結構抗震設計課程模塊化課程體系的教學改革★

王　濤　孟麗巖　高紅梅　呂　蘭　楊　悅　許珊珊(黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江哈爾濱　150022)

?

結構抗震設計課程模塊化課程體系的教學改革★

王濤孟麗巖高紅梅呂蘭楊悅許珊珊
(黑龍江科技大學建筑工程學院，黑龍江哈爾濱150022)

摘要:針對結構抗震設計課程的特點及目前在教學中所存在的主要問題，將結構抗震設計的課程內容進行整合，提出概念設計模塊、分析計算模塊和抗震設計模塊的三模塊課程體系，以及各模塊的教學目標，在實際教學中應用明顯提高了教學效果。

關鍵詞:結構抗震設計，課程體系，模塊化

0　引言

地震是威脅人類生存最嚴重的自然災害之一。近年來我國地震災害頻發，從1976年7．8級唐山大地震到2008年8．0級汶川特大地震都造成了巨大的生命財產損失。地震災害歸根結底為土木工程災害，建筑物的倒塌是產生地震災害最直接的原因，進行合理的結構抗震設計是目前防震減災最有效的途徑，是土木工程師責無旁貸的任務。因此，絕大部分高校土木工程專業均開設了結構抗震設計課程［1，2］。

另一方面，對于未來的土木工程師而言，一級、二級注冊結構工程師考試是國家層次對工程師的認可標準，也是高校土木工程專業人才培養的導向，同時也為學生未來進一步發展提供了很好的提升機會。國家注冊結構工程師的專業測試主要是看學生是否已具備按照國家法律及設計規范進行結構工程設計的能力，結構抗震設計是最重要的考核內容，它貫穿于所有的結構設計，如鋼筋混凝土結構、砌體結構、鋼結構、高層結構與高聳結構以及地基與基礎設計等［3］。

作為土木工程專業重要的專業課，其教學目的是使未來的土木工程師們能夠了解地震工程基本知識及發展趨勢，掌握結構抗震基本原理，能夠進行建筑結構的抗震設計。

1　課程特點

目前大多數工科學校一般都將結構抗震設計課程安排在第7學期，這一學期對于畢業班的學生來說，面臨著多重壓力。近幾年國家的房地產行業低迷，土木工程專業的就業遇到了前所未有的困難，學生就業壓力大，找工作競爭非常激烈，常常需要參加多次招聘會才能成功，考研、考公務員的學生常常也要奔波于多個輔導學習班，這些都嚴重影響了學生正常的課堂學習時間。

結構抗震設計課程內容難度大、先行課多、綜合性強、涉及學科門類廣，主要以結構動力學為基礎并涉及地震學、地質學、高等數學、結構設計以及振動控制等領域的知識［4，5］。一般學校結構抗震設計課程只有30學時左右，所以要在短短的30多學時內讓學生能夠很好地掌握這門課程，對于任課教師來說本身就是一件非常具有挑戰性的工作。

作者從事十余年結構抗震設計課程的教學工作，積極進行了課程的教學改革與嘗試，將結構抗震設計的課程內容進行整合，分為概念設計模塊、分析計算模塊和抗震設計模塊，在實際教學中采取模塊化的教學體系，取得了良好的教學效果。

2　模塊化課程體系

2．1概念設計模塊

通過對“5·12”汶川地震的震害分析，我們越來越發現結構抗震概念設計的重要性。雖然從目前的研究水平看，我們可以對地震的作用及地震反應進行很多數值分析和計算，但地震本身是隨機發生的，受諸多因素的影響，因此，在進行抗震設計時正確的概念設計比數值計算更重要。所謂的概念設計是在整體上把握抗震設計的主要原則，減少由于建筑結構自身帶來地震作用及結構地震反應的復雜性而造成抗震計算的不準確。

本模塊在教學過程中應加強學生對基本概念和基本理論的理解，建筑結構所采用的結構體系應具有明確的計算簡圖和地震作用的合理傳力途徑，結構布置時應避免部分結構和構件破壞而導致整個結構喪失抗震承載能力，對結構構件的抗震設計應考慮避免剪切破壞先于彎曲破壞——強剪弱彎、避免柱子的破壞先于梁的破壞——強柱弱梁、避免節點的破壞先于構件的破壞、避免混凝土的壓潰先于鋼筋的屈服、避免鋼筋的粘結錨固破壞先于構件破壞。國內外的大量震害資料表明，采用特殊復雜的平面或立面、質量和剛度分布不均勻的結構即使在地面烈度不高的地震作用下也會發生破壞或倒塌，因此結構抗震設計規范對建筑結構的平面規則性和豎向規則性做了細致的要求，如表1所示。

因此，概念設計模塊要達到的教學目標是使學生在深刻理解我國抗震設計的目標和方法的基礎上，能夠在結構設計時進行合理的結構選型，對結構的平面和立面布置能夠按照抗震設計規范的要求設計，成為平面和立面規則的結構。

2．2分析計算模塊

地震動引起的結構內力、變形、位移及結構運動速度與加速度等統稱為結構地震反應。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地震反應，為結構抗震設計提供指導和建議。大量的震害資料表明，經過結構地震反應分析并進行抗震設計的工程結構遠比未經過地震反應分析和抗震設計的工程結構優越，這得到了工程界的廣泛認同。

