗未來可能的地震作用，是目前最為有效減輕地震災害的手段。近些年地震災害讓我們不得不更深層次來思考結構抗震的內涵。結構抗震可以理解為是采用不能被徹底認知的材料，建造出不能被精確分析的結構，來抵御無法準確預測的地震作用。

目前建筑科技發(fā)展日新月異，各種結構體系層出不窮，新型建筑材料也日益豐富，先進的施工技術有能力將建筑師的奇思妙想成為現(xiàn)實。當我們在為科技的力量歡欣雀躍時，然而客觀地講，在大自然面前尤其是在減小地震災害方面，目前我們依然還是一名小學生。土木工程的發(fā)展在為滿足人們的各種需要和欲望的同時，卻常常不能實現(xiàn)土木工程的初衷，即保證人在自然界中的生命安全。這是土木工程所面對的尷尬與無奈，更是土木工程人的責任與挑戰(zhàn)。

結構抗震就是為了提高建筑結構在地震中安全性的學科。結構抗震設計理論方面的課程就是一門基于現(xiàn)行結構抗震設計規(guī)范的土木工程專業(yè)課[1-3]，擔負著對目前抗震研究領域相對成熟的設計理論和設計方法的傳播功能，也擔負著使土木工程專業(yè)的學生成為有思想、有知識、有能力、有擔當的未來土木工程師和結構抗震領域科研人員的培養(yǎng)功能。結構抗震課程知識點多，理論性強、涉及學科門類廣，這對授課教師的教學能力和學生的學習能力都有很高的要求[4，5]。要從本質上提高教學效果，就需從更高的視角來審視這門課程的內涵和外延，讓學生能夠知其然也要知其所以然，以增強學生學習興趣和培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力。文章從深層次理解結構抗震所遇到的困難，并思考結構抗震目前所存在的問題。筆者十余年來一直從事土木工程專業(yè)本科生和研究生的結構抗震課程的教學工作和結構抗震領域的科研工作。下面分別從地震作用、結構材料、結構體系、結構地震反應分析、結構抗震設計等方面來談談自己在科研和教學過程中對結構抗震所積累的一些感悟，探討結構抗震中的科學思維方法，與同仁們分享、討論。

1 無法準確預測的地震作用

結構抗震如同要打一場戰(zhàn)爭一樣，要想取得戰(zhàn)爭的勝利，需要知己知彼，才能百戰(zhàn)不殆。結構抗震這場戰(zhàn)爭的敵人就是地震作用。然而，我們對地震作用的了解遠不及軍事戰(zhàn)爭中對敵人的認知程度。人們對地震作用的認識經歷了漫長的歲月，直到現(xiàn)在我們也沒有能力真正準確地計算出結構的地震作用。在地震工程學科建立之前，人們通常會把地震看成是一種超自然的力量，也就是說地震作用是不可知的，只能靜靜等待地震的到來，任憑地震的摧殘。地震作用本身具有強烈的隨機性，不僅與地震本身有關也與結構的自振特性密切相關。與其他作用相比，地震作用是一種間接作用，看不見摸不著，是一種慣性力?？梢姷卣鹱饔帽举|上是以運動形式存在，故稱為地震動。地震動的幅值、頻譜和持時是地震動最主要的特性。

20世紀初期，大森房吉、佐野利器等日本學者提出了“震度法”，建立了靜力理論，從此拉開了現(xiàn)代地震工程研究的序幕。至今百余年來，研究者們一直在苦于探索如何才能既簡便又準確地反映真實的地震作用。靜力理論形式簡單，其核心思想是假定結構是與地面嵌固的剛體，結構的水平地震作用取結構重力與地震系數的乘積，地震系數建議取0.1。在靜力理論中，剛體假定忽略了結構本身是變形體的本質，也沒有考慮結構自振特性對地震作用的影響，地震系數的取值也很難準確反映不同地震大小的影響。盡管靜力理論如此粗糙，但該理論抓住了地震動的幅值特性，這也是人們對地震作用認識過程中質的飛躍。

