抗震教學中工程震害分析能力的培養

鄔喆華

摘要：分析能力是工科創新人才應具有的素質。工程震害分析作為抗震教學的重要環節，不僅豐富了抗震教學的內容，而且在實際工作中具有重要的意義。文章認為，在教學中應按照由質疑、分解、辨析到檢驗的循序漸進的分析方法，應用演繹和歸納推理，采用定性和定量分析獲取研究對象與外界相互作用的因果關系，將信息、知識和思維作為提高學生分析能力的基本途徑，通過大量工程的震害分析，結合試驗研究和理論分析的最新成果，激發學生的學習熱情，使其正確掌握抗震技術。

關鍵詞：分析能力；分析方法；工程震害；教學研究

中圖分類號：G6420 文獻標志碼：A 文章編號：10052909（2014）03006605

具有

綜合素質的創新人才是當今高等教育的培養目標。分析能力的培養有助于激發學生的創新精神，也有助于他們掌握科學方法和提高實踐能力。近年來地震進入活躍期，強震頻繁發生，造成了巨大的經濟損失和人員傷亡。工程震害既是學生學習抗震知識和技能的生動教學素材[1～3]，也是學生充分展示分析能力的平臺。工程震害分析不僅豐富了抗震教學的內容，而且在實際工作中具有重要的意義。工程震害分析與試驗研究、理論分析均是抗震技術發展的基本手段，《中華人民共和國建筑法》和《中華人民共和國防震減災法》是完善工程建設標準的重要資料[4]，是鑒定建筑抗震能力的重要依據[5] ，是檢驗工程質量的重要手段。

一、分析方法

近代自然科學的巨大進步與分析方法的科學應用有著密切的聯系。自然界現象紛繁復雜、變化萬千。因此，要從客觀現象中找出事物內在的聯系和規律，就必須掌握一套科學的分析方法（Analysis Method）。法國哲學家笛卡爾（Rene Descartes）1637年在《談談方法》中提出了演繹推理（Deductive Reasoning），以唯理論為根據，采用數學邏輯推導，由一般性公理得出個別性結論[6]。英國哲學家培根（Francis Bacon）1620年在《新工具》中提倡歸納推理（Inductive reasoning），依靠經驗研究感性自然，建立現代實驗科學，依據對某類客觀現象中部分對象與某種屬性之間所具有的因果關系的分析，推出該類現象全部對象

都有某種屬性的結論[7]。德國哲學家恩格斯（Friedrich Von Engels）認為，演繹和歸納正如分析和綜合，它們相互聯系和相互補充。意大利物理學家伽利略（Galileo Galilei）、荷蘭物理學家惠更斯（Christiaan Huygens）、英國物理學家牛頓（Isaac Newton）、德國哲學家萊布尼茨（Gottfried Wilhelm Leibniz）等人通過不懈的科學研究和實踐，形成了質疑、分解、辨析和檢驗四步分析方法。

（一）質疑

質疑即“心有所疑，就正于人”，是分析的第一步。馬克思（Karl Marx）提倡建立在辯證唯物主義基礎上的懷疑精神。愛因斯坦（Albert Einstein）認為提出問題比解決問題更重要。亞里斯多德（Aristotle）有句名言，思維從疑問和驚奇開始。現代教育家陶行知曾說過，發明千千萬萬，起點是一問。質疑對象可以是一件事情、一種現象、一個概念。人們在認識工程震害活動中，經常會出現一些難以解決的實際問題，并產生一種懷疑、困惑、焦慮、探究的心理狀態。正是這種心理狀態驅使人們積極主動地根據客觀現象和自己所掌握的知識提出質疑，進而發表個人的新觀點。在教學中教師運用適當的教學手段，引導學生樂于表達、樂于交流、樂于探索，培養學生的質疑能力。學生會提出很多疑惑，如房屋建筑在何種地震烈度的地震作用下結構運行狀況？是處于彈性階段、彈塑性階段還是倒塌？震后房屋建筑性能如何鑒定？是可靠還是存在風險？房屋建筑的場地類型、基礎形式結構體系、平面布局、立面造型等與震害有何種聯系？何種情況是不利？何種情況是有利？房屋建筑哪些部位需特別加強以防出現破壞？為保證結構整體的安全，哪些部位可事先發生破壞？等等。這些疑惑正是推動工程抗震技術發展的動力。

