《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》課程實踐教學(xué)探討

郭曉云 巴文輝

摘要：針對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程的特點，提出通過采用演示實驗、模型展示、震害實踐等實踐教學(xué)方式來達(dá)到提高教學(xué)效果的目標(biāo)，列舉筆者教學(xué)方法并介紹了課程實踐教學(xué)所依托的“災(zāi)害仿真模擬實驗室”及其在課程教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計；實踐教學(xué)；模型演示；災(zāi)害仿真

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）23-0160-02

地震災(zāi)害是群災(zāi)之首，在地震災(zāi)害中，建筑結(jié)構(gòu)的破壞是造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的主要因素，因此，有效的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是減輕地震災(zāi)害的主要手段。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是為了提高工程結(jié)構(gòu)的抗震能力而進(jìn)行的專項結(jié)構(gòu)設(shè)計，對于土木工程專業(yè)的學(xué)生，通過開設(shè)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程，使學(xué)生了解結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本理論、基本概念和不同結(jié)構(gòu)形式建筑物的主要抗震措施，這可以讓土木工程從業(yè)人員具有較高的抗震防災(zāi)意識，對于提高我國建筑的抗震能力十分必要。目前，國內(nèi)外大部分高校都將建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計作為土木工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課，并十分重視該課程的建設(shè)。

一、建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程特點

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程是一門理論聯(lián)系實踐的工程類課程，綜合性較強(qiáng)，涉及的知識面比較廣。該課程的先修課程是結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)、房屋建筑學(xué)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)等，課程內(nèi)容與現(xiàn)行的《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》以及其他結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范密切相關(guān)，是工作中應(yīng)用最多、最廣的專業(yè)知識。但是，由于當(dāng)前高等學(xué)校人才培養(yǎng)模式改革的要求，人才培養(yǎng)方案中的理論課學(xué)時一再縮減，大多數(shù)學(xué)?！督ㄖY(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》課程的學(xué)時設(shè)置都比較少，課程學(xué)分一般為2～2.5，學(xué)時從24到40不等，有限的學(xué)時設(shè)置往往使老師無法全面介紹不同結(jié)構(gòu)形式建筑物抗震設(shè)計的具體做法。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程主要從抗震概念設(shè)計、抗震計算和抗震措施三方面系統(tǒng)闡述建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程中的主要做法及其依據(jù)的基本理論。結(jié)構(gòu)抗震計算的理論基礎(chǔ)為結(jié)構(gòu)力學(xué)及結(jié)構(gòu)動力學(xué)的基本原理，其中單自由度體系的地震反應(yīng)求解涉及到微分方程的求解，難度大，學(xué)生理解起來較困難?？拐鸶拍钤O(shè)計的內(nèi)容要求從宏觀上把握建筑結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系受力特點、結(jié)構(gòu)延性的概念、結(jié)構(gòu)體型的規(guī)則性等方面的要求，由于在校大學(xué)生一般沒有實際結(jié)構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，在課程學(xué)習(xí)過程中學(xué)生不容易全面掌握概念設(shè)計的要求。抗震構(gòu)造措施的內(nèi)容細(xì)致繁雜，大部分為《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定內(nèi)容，學(xué)生不容易記憶掌握。由于該課程具有內(nèi)容多、難度大、課時少的特點，課堂講授的教學(xué)效果較差，學(xué)生對課程學(xué)習(xí)缺乏興趣。針對這種情況，筆者在教學(xué)實踐中一直探索提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的方法，發(fā)現(xiàn)將演示實驗與建筑震害實例融入到理論教學(xué)的方法效果較好。實驗?zāi)Ｐ偷膭討B(tài)演示往往能夠吸引絕大部分學(xué)生的注意力，學(xué)生通過對實驗?zāi)Ｐ偷挠H自動手操作，可以較深刻地理解基本概念，可以將抽象的理論分析與結(jié)構(gòu)模型的實際振動反應(yīng)結(jié)合起來，取得較好的學(xué)習(xí)效果。建筑實際震害的圖片和錄像可以使學(xué)生深刻地感受到建筑結(jié)構(gòu)在地震中的破壞帶給人類的傷痛，熟悉各種不同形式的建筑物在實際地震中容易發(fā)生破壞的薄弱環(huán)節(jié)，這種多媒體的展示往往具有震撼人心的效果，引起學(xué)生對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重視。