20世紀30年代，美國受到日本地震工程研究的影響，也開展了強地震動的觀測，并成功獲得了El Centro地震記錄。20世紀40年代，美國學者Biot和Housner等人基于實測的地震記錄提出了反應譜方法。反應譜理論在保持靜力理論基本形式的基礎上考慮了結構的自振特性，反映了地震動的頻譜特性，使抗震理論又向前邁了一大步，目前我國抗震規(guī)范的地震作用計算所采用的振型分解反應譜法和底部剪力法就是依據反應譜理論。然而，反應譜理論只說出地震動的一半問題，沒有考慮地震動持時對結構破壞的影響。

20世紀50年代，美國學者Housner提出了時程分析方法，能夠同時反映振動幅值、頻譜、持時三要素，從此結構抗震進入了動力理論階段。隨后美國學者Clough，Newmark和日本學者武藤清等人分別在結構有限元、數值積分算法和結構彈塑性理論等方面做出了巨大貢獻，使得抗震分析理論從彈性時程分析發(fā)展到彈塑性時程分析階段，并在實際工程應用中取得了顯著成績。然而，時程分析的結果又很大程度上取決于地震動記錄輸入的選擇和結構模型的精確程度。

由以上分析可見，對地震作用認識經歷了一個由簡到繁、由淺及深的過程，目前的理論成果來之不易，但仍需進一步理論探索。這并不是地震作用認知的終點，我們依然還在路上。

2 不能被徹底認知的結構材料

俗話說“巧婦難做無米之炊”，土木工程結構同樣需要建筑工程材料。傳統(tǒng)的材料有土、木、鋼材、石材、砌塊、混凝土等。在綠色建筑節(jié)能減排的號召下，建筑材料科學有了突飛猛進的發(fā)展，建筑工程有了更多的新型輕質、高強、高性能材料的選擇，也為實現(xiàn)特殊形式、特殊功能的建筑結構提供了物質保障。

鋼筋混凝土是由鋼筋和混凝土組成的復合材料，共同工作是要有可靠的粘結性的前提。混凝土本身就具有非常大的離散性，通常也是帶裂縫工作的。在地震作用下，鋼筋混凝土材料經歷彈性變形階段、開裂階段、彈塑性變形階段到逐漸喪失承載能力階段。在每一個階段中，材料的性能都會發(fā)生本質的變化，從理論上如何準確地描述這些行為也是非常具有挑戰(zhàn)性的。

受到生活習俗和當地經濟的影響，目前我國農村大部分地區(qū)采用的都是以砌體材料為主的房屋結構。然而，這一類房屋結構在地震中的破壞率和倒塌率卻是很高的。從材料的角度來講，砌體結構是由砌塊和砂漿砌筑而成，然而這兩種材料本身性能差別很大，又很大程度上受到施工質量的影響。因此，從理論上要說清楚材料在結構中的受力行為及確定破壞準則更是一件非常困難的事情。我們一般是在試驗研究的基礎上，做出一些假定，利用經典的力學來描述材料的性能，然而現(xiàn)實中的材料與經典力學中的材料有本質的差別。同時，材料在靜載下的性能與在地震作用下的性能也存在明顯差異。目前材料及構件層次的恢復力模型種類繁多，仍沒有被廣泛認同的模型和模型參數確定方法。

土木工程的發(fā)展呼喚著新型材料的出現(xiàn)，材料科學的發(fā)展又會促進土木工程學科的進一步發(fā)展，二者相輔相成，相互影響。提高對建筑材料的認知程度會大大增強結構抗震設計的可信度。

3 不能被精確分析的結構

建筑行業(yè)“節(jié)能減地”是城市發(fā)展的基本戰(zhàn)略，隨著經濟和建筑技術的飛速發(fā)展，世界各地涌現(xiàn)出一系列設計理念超前、科技含量高、使用要求高、施工難度大的重大工程。結構越來越呈現(xiàn)出“高”“大”“怪”等新特點，建筑作為凝固的音樂記錄了時代藝術的魅力和科技發(fā)展的進步，同時結構本身的復雜性也為抗震設計提出了新的更大挑戰(zhàn)。隨著建筑層數和高度的增加，地震作用對高層結構的安全性的控制則會更加顯著。為了適應不斷攀升的建筑高度，就必須提高結構的抗側移剛度，以控制結構在水平作用下的側移。結構體系也由傳統(tǒng)的框架結構(20層)、剪力墻結構(35層)以及框架—剪力墻結構(50層)逐步發(fā)展為框筒結構(55層)、筒中筒結構(65層)、束筒結構(75層)、巨型框架(90層)和大型支撐類結構體系(140層)。目前，很多超高層結構采用多種材料和結構類型的混合結構體系。

