研究生結(jié)構(gòu)動力學(xué)核心課程建設(shè)探討

榮學(xué)亮 郭進(jìn) 王慧東 趙品

摘要：結(jié)構(gòu)動力學(xué)是土木工程專業(yè)研究生的一門核心課程，本文從教學(xué)目的、教學(xué)條件、教學(xué)方法等幾方面探討了如何加強(qiáng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)核心課程的建設(shè)。提出了結(jié)合課程特色和學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀，完善結(jié)構(gòu)動力學(xué)的教學(xué)計(jì)劃，緊跟“結(jié)構(gòu)動力學(xué)”領(lǐng)域的發(fā)展歷程，不斷充實(shí)授課內(nèi)容。加強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合，在課堂教學(xué)中增加討論課和專題講座，發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，豐富課下活動。使學(xué)生既能掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，又能和工程實(shí)踐聯(lián)系起來，解決工程問題。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)動力學(xué)；案例教學(xué)法；單自由度體系

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）23-0203-02

結(jié)構(gòu)動力學(xué)是一門研究結(jié)構(gòu)體系的動力特性及其在動力荷載作用下的動力反應(yīng)分析原理和方法的一門理論和技術(shù)學(xué)科。結(jié)構(gòu)動力學(xué)著重研究結(jié)構(gòu)對動力載荷的響應(yīng)，它不僅是結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)、抗爆分析以及結(jié)構(gòu)振動控制、健康監(jiān)測等課題研究的基礎(chǔ)，也是土木工程從業(yè)人員需要掌握的重要專業(yè)知識，結(jié)構(gòu)動力學(xué)已成為土木工程專業(yè)的一門重要課程。隨著超限及重要建筑的大規(guī)模建設(shè)，工程界對動力問題越來越重視，結(jié)構(gòu)動力學(xué)知識逐漸成為評價(jià)土木工程技術(shù)人員專業(yè)能力的重要指標(biāo)。筆者承擔(dān)了石家莊鐵道大學(xué)土木工程專業(yè)研究生結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程的教學(xué)工作。通過這兩年的教學(xué)經(jīng)歷，加深了對這本課程的認(rèn)識，同時(shí)在教學(xué)內(nèi)容和方法上通過研究生核心課程的建設(shè)，開展了一些教學(xué)方法改進(jìn)工作。

一、教學(xué)目的和內(nèi)容

通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟練掌握使用達(dá)朗貝爾原理、虛位移原理、勢能駐值原理、Larange方程、Hamilton原理建立單自由度體系、連續(xù)體系及多自由度體系數(shù)學(xué)模型的原理；掌握線性問題的單自由度體系、多自由度體系及連續(xù)體系的動力特性的分析方法；掌握單自由度體系、多自由度體系及連續(xù)體系在特殊激勵(lì)下的動力反應(yīng)的分析方法；了解對多自由度體系分析的數(shù)值方法，為工程結(jié)構(gòu)動力學(xué)問題的有限元分析方法準(zhǔn)備理論基礎(chǔ)。

二、教學(xué)條件建設(shè)

1.教材的使用與建設(shè)。（1）選用優(yōu)秀教材：我們選用了R.克拉夫、J.彭津主編的《結(jié)構(gòu)動力學(xué)》（第二版（修訂版））。該書是美國加利福尼亞大學(xué)（伯克利分校）研究生結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程的基本教材之一，主要介紹結(jié)構(gòu)動力學(xué)基本理論和抗震結(jié)構(gòu)計(jì)算理論，其主要特點(diǎn)是內(nèi)容新穎。該書著重于基本原理、方法的闡述，雖然作者也列舉了許多例題，當(dāng)相對來說理論性較強(qiáng)，對相對基礎(chǔ)不是太好的初學(xué)者，可能覺得稍微難懂一點(diǎn)，但是如果借助教師之力一旦入門之后，定會覺得從該書獲益良多。（2）對照其他教學(xué)參考資料與研究成果，以取長補(bǔ)短（備有6種主要參考書，并提供了相應(yīng)的電子版文本）。