二、課堂演示實驗舉例

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程中有一個非常重要的概念叫做地震反應(yīng)譜，地震反應(yīng)譜概念對于學(xué)生理解并掌握建筑結(jié)構(gòu)抗震計算的基本理論十分必要。然而，地震反應(yīng)譜的計算涉及到單自由度體系地震反應(yīng)分析的微分方程求解，直接從理論的角度講解地震反應(yīng)譜的概念學(xué)生理解起來十分困難。筆者曾經(jīng)嘗試采用反應(yīng)譜計算模型圖片和動畫的形式展示地震反應(yīng)譜的含義，效果都不夠理想。后來，筆者先后用竹片材料、彈性鋼片和鋼珠制作了一排固定木板上的逐漸增高單質(zhì)點彈性體系模型，并在課堂上采用手動輸入振動的形式隨機(jī)演示，同學(xué)們可以觀察到不同自振周期的單質(zhì)點彈性體系的不同反應(yīng)，不同的學(xué)生可以親自拿著模型隨機(jī)振動并觀察振動頻率不同時模型質(zhì)點反應(yīng)的不同情況，課堂氣氛十分活躍。學(xué)生在親自體驗中深刻體會到了隨著振動輸入的變化單質(zhì)點彈性體系反應(yīng)的不同變化，更容易理解地震反應(yīng)譜能夠反映輸入地震動頻譜特性的關(guān)鍵知識。筆者還使用鋼板和彈性鋼片制作了單榀剪切型框架模型，用于課堂演示框架結(jié)構(gòu)層間變形以剪切型變形為主的知識點。另外筆者利用土木工程模型實驗室的多個鋼筋混凝土構(gòu)件配筋模型在課堂上向同學(xué)們講解鋼筋混凝土抗震構(gòu)造措施的具體內(nèi)容。課堂模型動態(tài)演示及靜態(tài)模型展示的教學(xué)方法極大地調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對于提高教學(xué)效果作用明顯。

三、建筑實際震害貫穿課程始終

實際震害的考察與震害經(jīng)驗的總結(jié)在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的發(fā)展過程中起著非常重要的作用，總結(jié)工程設(shè)施在地震環(huán)境下保持安全的成功經(jīng)驗、吸取工程設(shè)施遭受震害的經(jīng)驗教訓(xùn)，是結(jié)構(gòu)抗震研究的基本途徑。迄今為止的抗震設(shè)計基本上仍是經(jīng)驗行為，抗震概念設(shè)計原則和行之有效的抗震措施都是長期經(jīng)驗的總結(jié)。因此，將實際建筑震害的展示、觀察、思考和總結(jié)貫穿到建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程的教學(xué)中，既生動形象，又客觀地向?qū)W生展示了結(jié)構(gòu)抗震研究的基本途徑，是十分有效的方法。讓學(xué)生能夠親眼看到建筑物震害、親身體驗建筑物震害當(dāng)然是最好的方法，目前汶川地震中北川老縣城的實際建筑震害保存的比較完整，我校土木工程專業(yè)的學(xué)生利用暑假實踐有機(jī)會到北川地震遺址親身體驗建筑實際震害，在專業(yè)教師的帶領(lǐng)下，學(xué)生在北川地震遺址對震害遺址工程中典型的砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的實際震害都有了十分深刻的印象，并且可以通過對比遺址中未倒塌的建筑物與局部倒塌的建筑物之間設(shè)計的差別深刻領(lǐng)會建筑結(jié)構(gòu)可以通過合理的設(shè)計實現(xiàn)大震不倒的概念。

在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程的教學(xué)過程中，筆者主要采用將建筑實際震害的圖片展示和建筑模型振動臺試驗過程錄像的形式使學(xué)生親眼看到建筑震害，建筑實際震害圖片的展示貫穿課程緒論和各種結(jié)構(gòu)形式建筑物的抗震概念設(shè)計和抗震措施的始終。在緒論中，根據(jù)震害原因的不同將震害分為靜力破壞和動力破壞兩種，分類歸納不同結(jié)構(gòu)的震害照片進(jìn)行展示，期間穿插著思考提問。在各種結(jié)構(gòu)形式建筑物抗震設(shè)計中，往往是幾張震害照片跟著一條或幾條抗震措施，因為抗震措施是從實際震害經(jīng)驗中總結(jié)出來的，這樣的銜接使學(xué)生更容易理解為什么要采取這樣的抗震措施并記住抗震措施的具體內(nèi)容。

