研究生結構動力學核心課程建設探討

榮學亮 郭進 王慧東 趙品

摘要：結構動力學是土木工程專業研究生的一門核心課程，本文從教學目的、教學條件、教學方法等幾方面探討了如何加強結構動力學核心課程的建設。提出了結合課程特色和學科發展現狀，完善結構動力學的教學計劃，緊跟“結構動力學”領域的發展歷程，不斷充實授課內容。加強理論與實踐的結合，在課堂教學中增加討論課和專題講座，發揮學生主觀能動性，豐富課下活動。使學生既能掌握扎實的理論基礎，又能和工程實踐聯系起來，解決工程問題。

關鍵詞：結構動力學；案例教學法；單自由度體系

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

結構動力學是一門研究結構體系的動力特性及其在動力荷載作用下的動力反應分析原理和方法的一門理論和技術學科。結構動力學著重研究結構對動力載荷的響應，它不僅是結構抗震、抗風、抗爆分析以及結構振動控制、健康監測等課題研究的基礎，也是土木工程從業人員需要掌握的重要專業知識，結構動力學已成為土木工程專業的一門重要課程。隨著超限及重要建筑的大規模建設，工程界對動力問題越來越重視，結構動力學知識逐漸成為評價土木工程技術人員專業能力的重要指標。筆者承擔了石家莊鐵道大學土木工程專業研究生結構動力學課程的教學工作。通過這兩年的教學經歷，加深了對這本課程的認識，同時在教學內容和方法上通過研究生核心課程的建設，開展了一些教學方法改進工作。

一、教學目的和內容

通過本課程的學習，使學生熟練掌握使用達朗貝爾原理、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、連續體系及多自由度體系數學模型的原理；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體系在特殊激勵下的動力反應的分析方法；了解對多自由度體系分析的數值方法，為工程結構動力學問題的有限元分析方法準備理論基礎。

二、教學條件建設

1.教材的使用與建設。（1）選用優秀教材：我們選用了R.克拉夫、J.彭津主編的《結構動力學》（第二版（修訂版））。該書是美國加利福尼亞大學（伯克利分校）研究生結構動力學課程的基本教材之一，主要介紹結構動力學基本理論和抗震結構計算理論，其主要特點是內容新穎。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，當相對來說理論性較強，對相對基礎不是太好的初學者，可能覺得稍微難懂一點，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）對照其他教學參考資料與研究成果，以取長補短（備有6種主要參考書，并提供了相應的電子版文本）。

2.擴充性資料的建設與使用。課程內容新穎。緊跟根據“結構動力學”領域的發展歷程，不斷充實授課內容，引入最新的研究成果，使學生能夠了解最前沿的研究動態。

3.實踐性教學環境。以學生為本，強化學生的實踐，提高學生分析問題、解決問題的能力。通過討論課、專題講座等環節，加深了學生對基本理論的認識，與工程實踐聯系起來，能夠解決實際問題。

4.網絡型教學環境。（1）部分教學資源上網，包括教學大綱、教學筆記、教學日歷、習題、課件、期刊網上下載的學生論文等，使學生可以通過網絡自主學習。（2）進行網上輔導與答疑。（3）建立qq群和微信群，使學生可以充分發表自己的學術見解。

三、教學方法與教學手段

1.教學方法。教學方法的多樣化和教學手段的現代化：積極采用現代教育方法和手段，在課程教學時理論聯系實際，教師在講授時，運用多媒體課件、網絡教學資源等現代化手段，將結構動力學基本理論，制作教學圖片、錄像等多媒體課件資料，適時示范，使枯燥乏味的專業基礎課生動具體，提高了課堂教學效果，建立了現代教育方法和手段的新的教學模式。