2.擴(kuò)充性資料的建設(shè)與使用。課程內(nèi)容新穎。緊跟根據(jù)“結(jié)構(gòu)動力學(xué)”領(lǐng)域的發(fā)展歷程，不斷充實(shí)授課內(nèi)容，引入最新的研究成果，使學(xué)生能夠了解最前沿的研究動態(tài)。

3.實(shí)踐性教學(xué)環(huán)境。以學(xué)生為本，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。通過討論課、專題講座等環(huán)節(jié)，加深了學(xué)生對基本理論的認(rèn)識，與工程實(shí)踐聯(lián)系起來，能夠解決實(shí)際問題。

4.網(wǎng)絡(luò)型教學(xué)環(huán)境。（1）部分教學(xué)資源上網(wǎng)，包括教學(xué)大綱、教學(xué)筆記、教學(xué)日歷、習(xí)題、課件、期刊網(wǎng)上下載的學(xué)生論文等，使學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)。（2）進(jìn)行網(wǎng)上輔導(dǎo)與答疑。（3）建立qq群和微信群，使學(xué)生可以充分發(fā)表自己的學(xué)術(shù)見解。

三、教學(xué)方法與教學(xué)手段

1.教學(xué)方法。教學(xué)方法的多樣化和教學(xué)手段的現(xiàn)代化：積極采用現(xiàn)代教育方法和手段，在課程教學(xué)時(shí)理論聯(lián)系實(shí)際，教師在講授時(shí)，運(yùn)用多媒體課件、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源等現(xiàn)代化手段，將結(jié)構(gòu)動力學(xué)基本理論，制作教學(xué)圖片、錄像等多媒體課件資料，適時(shí)示范，使枯燥乏味的專業(yè)基礎(chǔ)課生動具體，提高了課堂教學(xué)效果，建立了現(xiàn)代教育方法和手段的新的教學(xué)模式。

2.實(shí)施計(jì)劃。（1）做好文獻(xiàn)資料收集和調(diào)研工作：了解結(jié)構(gòu)動力學(xué)最前沿的研究動態(tài)，對國內(nèi)其他高校土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)動力學(xué)授課內(nèi)容，教學(xué)方法、教學(xué)條件進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合本校特色和學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀，完善結(jié)構(gòu)動力學(xué)的教學(xué)計(jì)劃。（2）加強(qiáng)實(shí)踐學(xué)習(xí)，完善課堂內(nèi)容。結(jié)構(gòu)動力學(xué)是一門土木工程專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，是結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)、抗爆分析以及結(jié)構(gòu)振動控制、健康監(jiān)測等課題研究的基礎(chǔ)，為了加強(qiáng)理論與實(shí)踐的集合，在課堂教學(xué)中增加專題講座，加強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)識。（3）發(fā)揮學(xué)生主觀能動性，豐富課下活動。單自由度體系是結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程的基礎(chǔ)部分，為了加強(qiáng)學(xué)生對這部分內(nèi)容的理解，布置課下作業(yè)，由學(xué)生組成若干個(gè)小組，每個(gè)小組選擇一個(gè)知識點(diǎn)，制作成動畫形式。

