《建筑結構抗震設計》課程實踐教學探討

郭曉云 巴文輝

摘要：針對建筑結構抗震設計課程的特點，提出通過采用演示實驗、模型展示、震害實踐等實踐教學方式來達到提高教學效果的目標，列舉筆者教學方法并介紹了課程實踐教學所依托的“災害仿真模擬實驗室”及其在課程教學中的應用。

關鍵詞：建筑結構抗震設計；實踐教學；模型演示；災害仿真

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

地震災害是群災之首，在地震災害中，建筑結構的破壞是造成人員傷亡和經濟損失的主要因素，因此，有效的建筑結構抗震設計是減輕地震災害的主要手段。結構抗震設計是為了提高工程結構的抗震能力而進行的專項結構設計，對于土木工程專業的學生，通過開設建筑結構抗震設計課程，使學生了解結構抗震設計的基本理論、基本概念和不同結構形式建筑物的主要抗震措施，這可以讓土木工程從業人員具有較高的抗震防災意識，對于提高我國建筑的抗震能力十分必要。目前，國內外大部分高校都將建筑結構抗震設計作為土木工程專業的一門專業必修課，并十分重視該課程的建設。

一、建筑結構抗震設計課程特點

建筑結構抗震設計課程是一門理論聯系實踐的工程類課程，綜合性較強，涉及的知識面比較廣。該課程的先修課程是結構力學、土力學、房屋建筑學、鋼筋混凝土結構、砌體結構、鋼結構等，課程內容與現行的《建筑抗震設計規范》以及其他結構設計規范密切相關，是工作中應用最多、最廣的專業知識。但是，由于當前高等學校人才培養模式改革的要求，人才培養方案中的理論課學時一再縮減，大多數學校《建筑結構抗震設計》課程的學時設置都比較少，課程學分一般為2～2.5，學時從24到40不等，有限的學時設置往往使老師無法全面介紹不同結構形式建筑物抗震設計的具體做法。建筑結構抗震設計課程主要從抗震概念設計、抗震計算和抗震措施三方面系統闡述建筑結構抗震設計過程中的主要做法及其依據的基本理論。結構抗震計算的理論基礎為結構力學及結構動力學的基本原理，其中單自由度體系的地震反應求解涉及到微分方程的求解，難度大，學生理解起來較困難。抗震概念設計的內容要求從宏觀上把握建筑結構的結構體系受力特點、結構延性的概念、結構體型的規則性等方面的要求，由于在校大學生一般沒有實際結構設計經驗，在課程學習過程中學生不容易全面掌握概念設計的要求。抗震構造措施的內容細致繁雜，大部分為《建筑抗震設計規范》中的規定內容，學生不容易記憶掌握。由于該課程具有內容多、難度大、課時少的特點，課堂講授的教學效果較差，學生對課程學習缺乏興趣。針對這種情況，筆者在教學實踐中一直探索提高學生學習興趣的方法，發現將演示實驗與建筑震害實例融入到理論教學的方法效果較好。實驗模型的動態演示往往能夠吸引絕大部分學生的注意力，學生通過對實驗模型的親自動手操作，可以較深刻地理解基本概念，可以將抽象的理論分析與結構模型的實際振動反應結合起來，取得較好的學習效果。建筑實際震害的圖片和錄像可以使學生深刻地感受到建筑結構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生破壞的薄弱環節，這種多媒體的展示往往具有震撼人心的效果，引起學生對建筑結構抗震設計的重視。

二、課堂演示實驗舉例

建筑結構抗震設計課程中有一個非常重要的概念叫做地震反應譜，地震反應譜概念對于學生理解并掌握建筑結構抗震計算的基本理論十分必要。然而，地震反應譜的計算涉及到單自由度體系地震反應分析的微分方程求解，直接從理論的角度講解地震反應譜的概念學生理解起來十分困難。筆者曾經嘗試采用反應譜計算模型圖片和動畫的形式展示地震反應譜的含義，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演示，同學們可以觀察到不同自振周期的單質點彈性體系的不同反應，不同的學生可以親自拿著模型隨機振動并觀察振動頻率不同時模型質點反應的不同情況，課堂氣氛十分活躍。學生在親自體驗中深刻體會到了隨著振動輸入的變化單質點彈性體系反應的不同變化，更容易理解地震反應譜能夠反映輸入地震動頻譜特性的關鍵知識。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構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件配筋模型在課堂上向同學們講解鋼筋混凝土抗震構造措施的具體內容。課堂模型動態演示及靜態模型展示的教學方法極大地調動了學生的學習興趣，對于提高教學效果作用明顯。