（二）分解

分解是對研究問題按其內在組成、外在表現、特征屬性、影響因素等進行細分，是分析在質疑后的第二步。自然科學往往是以分解為前提，如結構的力學分析。通過任意抽取結構的一小部分，觀察和研究這個小單元在局部運動中各種物理量之間的關系和變化規律，建立起描述整個物理過程的微分方程。分解的目的是將研究的復雜問題化解為便于破解的多個簡單的小問題，如地震災害的問題。地震災害是指地震帶來的人員傷亡、財產和物質損失、環境和社會功能的破壞，其破壞形式多種多樣。為預防、抵御地震災害的發生，地震災害可按其外在表現（如表1所示）進行細分。又如鋼筋混凝土框架結構是典型的結構體系，在工程應用中量大面廣。其震害原因可以按其影響因素進行如表2所示的分類。結合表1和表2可知，通過由頂向下的層層分解，深入到所研究問題的內部，使地震災害復雜的表現形式不斷趨于簡單和直接，便于通過社會分工協作的方式由底向上層層解決。

（三）辨析

辨析是通過對細分后的問題進行難易、繁簡、疏密、輕重、緩急、主次等方面的排序、辨別和剖析，是分析在分解問題后的第三步。辨析的目的是從最容易獲得認識的問題出發，逐步破解所有細分的問題。工程的分析對象是質和量相統一的客觀現象，需要進行定性分析（Qualitative Analysis）和定量分析（Quantitative Analysis）。定性分析是對研究對象是否具有某項性質進行的分析，回答“有沒有”“是不是”的問題。定量分析是確定研究對象各種成分的數量的分析，回答“有多少”的問題。如某多層鋼筋混凝土框架受地震作用的破壞情況如圖1所示。由表2可知，框架結構震害原因與材料、環境、施工和受力四種因素有關。每種因素又涉及很多種情況。對這些情況進行簡單的梳理，初步以定性的方式找出與震害直接關聯的情況。由圖1可知，震害部位位于底層框架柱，包括角柱和邊柱。從柱混凝土保護層酥裂剝落，出現粘結裂縫使混凝土與縱筋分離現象，判斷為框架柱粘結破壞。從柱頂截面壓區混凝土壓碎、主筋壓屈現象，判斷為框架柱壓彎破壞。從箍筋屈服甚至被拉斷，使柱子形成裂縫現象，判斷為框架柱剪切破壞。

（四）檢驗

檢驗是將所有細分的問題解決后，再綜合起來檢查原問題是否已被徹底解決了，是分析在辨析后的最后一步。由于客觀現象的質和量緊密聯系，質變和量變是互相制約的，僅僅對問題加以機械的分解，所得的分析是不深刻的。分解、辨析只是暫時把客觀現象的聯系割裂開來，孤立地對待。按照辯證的分析，現象的各個方面必須放到矛盾諸方面的相互影響、相互作用、相互轉化中去，放到現象的運動、變化和發展中去進行檢驗。如上例，為驗證上述框架結構震害的判斷，在定性分析的基礎上對該結構建立力學模型進行定量分析，計算結構的荷載效應，驗算構件的強度、變形和裂縫，預測建筑破壞的發展趨勢，由此對研究對象有了進一步的精確認識，能更科學地揭示其因果關系，把握工程震害的本質。從這一結構震害中，按歸納推理可得出規律性的認識，如地震作用下底層框架柱內力（彎矩、軸力、剪力）比上層框架柱大；地震作用下角柱和邊柱由于雙向受彎、受剪及扭轉作用，震害要比內柱嚴重。進而針對這一結構震害可采取的抗震措施，如強柱弱梁，增大柱縱筋配筋率，使柱盡量不出現塑性鉸；強剪弱彎，加長箍筋加密區長度及增大配箍率，加強對柱縱筋和混凝土約束，使柱在彎曲破壞前不發生剪切破壞；強節點弱構件，加強梁柱節點，保證地震作用的順利傳遞；提高底層框架柱承載能力，減小柱軸壓比、剪壓比，提高柱延性；提高角柱和邊柱抗扭轉能力，增大地震作用下結構內力，增配柱縱筋、箍筋等。