四、專題講座

1.現(xiàn)場動力特性實(shí)測。結(jié)構(gòu)動力學(xué)是一門專業(yè)基礎(chǔ)理論課程，內(nèi)容煩瑣復(fù)雜，需要學(xué)生具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)、力學(xué)等方面的知識，而且抽象不具體。因此，為了調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生加深對結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程的認(rèn)識，我們在講解到單自由度體系阻尼振動時(shí)，專門進(jìn)行了一次橋梁荷載試驗(yàn)現(xiàn)場動力特性實(shí)測的專題講座。以吉林松原二莫互通四跨鋼—混凝土組合連續(xù)梁為工程實(shí)例，詳細(xì)了該橋進(jìn)行動力荷載試驗(yàn)的目的、內(nèi)容和方法。（1）動力試驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)康模簶蛄鹤哉裉匦耘c橋梁結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量及其分布有關(guān)，它能從整體上反映橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)。通過對橋梁結(jié)構(gòu)動力特性的檢測，能從整體上把握橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營狀態(tài)。（2）動力試驗(yàn)內(nèi)容：橋梁動載試驗(yàn)主要完成以下兩方面內(nèi)容：①脈動試驗(yàn)：在中跨跨中設(shè)置加速度傳感器，進(jìn)行振動信號采集，可獲得主梁的振動頻率；這些頻率可用于結(jié)構(gòu)的參數(shù)分析，進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布情況。②無障礙行車試驗(yàn)：行車狀態(tài)下，在主梁上安放拾振器，記錄結(jié)構(gòu)在不同車速下的振動響應(yīng)，可以得到車輛對結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)，并獲得最不利的行車車速。（3）試驗(yàn)結(jié)果。①脈動試驗(yàn)：采用脈動法通過大利的IBIS-S（形監(jiān)測系統(tǒng)）測量結(jié)構(gòu)的自振特性，圖1測試分析所得的結(jié)構(gòu)頻譜分析圖。測點(diǎn)為中跨跨中，通過頻譜分析圖可以得到結(jié)構(gòu)的基頻，匯總結(jié)果見表1。由表1可知，意大利的IBIS-S（形監(jiān)測系統(tǒng)）測量得到的橋梁基頻分別為2.52，理論計(jì)算得到的橋梁基頻為2.17Hz，與實(shí)測頻率相比偏小，說明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度稍大于計(jì)算值，滿足要求。②無障礙行車試驗(yàn)：無障礙行車試驗(yàn)主要用來檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)在行車狀態(tài)下的動力響應(yīng)，測試結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)和阻尼比等參數(shù)。意大利IBIS-S（形監(jiān)測系統(tǒng)）采用地面雷達(dá)干涉測量技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程測試，儀器架設(shè)在邊跨跨中正下方，車速10km/h時(shí)的測試結(jié)果見下圖2所示。根據(jù)實(shí)測得到的動撓度曲線圖，從曲線上讀取在動荷載作用下最大動撓度和其平均值就可以得到橋梁的沖擊系數(shù)，不同車速及不同行駛方向的沖擊系數(shù)表2中。③阻尼比。采用意大利IBIS-S根據(jù)無障礙行車試驗(yàn)跑車余振波動，采用波形法可以粗略的計(jì)算結(jié)構(gòu)的阻尼比，測得余振波形圖見圖3。

按照波形阻尼法由實(shí)測波形圖可計(jì)算得結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.0112。一般混凝土橋梁結(jié)構(gòu)阻尼比（0.01～0.08）范圍內(nèi)，可以認(rèn)為該橋的阻尼比相對較小，反映出鋼—混凝土組合梁橋的動力特性，振動衰減要慢于一般的混凝土橋梁。

2.抗震入門介紹。在課程講到多自由度體系時(shí)，增加了一次抗震入門介紹的專題講座，介紹了地震動多維輸入和多點(diǎn)動輸入問題。

五、教學(xué)效果

通過這門課程的學(xué)習(xí)加強(qiáng)了學(xué)生對結(jié)構(gòu)動力學(xué)的這門課程的認(rèn)識，使學(xué)生既掌握了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，又能和工程實(shí)踐聯(lián)系起來，解決工程問題。（1）學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚，思維靈活，對問題有自己的見解。（2）善于思考，勇于質(zhì)疑。課堂氣氛活躍，學(xué)生們均有所收獲。（3）結(jié)合課堂教學(xué)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐動手能力、分析和解決問題等能力與綜合素質(zhì)得到提高和加強(qiáng)。（4）課堂教學(xué)效率達(dá)到較好水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉晶波，杜修力.結(jié)構(gòu)動力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2]陳清軍，李文婷.結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程多元化教學(xué)方法探討[J].高等建筑教育，2015，24（02）.