2.實施計劃。（1）做好文獻資料收集和調研工作：了解結構動力學最前沿的研究動態，對國內其他高校土木工程專業結構動力學授課內容，教學方法、教學條件進行調研，結合本校特色和學科發展現狀，完善結構動力學的教學計劃。（2）加強實踐學習，完善課堂內容。結構動力學是一門土木工程專業重要的基礎課程，是結構抗震、抗風、抗爆分析以及結構振動控制、健康監測等課題研究的基礎，為了加強理論與實踐的集合，在課堂教學中增加專題講座，加強學生的認識。（3）發揮學生主觀能動性，豐富課下活動。單自由度體系是結構動力學課程的基礎部分，為了加強學生對這部分內容的理解，布置課下作業，由學生組成若干個小組，每個小組選擇一個知識點，制作成動畫形式。

四、專題講座

1.現場動力特性實測。結構動力學是一門專業基礎理論課程，內容煩瑣復雜，需要學生具備扎實的數學、力學等方面的知識，而且抽象不具體。因此，為了調動學生學習的積極性，使學生加深對結構動力學課程的認識，我們在講解到單自由度體系阻尼振動時，專門進行了一次橋梁荷載試驗現場動力特性實測的專題講座。以吉林松原二莫互通四跨鋼—混凝土組合連續梁為工程實例，詳細了該橋進行動力荷載試驗的目的、內容和方法。（1）動力試驗試驗目的：橋梁自振特性與橋梁結構的剛度、質量及其分布有關，它能從整體上反映橋梁結構狀態。通過對橋梁結構動力特性的檢測，能從整體上把握橋梁結構的運營狀態。（2）動力試驗內容：橋梁動載試驗主要完成以下兩方面內容：①脈動試驗：在中跨跨中設置加速度傳感器，進行振動信號采集，可獲得主梁的振動頻率；這些頻率可用于結構的參數分析，進一步確定結構的剛度和質量分布情況。②無障礙行車試驗：行車狀態下，在主梁上安放拾振器，記錄結構在不同車速下的振動響應，可以得到車輛對結構的沖擊系數，并獲得最不利的行車車速。（3）試驗結果。①脈動試驗：采用脈動法通過大利的IBIS-S（形監測系統）測量結構的自振特性，圖1測試分析所得的結構頻譜分析圖。測點為中跨跨中，通過頻譜分析圖可以得到結構的基頻，匯總結果見表1。由表1可知，意大利的IBIS-S（形監測系統）測量得到的橋梁基頻分別為2.52，理論計算得到的橋梁基頻為2.17Hz，與實測頻率相比偏小，說明結構實際剛度稍大于計算值，滿足要求。②無障礙行車試驗：無障礙行車試驗主要用來檢驗橋梁結構在行車狀態下的動力響應，測試結構的沖擊系數和阻尼比等參數。意大利IBIS-S（形監測系統）采用地面雷達干涉測量技術進行遠程測試，儀器架設在邊跨跨中正下方，車速10km/h時的測試結果見下圖2所示。根據實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，不同車速及不同行駛方向的沖擊系數表2中。③阻尼比。采用意大利IBIS-S根據無障礙行車試驗跑車余振波動，采用波形法可以粗略的計算結構的阻尼比，測得余振波形圖見圖3。

按照波形阻尼法由實測波形圖可計算得結構的阻尼比為0.0112。一般混凝土橋梁結構阻尼比（0.01～0.08）范圍內，可以認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，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動輸入問題。

五、教學效果

通過這門課程的學習加強了學生對結構動力學的這門課程的認識，使學生既掌握了扎實的理論基礎，又能和工程實踐聯系起來，解決工程問題。（1）學生學習興趣濃厚，思維靈活，對問題有自己的見解。（2）善于思考，勇于質疑。課堂氣氛活躍，學生們均有所收獲。（3）結合課堂教學，使學生的學習能力、實踐動手能力、分析和解決問題等能力與綜合素質得到提高和加強。（4）課堂教學效率達到較好水平。

參考文獻：

[1]劉晶波，杜修力.結構動力學[M].北京：機械工業出版社，2004.

[2]陳清軍，李文婷.結構動力學課程多元化教學方法探討[J].高等建筑教育，2015，24（02）.