二、提高分析能力的途徑

分析能力（Analysis Ability）是運用分析方法解決問題所具有的主觀條件，包含質疑能力、分解問題能力、辨析能力和檢驗綜合能力等。分析能力強的人往往學有專精、術有專攻、技有專長。對于看似復雜的問題，經過理性思維梳理后，會變得簡單化、規律化，從而輕松、順暢地進行解答。分析能力差的人，往往思前想后不得其解，以致束手無策。分析能力的高低不僅是一個人智力水平的體現，而且在很大程度上依靠后天的訓練。在教學中應著重從信息、知識和思維入手，提高學生的分析能力。

（一）信息

信息（Information）是事物存在或其運動的描述，表現為文字、圖形（圖像）、聲音、動畫、視頻等多種形式。信息時代是后工業時代的嬗變，以信息高速傳播、自由復制、頻繁更新、數量豐富、形式多樣為特征，以計算機、互聯網、數據庫、信息云、多媒體為標志貫穿于人們的日常生活。信息越豐富，就越能充分發揮和展示分析能力。

1.實時和全面地獲取信息

要實時和全面地獲取信息，就需要多走、多聽、多看、多問、多記、多思，培育一顆好奇心，對未知問題刨根究底，養成從多角度認識事物的習慣，獵取大量感性和理性材料。工程震害分析是在占有工程信息基礎上進行的。所需工程信息包括：建筑勘探報告、施工圖紙、竣工圖紙、工程驗收文件、地震信息、現場原狀等原始資料。如資料不全時，宜進行必要的補充實測。如為了解工程現場狀況需拍攝實況照片；現場地質情況不明，則需進行補充鉆探。除了現場第一手資料外，還需關注地震信息和抗震技術。世界各國設立了地震監測和預警網絡，建立了學術論文數據庫。如中國地震臺網中心（China Earthquake Network Center）、日本氣象廳（Japan Meteorological Agency）、美國地質勘探局（United States Geological Survey）等實時發布地震信息，可獲取地震波時程數據；中國知網Elsevier Science全文電子期刊、美國土木工程師協會網等有豐富的學術論文。真實可信、全面客觀的信息資料是進行正確分析判斷的基礎，有利于提高分析能力，更好把握結構抗震技術發展的趨勢。

2.處理和分析有效信息

在教學中要重視信息的篩選與整合，學會去粗取精、去偽存真、由此及彼、由表及里的本領。鋼筋混凝土框架結構震害現象分類如表3所示。對信息的有效整合，就有望水到渠成地解答問題。

（二）知識

知識（Knowledge）是人們

對有限認識的理解與掌握。知識面越廣，知識基礎越堅實，就越能使分析能力得到正確而充分的發揮。

1.努力將感性經驗提升為科學知識

在知識大爆炸的今天，抗震技術的交叉、匯聚和融合得到促進。隨著社會實踐的深入，工程服務對象的多樣化，工程震害分析要與GB 50011《建筑抗震設計規范》相結合，同時還要參考其他土木工程結構抗震設計的要求，如GB 50191《構筑物抗震設計規范》、GBJ 117《工業構筑物抗震鑒定標準》、GB 50267《核電廠抗震設計規范》、JTJ004《公路工程抗震設計規范》、JTG/T B02-01《公路橋梁抗震設計細則》、GB 50111《鐵路工程抗震設計規范》、DL 5073《水工建筑物抗震設計規范》、、JTJ 225《水運工程抗震設計規范》、YD 5059《通信設備安裝抗震設計規范》、GB 50260《電力設施抗震設計規范》等。教學不是“把知識帶給學生”，而是“把學生引向知識”。通過抗震設計規范、圖集的學習和對比，拓寬學生的專業視野，加深其對課程知識的認識。

