建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程教學(xué)方法探索

王建

摘要：

針對土木工程專業(yè)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程教學(xué)現(xiàn)狀和課程特點，結(jié)合教學(xué)實踐經(jīng)驗，探索采用加強(qiáng)課程間聯(lián)系、震害系統(tǒng)性分析、比較各國抗震設(shè)計方法和增強(qiáng)實踐環(huán)節(jié)等措施，推進(jìn)以基本概念為主導(dǎo)的教學(xué)方法，增強(qiáng)學(xué)生課程知識的系統(tǒng)性，加深學(xué)生對專業(yè)知識的理解程度，提升建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計；教學(xué)方法；課程聯(lián)系；震害分析

中圖分類號：TU3521；G6420文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

10052909（2018）02008004

中國屬于地震多發(fā)國家，減輕地震災(zāi)害、保護(hù)人民生命安全，對保障社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活有著重要的作用，其中建筑結(jié)構(gòu)抗震減震是減輕地震災(zāi)害的有效技術(shù)手段。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是土木工程學(xué)科的專業(yè)課之一，是一門建立在震害調(diào)查基礎(chǔ)上的理論性與實踐性很強(qiáng)的課程[1]，該課程對培養(yǎng)抗震意識、理解抗震理念、掌握抗震設(shè)計的專門人才有重要作用，目前很多學(xué)校的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計都是必修課程。

地震具有很強(qiáng)的不確定性、結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的非線性以及地震作用屬于動力荷載的特點，因此相對其他土木工程專業(yè)課程，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程理論不夠系統(tǒng)、成熟，課程實際教學(xué)效果中學(xué)生對抗震設(shè)計流程不熟練、抗震設(shè)計理念掌握得不扎實，不能靈活運用抗震知識。在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程改革方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出在教學(xué)改革中要堅持理論與實際相結(jié)合，堅持教學(xué)、科研一體化，強(qiáng)化師資隊伍建設(shè)，注重互動、啟發(fā)的教學(xué)方法，建立長效考核機(jī)制的建議[2]。同濟(jì)大學(xué)提出形成以反應(yīng)譜理論、概念設(shè)計為主線的教學(xué)理念，并突出結(jié)構(gòu)變形能力的重要性，討論了地震震害特點、抗震設(shè)防原則、地震作用計算和概念設(shè)計及構(gòu)造措施等四個方面的教學(xué)要點[3]。湖南大學(xué)提出土木工程專業(yè)應(yīng)按照“大土木”的思想，將建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程拓展為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程，在教材建設(shè)、課程教學(xué)等方面做出調(diào)整和改革建議[4]。武漢大學(xué)提出合

理安排教學(xué)內(nèi)容、重視理論推導(dǎo)、教學(xué)與規(guī)范相結(jié)合以及重視實踐教學(xué)的教學(xué)建議[5]。由此可見，突出“教、學(xué)、研”一體化，教學(xué)和科研緊密結(jié)合，課程教學(xué)和實踐教學(xué)相結(jié)合是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程教學(xué)的共同認(rèn)識，同時應(yīng)充分調(diào)動學(xué)生的主動性和積極性，以達(dá)到培養(yǎng)建筑抗震綜合素質(zhì)型人才的教育目的[6]。

筆者在承擔(dān)該課程的教學(xué)過程中，根據(jù)本專業(yè)學(xué)生思維特點和學(xué)習(xí)情況，總結(jié)了該課程的教學(xué)過程應(yīng)主要強(qiáng)調(diào)基本概念、基本理論以及知識體系的寬度，尤其要重視與相關(guān)課程知識體系間的銜接，使學(xué)生系統(tǒng)性地掌握抗震知識。

一、建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程現(xiàn)狀

在土木工程專業(yè)四年制本科教學(xué)中，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程通常安排在第六學(xué)期或第七學(xué)期開展，一般為32學(xué)時。該課程不僅要求學(xué)生有較好的數(shù)學(xué)（微分方程、概率論）、力學(xué)（材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)）以及動力學(xué)（單自由度、多自由度結(jié)構(gòu)動力分析）基礎(chǔ)，而且要求學(xué)生熟知建筑材料（砌體、混凝土、鋼材）、地基基礎(chǔ)、砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)等專業(yè)課程知識。如何綜合運用這些知識，理解掌握抗震設(shè)計理論和方法是課程學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程的教材通常包含了大量中國抗震設(shè)計規(guī)范[7]的條文、公式以及表格，條文涉及了許多調(diào)整系數(shù)和抗震構(gòu)造措施，內(nèi)容相對乏味且規(guī)律性不強(qiáng)。另外，由于建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程與其他課程存在聯(lián)系，檢驗教學(xué)效果需要涉及很多其他課程的知識，過多的知識重復(fù)容易降低學(xué)生課堂注意力，且學(xué)生對相關(guān)知識掌握程度的差異影響課程教學(xué)效果。