在結構抗震中要知己知彼，知己就是對我們結構自身的認識。無數次地震災害警示我們要重視結構的規(guī)則性。怪異的結構體型不僅會減弱結構的抗震能力，同時也會大大增加結構分析的難度。不是結構師要埋沒建筑師奇思妙想的靈感，而是結構師目前確實還沒有精確分析出復雜結構地震反應的能力。樓房已經建造完成了，可誰又能保證在之后的極端作用下結構是安全的。中國唐山地震、中國汶川地震以及美國“911”事件等都說明了建筑結構在抵抗極端作用能力的不足和結構倒塌后所造成人員傷亡等后果的嚴重性。

與軍事戰(zhàn)爭相比，戰(zhàn)爭勝利的標準是不同的，軍事戰(zhàn)爭可以以犧牲人的生命為代價消耗敵人、攻占城池或奪取政權，然而結構抗震這場戰(zhàn)爭是以地震中犧牲最少的人作為勝利的最低標準，若能保證在地震中結構不倒塌則是錦上添花?？梢姡陉P注結構體系發(fā)展的同時更要提升對結構體系抗震性能，尤其是結構抗倒塌性能的認知。

4 不完善的結構地震分析

結構地震反應分析是指以結構動力學為基礎，計算和分析結構在地震輸入下的結構響應，檢驗結構的抗震性能，并為抗震設計提供指導和建議。進行結構抗震分析時，首先就需要將結構系統(tǒng)簡化為力學模型，進而抽象為數學模型，計算在系統(tǒng)輸入下結構系統(tǒng)的輸出，即結構的地震反應。結構地震反應分析結果誤差主要來自于三個方面，分別是系統(tǒng)的輸入選擇的合理性、結構系統(tǒng)的簡化模型的準確性以及結構反應的計算方法的可靠性。目前我們根據場地條件和設防烈度來選擇地震記錄的輸入，但這并不能代表未來結構可能遭遇的地震動。與真實結構相比，結構模型也做了大大的簡化，忽略了很多影響因素，尤其在結構、構件、材料的恢復力模型上還很難達到共識。結構彈塑性地震反應分析主要是基于動力有限元分析方法，有限元將結構連續(xù)體在空間上進行了離散近似，逐步積分算法則是將結構反應在時域上進行了離散近似，這些近似算法的精度都會受到某些條件的限制，有時計算結果誤差較大，甚至會發(fā)散。盡管地震反應分析還存在以上問題，但這并不能否認結構抗震分析的必要性。大量的震害表明，經過抗震分析并進行抗震設計的工程結構遠比未經過抗震分析和抗震設計的工程結構優(yōu)越，這也得到了理論界和工程界的廣泛認同。

為了檢驗結構分析結果的有效性，目前可采用三種驗證手段：1)進行結構抗震試驗；2)結構地震反應監(jiān)測；3)結構震害研究。實踐是檢驗真理的唯一標準，試驗是實踐的一種近似體現(xiàn)。與航天工程、機械工程領域相比，由于土木工程結構體型龐大，幾乎不可能完成足尺結構的抗震加載試驗，因此通常采用模型結構試驗。近幾年，國際上陸續(xù)舉辦多次不同類型結構的盲測試驗，以檢驗現(xiàn)有的各種數值模擬方法。比賽結果表明參賽者采用不同軟件甚至采用同一軟件所模擬的結果相互都存在較大差異，這也說明我們目前的結構地震反應分析還要進一步的完善。由于受到模型尺寸效應和加載時間效應的影響，模型結構的抗震試驗結果能否再現(xiàn)原型結構真實的地震反應和抗震性能也是值得商榷的。由于在地震中的結構安裝監(jiān)測設備數量很少，這也大大降低了采用結構地震反應監(jiān)測檢驗地震結構分析的可行性。

結構震害可以被看作是對真實結構進行了一次最真實的足尺結構試驗，結構在地震中的表現(xiàn)是最有說服力的。所以，我們更要分外重視歷次地震中的震害，從中獲得啟示。要從震害中找到結構倒塌規(guī)律，并用來檢驗、發(fā)展現(xiàn)有的結構分析方法，改進現(xiàn)有抗震設計方法。