2.積極使理論知識轉化為創新智慧

學習知識的目的不是為知識而知識，而是作為人發展的基礎。只有知識轉化為智慧，知識才能有力量，人才能有真正意義上的心智活動。工程震害分析是結構抗震技術一個重要的組成部分，需要綜合運用結構知識解決土木工程問題。其中定量分析要求學生具備結構力學的知識；定性分析要求學生貫通土力學、地基基礎、鋼筋混凝土結構、鋼結構、砌體結構、建筑施工、房屋建筑學等多方面的知識。在教學中按照建構主義學習理論，先設定學習的目標，以其現有經驗為基礎，逐步運用已有的認知結構對新知識進行加工、整理、歸納及書面化、格式化，擴大新知識對學生的影響，使之調整和完善經驗，提高知識技能，最后形成自身的知識結構；并能把自身掌握的最先進的知識以最快的速度、最優的方式、最佳的效果運用于實踐活動。

（三）思維

思是心田，維是聯系。思維（Thinking）是人腦對客觀現實的概括，是人腦對信息進行采集、傳遞、存儲、提取、刪除、對比、篩選、判別、排列、分類、變相、轉形、整合、表達等的能動操作，以反映客觀現象的本質和現象間規律性的聯系。

1.樹立實踐觀

實踐觀是思維的出發點、落腳點，也是其歸宿點。向實踐學習，從實踐中把握工程震害的基本特點。工程震害分析需要考慮結構反應的動力特征、結構的彈塑性行為、地震動輸入與輸出的不確定性等因素，其震害原因在本質上是建筑結構的強度、剛度、延性等失去協調的問題。圖2為工程震害分析路線圖。由圖可知，工程震害分析的正確與否需要將理論分析的結果與實際情況進行比較。如一致，則分析正確。如不一致，則需修改工程結構、分析模型、地震作用等環節中諸多的假定成分。經過多次迭代，獲得接近實際的遞歸結果。

圖2工程震害分析路線圖

2.加強系統觀

系統觀既是思維的全局觀，又是思維的發展觀。工程震害分析應對客觀現象運動變化的多個層次、多個方面、多個聯系、多個過程進行分析。如工程結構有規則建筑，也有不規則建筑；有鋼筋混凝土結構、砌體結構、鋼結構等，又有單層、多層、高層乃至超高層。分析模型有單自由度體系、多自由度體系、無限自由度體系，也有彈性模型和彈塑性模型之分。地震作用有水平向、豎向，也有單點激發、多點激發，還有單向、多向等。計算方法有振型分解反應譜、底部剪力法、時程分析法、靜力彈塑性分析法等。分析角度的廣泛，不僅有利于增強分析的原則性、預見性和創造性，而且也避免分析出現盲目性、片面性、表面性和機械性。

三、結語

分析能力是工科創新人才應具有的素質。工程震害分析作為抗震教學重要的環節，遵循由質疑、分解、辨析到檢驗循序漸進的分析方法，靈活應用演繹和歸納推理，采用定性和定量分析獲取研究對象與外界相互作用的因果關系。依靠信息、知識和思維提高學生分析能力。其中在信息方面，不僅要有實時和全面獲取信息的能力，更要有處理和分析信息的能力；在知識方面，不僅要具有把感性經驗提升為科學知識的能力，而且要具有把理論知識轉化為創新智慧的能力。在思維方面，既要樹立實踐觀，又要加強系統觀。在教學中通過大量工程的震害分析，結合試驗研究和理論分析的最新成果，激發學生的學習熱情，引導其正確掌握抗震技術。參考文獻：

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[2]豐定國，王社良. 抗震結構設計（第2版） [M]. 武漢：武漢理工大學出版社， 2003.

[3]李英民，楊溥. 建筑結構抗震設計[M]. 重慶：重慶大學出版社，2011.

[4]中華人民共和國住房和城鄉建設部. 建筑抗震設計規范（GB50011-2010）[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2010.

[5]中華人民共和國住房和城鄉建設部. 建筑抗震鑒定標準（GB 50023-2009）[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2009.

[6]Rene Descartes.A Discourse on Method [M]. Book Jungle，2009.

[7]Francis Bacon. Novum Organum‘New Method[M]. Bottom of the Hill Publishing， 2012.