建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程實(shí)驗(yàn)改革

史勇 王利輝

[摘 要] 在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，多質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體系的抗震概念設(shè)計(jì)與計(jì)算設(shè)計(jì)是教學(xué)與學(xué)習(xí)的重點(diǎn)，學(xué)生對(duì)于多質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體系的剛性、延性、自振頻率、阻尼比、振型缺乏直觀的認(rèn)識(shí)，進(jìn)而影響了對(duì)多質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)計(jì)知識(shí)的掌握?？拐鹪O(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是揭示多質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)規(guī)律，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)基本原理的有效手段。通過(guò)抗震設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程改革，對(duì)實(shí)驗(yàn)方式、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，新的實(shí)驗(yàn)課程提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，對(duì)學(xué)生掌握多質(zhì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)體系振動(dòng)規(guī)律與抗震設(shè)計(jì)原理發(fā)揮了重要作用。

[關(guān)鍵詞] 結(jié)構(gòu)抗震;實(shí)驗(yàn);改革

[基金項(xiàng)目] 2015年度內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目“建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容研究與改革”（2015222）

[作者簡(jiǎn)介] 史 勇（1972—），男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，博士，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院講師，實(shí)驗(yàn)中心主任，主要從事土木工程材料研究;王利輝（1981—），男（蒙古族），內(nèi)蒙古烏蘭察布人，碩士，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院講師，實(shí)驗(yàn)員（通信作者），主要從事工程結(jié)構(gòu)測(cè)試技術(shù)研究。

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.0 ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A ? ?[文章編號(hào)] 1674-9324（2021）26-0056-04 ? [收稿日期] 2021-01-20

一、研究綜述

我國(guó)地處世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯處，地震活動(dòng)特別是強(qiáng)震發(fā)生十分頻繁。據(jù)統(tǒng)計(jì)，20世紀(jì)以來(lái)全球死亡人數(shù)超過(guò)2萬(wàn)的地震共有21次，在我國(guó)境內(nèi)就發(fā)生了6次[1]，頻繁的地震活動(dòng)給我國(guó)人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損失。因此，土木工程專(zhuān)業(yè)規(guī)范將建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“抗震”）課程列為高校土木工程專(zhuān)業(yè)建筑結(jié)構(gòu)方向的一門(mén)必修課?！翱拐稹闭n程在土木工程專(zhuān)業(yè)課程體系中占有重要地位，通過(guò)“抗震”課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的基本概念，掌握建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析原理和抗震驗(yàn)算方法，了解隔震與耗能減震房屋的設(shè)計(jì)方法[2]。“抗震”課程的學(xué)習(xí)以結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)、建筑材料、土力學(xué)與地基基礎(chǔ)、砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)原理、鋼結(jié)構(gòu)、高層建筑設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)課程為先導(dǎo)課程，具有很強(qiáng)的綜合性;抗震計(jì)算需要掌握高等數(shù)學(xué)偏微分方程求解知識(shí)，理論性較強(qiáng)。由于上述課程的特點(diǎn)，教師普遍反映課程難講授，學(xué)生普遍反映課程難理解。特別是隨著近年來(lái)高校教學(xué)改革，包括“抗震”在內(nèi)的專(zhuān)業(yè)課程課時(shí)被明顯壓縮，使得該課程的講授和學(xué)習(xí)難度進(jìn)一步加大[3]。根據(jù)我們多年來(lái)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，該課程的教與學(xué)難點(diǎn)主要集中在三個(gè)方面。

1.抗震概念設(shè)計(jì)中的剛性、柔性與延性問(wèn)題。工程界對(duì)于結(jié)構(gòu)剛性和柔性的問(wèn)題，一般認(rèn)為剛性方案比柔性方案好。但結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度過(guò)大，地震周期變短，地震作用就增大，進(jìn)而要求結(jié)構(gòu)具有與較大自振反應(yīng)相對(duì)應(yīng)的較高水平抗力，往往是以提高工程造價(jià)及降低結(jié)構(gòu)延性指標(biāo)為代價(jià)。因此，抗震概念設(shè)計(jì)要求剛性、柔性與延性合理匹配，而這需要非常豐富的工程經(jīng)驗(yàn)做支撐，學(xué)生顯然不具備這樣的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)的積累，因此，對(duì)這一問(wèn)題往往感到困惑，影響了學(xué)習(xí)效果。