總的來說，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程具有以下特點：理論難度較大、知識面廣、綜合性強(qiáng)、實踐教學(xué)少。

二、建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計教學(xué)方法探索

（一）加強(qiáng)課程間聯(lián)系，拓展知識和能力的深度和寬度

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計是土木工程專業(yè)本科生階段以結(jié)構(gòu)動力學(xué)作為主要理論基礎(chǔ)的專業(yè)課，其前繼專業(yè)基礎(chǔ)課程有理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和鋼結(jié)構(gòu)基本原理及設(shè)計等，它們主要以結(jié)構(gòu)的靜力分析和設(shè)計為主，與結(jié)構(gòu)的動力分析有很大差別，而且在工程抗震設(shè)計實踐中仍主要采用等效靜力的設(shè)計方法。因此強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程與前繼專業(yè)基礎(chǔ)課程之間的聯(lián)系和區(qū)別尤為重要。

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的首要任務(wù)是確定地震作用，它與混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計流程完全相同，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)設(shè)計的最不利荷載。反應(yīng)譜理論是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的核心概念，其目的就是確定結(jié)構(gòu)的地震作用，同時反應(yīng)譜理論又是結(jié)構(gòu)動力分析和等效靜力分析的聯(lián)系紐帶（如圖1所示），是與其他課程的重要區(qū)別。因此，授課老師不僅要講清楚反應(yīng)譜理論的基本概念，更要清晰闡述如何通過反應(yīng)譜理論從結(jié)構(gòu)動力分析轉(zhuǎn)換為等效靜力分析。

單條地震動時程記錄的反應(yīng)譜曲線是通過單自由度結(jié)構(gòu)動力時程分析直接得到，規(guī)范中的設(shè)計譜是通過統(tǒng)計大量地震動時程記錄的加速度反應(yīng)譜曲線，并結(jié)合經(jīng)驗進(jìn)行平滑處理得到。因此通過規(guī)范中的設(shè)計譜可以近似得到單自由度結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)最大恢復(fù)力，將該力作為側(cè)向荷載作用到單自由度結(jié)構(gòu)的質(zhì)點處進(jìn)行設(shè)計，即完成了結(jié)構(gòu)動力分析轉(zhuǎn)換為等效靜力分析的過程。

規(guī)范中的設(shè)計譜本質(zhì)上是用來預(yù)估結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)可能遭受的地震作用，在前繼課程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理和鋼結(jié)構(gòu)基本原理及設(shè)計中，荷載匯集同樣是為了確定結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的最不利荷載，其區(qū)別為恒荷載和活荷載是靜力荷載，地震作用是動力荷載。因此，荷載匯集可以作為這些課程間的橋梁和紐帶，以荷載匯集為課程間知識聯(lián)系點講授反應(yīng)譜理論，一定程度上可拓展學(xué)生知識和能力的深度和寬度，加強(qiáng)課程間在培養(yǎng)學(xué)生知識、能力和素質(zhì)等方面的內(nèi)在聯(lián)系，將各門課程粘合成一個聯(lián)系緊密的整體。

（二）重視震害系統(tǒng)性分析，點面結(jié)合形成知識體系

地震給人類帶來災(zāi)難的同時也給人類呈現(xiàn)出寶貴的抗震資料，抗震設(shè)計理論是在大量實際經(jīng)驗和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上發(fā)展的，幾乎每經(jīng)歷一次大地震，都將呈現(xiàn)出未曾顯現(xiàn)或重視的震害現(xiàn)象，抗震設(shè)計理論就會隨之得到發(fā)展。由于地震的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的滯回非線性，抗震設(shè)計理論經(jīng)過一個世紀(jì)的發(fā)展，仍未形成系統(tǒng)成熟的理論。結(jié)構(gòu)的震害，尤其是砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的震害還不能準(zhǔn)確解釋。因此，歷史上成熟的震害經(jīng)驗就顯得尤為寶貴，了解抗震設(shè)計理論的發(fā)展史將有助于加深學(xué)生對抗震理論的認(rèn)識，拓展學(xué)生知識面。