三、建筑實際震害貫穿課程始終

實際震害的考察與震害經驗的總結在建筑結構抗震設計的發展過程中起著非常重要的作用，總結工程設施在地震環境下保持安全的成功經驗、吸取工程設施遭受震害的經驗教訓，是結構抗震研究的基本途徑。迄今為止的抗震設計基本上仍是經驗行為，抗震概念設計原則和行之有效的抗震措施都是長期經驗的總結。因此，將實際建筑震害的展示、觀察、思考和總結貫穿到建筑結構抗震設計課程的教學中，既生動形象，又客觀地向學生展示了結構抗震研究的基本途徑，是十分有效的方法。讓學生能夠親眼看到建筑物震害、親身體驗建筑物震害當然是最好的方法，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，我校土木工程專業的學生利用暑假實踐有機會到北川地震遺址親身體驗建筑實際震害，在專業教師的帶領下，學生在北川地震遺址對震害遺址工程中典型的砌體結構和鋼筋混凝土框架結構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計的差別深刻領會建筑結構可以通過合理的設計實現大震不倒的概念。

在建筑結構抗震設計課程的教學過程中，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構形式建筑物的抗震概念設計和抗震措施的始終。在緒論中，根據震害原因的不同將震害分為靜力破壞和動力破壞兩種，分類歸納不同結構的震害照片進行展示，期間穿插著思考提問。在各種結構形式建筑物抗震設計中，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驗中總結出來的，這樣的銜接使學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容。

四、災害仿真模擬實驗室在課程教學中的應用

我校土木工程專業定位中突出防震減災的特色，為了更好地進行防災減災領域的教學，我校建成了災害仿真模擬實驗室。該實驗室的建設是為了通過形象地演示，再現災害的發生過程并探究災害的成災機理。該實驗室主要分為五個部分，第一部分為圖片展示部分，主要展示各類災害（包括地震、火山、滑坡泥石流等地質災害）的機理及其表現形式；第二部分為動態展示部分，主要通過展示振動對結構和場地產生的震害現象及震害機理；第三部分為模型展示部分，主要展示不同結構形式建筑物的構造、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；第五部分是地震監測儀器博物館，收藏了各階段的地震監測儀器。災害仿真模擬實驗室為建筑結構抗震設計課程提供了豐富的實踐教學內容，其中應用于課程的主要為動態展示部分中的砂土液化演示系統、結構振動模態演示系統、共振演示系統和隔震結構演示系統。砂土液化演示系統的設計從砂土液化原理、常見震害表現、模型液化現象和抗液化處理措施等方面出發，讓學生對砂土液化建立起從理論到現象再到工程應用的知識，加深學生學習、開拓學生認識并指導以后的工程實踐基礎。系統設計兩個砂箱，左側砂箱內是不飽和沙土，右側砂箱內是松散飽和粉細砂，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出來的不同現象，可以讓同學們深刻地理解地震中砂土液化的產生條件是松散、飽和、粉細砂，通過砂土液化的演示還可以使同學們形象地觀察到砂土液化過程中的滲流、冒水、建筑沉陷等現象。結構振動模態演示系統可以使學生了解結構振動測試系統的基本組成、儀器設備的基本原理。使學生深刻理解結構的動力特性，掌握結構模態的測試方法。學生通過親自參與試驗環節，鍛煉動手能力，培養學生綜合應用所學專業知識和解決實際問題的能力；培養學生的創新能力，使學生在理論聯系實際的同時獲得工程師基本技能訓練的機會。共振演示系統通過演示模型表現共振對建筑結構相應的影響，共振的概念早就滲透到結構概念設計環節，在歷次震害的深刻教訓中，抗震概念設計逐漸被提出并日趨完善。概念設計即通過合理選取場地、抗震結構體系，合理規劃建筑布置等舉措從總體設計方案上提高建筑物的抗震能力。作為抗震設計的重要參數，建筑物的自振周期與場地卓越周期的關系成為概念設計的一項重要內容，概念設計中明確指出“結構的自振周期應盡量避開場地卓越周期，以免發生共振而加重震害”。隔震演示系統設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建筑和隔震建筑的抗震差異，數據采集設備的設置可以量化展示兩種不同抗震體系的動力響應。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在工程中的運用方式，讓學生直觀地認識和了解隔震技術，豐富實驗教學內容，激發學生對土木工程學科的興趣。

通過課堂演示實驗、構建構造模型展示、建筑實際震害圖片展示及災害仿真模擬實驗室的仿真實驗在建筑結構抗震設計課程教學中的應用，在不增加課程理論授課學時的基礎上，增加了實踐教學的內容，大大改善了該課程的教學效果。通過該課程生動的實踐教學環節，我校土木工程專業的學生對建筑結構抗震設計都有很高的重視，結構抗震防災的意識深入學生內心。