一般來說，小地震作用下的結構地震反應是彈性的，可按彈性分析方法進行計算，結構彈性地震反應分析方法有底部剪力法、振型分解反應譜法和振型分解時程分析法。底部剪力法是把地震作用看作等效靜力荷載，計算結構最大地震反應。底部剪力法的特點是忽略結構高階振型的影響，假定結構的地震反應以基本振型為主，將基本振型簡化為倒三角形進行計算，計算量較小。因此底部剪力法只適用于高度不超過40 m，以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的結構及近似于單質點體系的結構。振型分解反應譜法是利用振型分解的原理和反應譜理論進行結構最大地震反應分析。振型分解反應譜法是一種擬動力分析方法，計算精度較高適用于所有建筑結構的地震作用計算。

表1　結構的規則性判斷

大地震作用下，結構地震反應是非彈性的，應采用逐步積分時程分析進行結構地震反應計算。時程分析法是選用一定的地震波直接輸入到所設計的結構，然后對結構的運動微分方程進行逐步數值積分，求得結構在整個地震時程范圍內的地震反應。時程分析法是一種完全的動力方法，計算精度高，只對特別不規則的建筑結構、特殊設防類建筑和超限高層做補充計算。時程分析法計算以數值積分算法為主，計算量大，在土木工程專業本科階段不要求學生掌握，只作了解內容。

本模塊教學難度相對較大，理論推導較多，對學生的要求也較高，要求學生必須具備扎實的力學基礎，尤其是動力學知識。分析計算模塊要求學生掌握水平地震作用的底部剪力法和振型分解反應譜法、豎向地震作用的計算方法以及結構相關動力參數的計算。

2．3抗震設計模塊

目前在土木工程領域廣泛應用的結構類型，從材料上可分為砌體結構、鋼筋混凝土結構、鋼結構和混合結構。

砌體房屋是我國建筑中最為普通的結構形式，應用廣泛，數量眾多。砌體結構房屋是指用各種塊材用砂漿砌筑而成的房屋，由于砌體材料的脆性性質，其抗拉、抗彎和抗剪強度很低，整體性差，所以沒有經過合理抗震設計的砌體結構抗震能力很差，這在歷次地震中，破壞嚴重的砌體結構房屋可以得到證明。在砌體結構的抗震設計中除了要進行墻體的抗剪承載力驗算之外，更重要的是要進行合理的結構布置和鋼筋混凝土圈梁和構造柱的設置。

鋼筋混凝土結構以其優越的綜合性能在土木工程領域應用最為廣泛，鋼筋混凝土結構從結構體系上可分為框架結構、抗震墻結構、框架—抗震墻結構。歷次震害經驗表明，與砌體結構相比鋼筋混凝土結構只要采用合理的抗震設計和采取可靠的抗震構造措施，在一般烈度區是可以保證安全的。對于框架結構，應遵循“強柱弱梁”的原則，調整柱端彎矩設計值;遵循“強剪弱彎”的原則，調整梁、柱剪力設計值;遵循“強節點、弱構件”的原則，對節點進行抗剪承載力驗算。對于抗震墻結構抗震設計時遵循“強墻弱梁、強剪弱彎”的原則調整墻肢和連梁的彎矩和剪力。

鋼結構由于鋼材具有輕質高強、延性好的特點，因此使得鋼結構受到的地震作用較小，并具有較大的變形能力，因此即使在很大的變形下也不至于倒塌，保證結構的安全性。

本設計模塊的教學重點是鋼筋混凝土結構的抗震設計，它在我國的《結構抗震設計規范》中也是篇幅最多的。為了讓學生能更好的掌握本模塊內容，教學中以工程案例教學為主，結合國家注冊結構工程師的考試內容，逐條逐點的學習，學生在學習中也體會到了學以致用的樂趣。

3　結語

結構抗震設計課程理論嚴謹、內容豐富、實用性強，注重學生工程能力的培養，重新整合該課程的教授內容，提出三模塊化課程體系，概念設計模塊重點講授有關地震工程的基本概念和結構抗震概念設計的要求;分析計算模塊講授地震作用的各種計算方法;抗震設計模塊講授各種結構的抗震設計要求，其重點是鋼筋混凝土框架結構和抗震墻結構的抗震設計。模塊化課程體系從另一角度來看也涵蓋了結構抗震設計的全部過程，概念設計、抗震驗算和構造措施，因此結構抗震設計課程模塊化有助于學生對所學知識的梳理與總結，有助于對結構抗震設計過程的理解。

參考文獻:

［1］GB 50011—2010，建筑抗震設計規范［S］．

［2］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．

［3］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．

［4］張大偉，郭立英，于學智．建筑結構抗震設計中的概念設計［J］．山西建筑，2008，34(13):77-78．

［5］李文雄，陳穗茵．建筑結構抗震設計課程教學方法討論［J］．山西建筑，2014，40(23):274-276．

Modularization teaching reform on seismic design of structure course★

Wang TaoMeng LiyanGao HongmeiLv LanYang YueXu Shanshan
(School of Civil Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China)

Abstract:A modularization teaching system of the seismic design course containing conceptual module，analysis module and seismic design is proposed by course contents integration based on the course characteristic and existing teaching problems．The teaching objective of each module is proposed．Teaching effect is improved obviously in the actual teaching．

Key words:seismic design of structure，course system，modularization

作者簡介:王濤(1978-)，男，博士，碩士生導師，副教授

收稿日期:2015-10-29★:黑龍江省教育科學“十二五”規劃2013年度課題“‘3+1’人才培養模式下土木工程專業結構設計類課程改革的理論與實踐研究”(項目編號:GBD1213065)資助項目

文章編號:1009-6825(2016)01-0242-02

中圖分類號:G642．0

文獻標識碼:A