2.抗震計(jì)算設(shè)計(jì)中的多質(zhì)點(diǎn)體系的自振頻率與振型問(wèn)題。由于地震反應(yīng)的計(jì)算主要講解振型分解反應(yīng)譜法和底部剪力法兩種方法，其中底部剪力法的學(xué)習(xí)以振型分解反應(yīng)譜法為前提，可理解為振型分解法的簡(jiǎn)化算法。多自由度體系按照振型分解反應(yīng)譜法求解結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)時(shí)，需要計(jì)算結(jié)構(gòu)的各階自振頻率和振型，而學(xué)生普遍對(duì)多質(zhì)點(diǎn)體系的自振頻率與振型缺少感性認(rèn)識(shí)，因而影響了對(duì)振型分解反應(yīng)譜法的理解和掌握。

3.建筑構(gòu)造措施中關(guān)于剛度變化、減震耗能問(wèn)題。學(xué)生對(duì)于局部剛度變化對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能影響以及減震耗能裝置的作用僅限于概念認(rèn)識(shí)，對(duì)其作用缺乏直觀認(rèn)識(shí)，更談不上進(jìn)行合理的抗震設(shè)計(jì)。而這些問(wèn)題是建筑抗震設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到并需要解決的工程問(wèn)題。

綜上所述，為解決上述問(wèn)題，在“抗震”課程的教學(xué)環(huán)節(jié)中迫切需要一個(gè)提升學(xué)生對(duì)上述三個(gè)方面問(wèn)題感性認(rèn)識(shí)的教學(xué)手段。研究表明，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是提高“抗震”課程中學(xué)生感性認(rèn)識(shí)、輔助理論教學(xué)的理想方法[4，5]，楊予等研究了以結(jié)構(gòu)模型為載體，以地震影響系數(shù)與質(zhì)量函數(shù)關(guān)系為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的抗震實(shí)驗(yàn)改革對(duì)“抗震”課程教學(xué)效果的影響。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括了模型制作、力學(xué)分析、模型實(shí)驗(yàn)、總結(jié)分析環(huán)節(jié)。研究表明，改革后的教學(xué)模式提高了學(xué)生學(xué)習(xí)與探索知識(shí)的興趣，取得了有更好的教學(xué)效果[6]。夏冰華等的抗震實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究結(jié)合全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的抗震題目，依托小型精密振動(dòng)臺(tái)等設(shè)備設(shè)置了開(kāi)放性和創(chuàng)新性的抗震實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，研究表明，通過(guò)抗震實(shí)驗(yàn)教學(xué)加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解、提高了學(xué)生探究抗震知識(shí)的興趣[7]。周小龍等則將虛擬實(shí)驗(yàn)引入課堂教學(xué)中，通過(guò)虛擬仿真方式演示特定結(jié)構(gòu)在地震波作用下的響應(yīng)，結(jié)合具體工程案例講解抗震原理，取得了良好的教學(xué)效果[8]。

二、當(dāng)前“抗震”課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)題與改革思路

上述研究對(duì)“抗震”課程的實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容與方法進(jìn)行了廣泛探索，取得了一些有益的經(jīng)驗(yàn)與成果，但是由于各高校的實(shí)驗(yàn)條件與學(xué)生學(xué)習(xí)情況差別較大，同時(shí)受到課時(shí)、實(shí)驗(yàn)條件等限制，需要結(jié)合自身?xiàng)l件探索適合本校特點(diǎn)的“抗震”課程實(shí)踐教學(xué)模式。具體以我?！翱拐稹闭n程實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)來(lái)說(shuō)，主要存在以下兩方面問(wèn)題：（1）實(shí)驗(yàn)課時(shí)少。新修訂的培養(yǎng)方案調(diào)整中將“抗震”課程總學(xué)時(shí)從40學(xué)時(shí)壓縮到32學(xué)時(shí)。其中課內(nèi)實(shí)驗(yàn)壓縮到2課時(shí)，在如此少的課時(shí)內(nèi)難以完成從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)分析到模型制作、加載測(cè)試、分析總結(jié)這樣一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)流程。（2）實(shí)驗(yàn)條件有限。受經(jīng)費(fèi)限制，缺少小型精密振動(dòng)臺(tái)等用于抗震實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)備，實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)也不足以支持購(gòu)買(mǎi)多臺(tái)市場(chǎng)上主流的小型精密振動(dòng)臺(tái)，而為了保證學(xué)生分組開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的要求，需要準(zhǔn)備不低于5臺(tái)套實(shí)驗(yàn)設(shè)備。針對(duì)上述問(wèn)題，我們本著以學(xué)生為中心的工程教育認(rèn)證理念，緊緊抓住課程核心知識(shí)點(diǎn)與學(xué)生學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)問(wèn)題、適當(dāng)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)流程的改革思路，對(duì)“抗震”課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了全面的革新。