四、災(zāi)害仿真模擬實驗室在課程教學(xué)中的應(yīng)用

我校土木工程專業(yè)定位中突出防震減災(zāi)的特色，為了更好地進(jìn)行防災(zāi)減災(zāi)領(lǐng)域的教學(xué)，我校建成了災(zāi)害仿真模擬實驗室。該實驗室的建設(shè)是為了通過形象地演示，再現(xiàn)災(zāi)害的發(fā)生過程并探究災(zāi)害的成災(zāi)機(jī)理。該實驗室主要分為五個部分，第一部分為圖片展示部分，主要展示各類災(zāi)害（包括地震、火山、滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害）的機(jī)理及其表現(xiàn)形式；第二部分為動態(tài)展示部分，主要通過展示振動對結(jié)構(gòu)和場地產(chǎn)生的震害現(xiàn)象及震害機(jī)理；第三部分為模型展示部分，主要展示不同結(jié)構(gòu)形式建筑物的構(gòu)造、震害特點及抗震性能；第四部分為滑坡泥石流試驗場，主要模擬不同傾角、不同降雨量作用下滑坡過程；第五部分是地震監(jiān)測儀器博物館，收藏了各階段的地震監(jiān)測儀器。災(zāi)害仿真模擬實驗室為建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程提供了豐富的實踐教學(xué)內(nèi)容，其中應(yīng)用于課程的主要為動態(tài)展示部分中的砂土液化演示系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)振動模態(tài)演示系統(tǒng)、共振演示系統(tǒng)和隔震結(jié)構(gòu)演示系統(tǒng)。砂土液化演示系統(tǒng)的設(shè)計從砂土液化原理、常見震害表現(xiàn)、模型液化現(xiàn)象和抗液化處理措施等方面出發(fā)，讓學(xué)生對砂土液化建立起從理論到現(xiàn)象再到工程應(yīng)用的知識，加深學(xué)生學(xué)習(xí)、開拓學(xué)生認(rèn)識并指導(dǎo)以后的工程實踐基礎(chǔ)。系統(tǒng)設(shè)計兩個砂箱，左側(cè)砂箱內(nèi)是不飽和沙土，右側(cè)砂箱內(nèi)是松散飽和粉細(xì)砂，兩個砂箱固定于一個小振動臺，通過兩個砂箱的同時振動表現(xiàn)出來的不同現(xiàn)象，可以讓同學(xué)們深刻地理解地震中砂土液化的產(chǎn)生條件是松散、飽和、粉細(xì)砂，通過砂土液化的演示還可以使同學(xué)們形象地觀察到砂土液化過程中的滲流、冒水、建筑沉陷等現(xiàn)象。結(jié)構(gòu)振動模態(tài)演示系統(tǒng)可以使學(xué)生了解結(jié)構(gòu)振動測試系統(tǒng)的基本組成、儀器設(shè)備的基本原理。使學(xué)生深刻理解結(jié)構(gòu)的動力特性，掌握結(jié)構(gòu)模態(tài)的測試方法。學(xué)生通過親自參與試驗環(huán)節(jié)，鍛煉動手能力，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識和解決實際問題的能力；培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生在理論聯(lián)系實際的同時獲得工程師基本技能訓(xùn)練的機(jī)會。共振演示系統(tǒng)通過演示模型表現(xiàn)共振對建筑結(jié)構(gòu)相應(yīng)的影響，共振的概念早就滲透到結(jié)構(gòu)概念設(shè)計環(huán)節(jié)，在歷次震害的深刻教訓(xùn)中，抗震概念設(shè)計逐漸被提出并日趨完善。概念設(shè)計即通過合理選取場地、抗震結(jié)構(gòu)體系，合理規(guī)劃建筑布置等舉措從總體設(shè)計方案上提高建筑物的抗震能力。作為抗震設(shè)計的重要參數(shù)，建筑物的自振周期與場地卓越周期的關(guān)系成為概念設(shè)計的一項重要內(nèi)容，概念設(shè)計中明確指出“結(jié)構(gòu)的自振周期應(yīng)盡量避開場地卓越周期，以免發(fā)生共振而加重震害”。隔震演示系統(tǒng)設(shè)置一套實體隔震支座的剖切模型及一套隔震演示裝置，演示裝置中對比模型用來反映常規(guī)建筑和隔震建筑的抗震差異，數(shù)據(jù)采集設(shè)備的設(shè)置可以量化展示兩種不同抗震體系的動力響應(yīng)。輔以展板資料和視頻資料以展示隔震基本原理及隔震技術(shù)在工程中的運用方式，讓學(xué)生直觀地認(rèn)識和了解隔震技術(shù)，豐富實驗教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生對土木工程學(xué)科的興趣。

通過課堂演示實驗、構(gòu)建構(gòu)造模型展示、建筑實際震害圖片展示及災(zāi)害仿真模擬實驗室的仿真實驗在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程教學(xué)中的應(yīng)用，在不增加課程理論授課學(xué)時的基礎(chǔ)上，增加了實踐教學(xué)的內(nèi)容，大大改善了該課程的教學(xué)效果。通過該課程生動的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，我校土木工程專業(yè)的學(xué)生對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計都有很高的重視，結(jié)構(gòu)抗震防災(zāi)的意識深入學(xué)生內(nèi)心。