5 發(fā)展中的結構抗震設計

結構抗震設計是基于現(xiàn)行的抗震設計規(guī)范進行的設計工作。為滿足抗震設防目標，一個完整的抗震設計應包括三個方面，即概念設計、抗震驗算和構造措施，三者缺一不可，互為補充。自從新中國建國以后，我國陸續(xù)頒布了59，64，74/78，89，2001，2010等6版抗震設計規(guī)范。每一次的抗震規(guī)范的修訂都在吸納國內外相關學科的最新研究進展和借鑒結構最新震害的啟示?！?9版規(guī)范”明確提出了三水準抗震設防目標，“2001版規(guī)范”關注了基于性能的抗震設計，吸納了彈塑性靜力推覆分析和隔震、消能減災等抗震設計方法?！?010版規(guī)范”吸納了很多汶川地震中的震害啟示，尤其是加強了概念設計和構造措施，重視了強柱弱梁延性破壞的保障。結構抗震設計也從基于承載力的設計方法發(fā)展到基于承載力和延性的設計方法，目前正向基于性能抗震設計方法方向發(fā)展。傳統(tǒng)的抗震設計主要是依靠主體結構或構件的破壞來耗散地震能量，其核心思想是“抗”，通過增大構件截面尺寸和材料強度及用量來提高結構的抗震能力，以硬碰硬，往往為兩敗俱傷，震后結構難以修復。結構振動控制技術將控制技術與土木工程相結合，通過在結構上設置控制元件來消耗、吸收、調頻地震能量，從而降低結構的地震反應，提高結構抗震性能。根據控制中外部輸入能量的大小，振動控制可分為被動控制、主動控制、半主動控制和智能控制。雖然目前結構振動控制技術工程應用還很有限，技術本身的有效性還有待于在地震中進一步驗證，但可以將其看作為一種廣義上的抗震設計方法，這為結構抗震打開了一扇窗，使得結構抗震設計更有主動性和生命力。

6 結語

結構抗震的認識經歷了由淺入深、由表及里、循序漸進的過程，也是在理論研究和實踐中逐漸知己知彼的過程。結構抗震理論錯綜復雜，科學研究就是要逐漸認識事物本質的過程，找到事物發(fā)展的客觀規(guī)律。引導學生既要懷有感恩之心，珍惜現(xiàn)有的結構抗震的認識成果，同時也要清楚地知道現(xiàn)有的認知僅僅是現(xiàn)階段的相對真理而已，要不斷汲取結構抗震經驗和教訓。結構抗震方法和技術在不斷修正和發(fā)展，鼓勵學生要有更為開放的心態(tài)來學習這門課程，體味結構抗震中的科學思維方法。

[1] 翟長海，李 爽，徐龍軍，等.建筑結構抗震設計教學改革探索[J].高等建筑教育，2011，20(3)：88-90.

[2] 鄭妮娜，楊 溥，劉立平，等.結構抗震設計課程教學問題調研[J].高等建筑教育，2014，23(3)：75-77.

[3] GB 50011—2010，建筑抗震設計規(guī)范[S].

[4] 王 濤，孟麗巖，高紅梅，等.結構抗震設計課程模塊化課程體系的教學改革[J].山西建筑，2016，42(1)：242-243.

[5] 炎 軍，王振波.《工程結構抗震設計原理》教學改革與探討[J].攀枝花學院學報，2015,32(2)：156-157.

Discussion on seismic design of structure course teaching★

Wang Tao Meng Liyan

(SchoolofCivilEngineering,HeilongjiangUniversityofScience&Technology,Harbin150022,China)

This paper introduced the importance of building structural seismic design course, from the geological process, structural materials, structural seismic response analysis and other aspects, summarized some comprehension in building structures seismic design course teaching and scientific research work, aimed to cultivate the students’ structure design innovation ability.

structural seismic design, earthquake effect, building material, structural system

1009-6825(2016)05-0248-03

2015-12-05★:黑龍江省教育科學“十二五”規(guī)劃2013年度課題“‘3+1’人才培養(yǎng)模式下土木工程專業(yè)結構設計類課程改革的理論與實踐研究”(課題編號：GBD1213065)

王 濤(1978- )，男，博士，副教授; 孟麗巖(1977- )，女，碩士，副教授

G642.0

A