例如，2008年汶川8.0級特大地震和2010年玉樹71級地震中，中小學(xué)校舍建筑破壞較為嚴(yán)重，并導(dǎo)致許多中小學(xué)生傷亡。根據(jù)2010年玉樹地震震害調(diào)查資料，中小學(xué)校舍建筑是所有調(diào)查建筑物中破壞最嚴(yán)重的建筑類型，嚴(yán)重破壞和倒塌的占76%，其中倒塌占21%。汶川地震中鋼筋混凝土框架校舍建筑的震害現(xiàn)象為：框架柱震害明顯比框架梁嚴(yán)重，不符合一般框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”原則，而且結(jié)構(gòu)底層柱頂破壞比柱腳嚴(yán)重。通過震害照片、數(shù)值模擬分析結(jié)果系統(tǒng)闡述這一震害，指出震害的原因和解決方案：必須提高校舍建筑的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，深化落實“強(qiáng)柱弱梁”的抗震措施，對學(xué)生產(chǎn)生知識點“爆炸沖擊”，讓學(xué)生從震害分析中獲取抗震知識，牢固掌握結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計理念。

（三）比較各國抗震設(shè)計方法，強(qiáng)化抗震設(shè)計思想

中國抗震規(guī)范采用兩階段設(shè)計方法來實現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三個水準(zhǔn)基本設(shè)防目標(biāo)，大部分結(jié)構(gòu)只需要進(jìn)行第一階段設(shè)計，即采用小震的地震作用進(jìn)行截面承載力驗算和彈性層間位移驗算；通過抗震措施來實現(xiàn)第二和第三水準(zhǔn)的性能要求。日本建筑基準(zhǔn)法規(guī)定了兩個水準(zhǔn)的抗震設(shè)計，第一水準(zhǔn)相當(dāng)于中國的中震水平，按照容許應(yīng)力驗算結(jié)構(gòu)的彈性強(qiáng)度；第二水準(zhǔn)相當(dāng)于中國的大震水平，進(jìn)行結(jié)構(gòu)層間變形、極限層剪力、剛度率和偏心率驗算。美國抗震設(shè)計規(guī)范按照設(shè)計地震（相當(dāng)于中國的中震水平）進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震承載力驗算和變形驗算，通過選擇結(jié)構(gòu)的不同延性等級來滿足相應(yīng)設(shè)防水準(zhǔn)的要求，采用結(jié)構(gòu)反應(yīng)調(diào)整系數(shù)R來折減彈性地震作用，從而考慮結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能力對彈性反應(yīng)譜進(jìn)行折減。

通過橫向?qū)Ρ戎小⑷铡⒚揽拐鹪O(shè)計方法的異同，突出抗震設(shè)計的核心理念和中國抗震設(shè)計方法的特點。中國第二水準(zhǔn)和第三水準(zhǔn)抗震目標(biāo)的實現(xiàn)屬于定性設(shè)計，雖然簡化了計算過程，表面上降低了運用設(shè)計方法的難度，但要求更深入地理解和掌握，務(wù)必強(qiáng)調(diào)第二水準(zhǔn)和第三水準(zhǔn)是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的重中之重，是保護(hù)結(jié)構(gòu)抗震安全性的關(guān)鍵手段。通過對比各國抗震設(shè)計方法可以有助于學(xué)生理解、掌握抗震設(shè)計的關(guān)鍵點，更好地理解、運用中國的抗震設(shè)計方法。建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計應(yīng)巧妙地順應(yīng)自然、適應(yīng)自然，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)體系、關(guān)鍵構(gòu)件的塑性變形和耗能能力，才是降低地震災(zāi)害損失最有效的手段。

（四）加強(qiáng)實踐教學(xué)，全方位體驗抗震知識

學(xué)生對地震的認(rèn)識主要通過教材和教學(xué)PPT，渠道相對單一，教學(xué)手段應(yīng)充分利用網(wǎng)絡(luò)資源和實驗室資源。首先，讓學(xué)生觀看地震視頻形成視覺沖擊，如觀看美國國家地理頻道出品的《終極災(zāi)難·地震》片段，宏觀感受地震對地球、大地、結(jié)構(gòu)、室內(nèi)物品的影響；觀看日本E-Defense振動臺的足尺結(jié)構(gòu)試驗錄像，細(xì)致觀察結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動、變形以及破壞情況。然后，利用實驗室中模擬地震振動臺真實再現(xiàn)地震過程，讓學(xué)生如身臨其境般感受地震，以及讓學(xué)生觀看結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的靜力推覆試驗，了解結(jié)構(gòu)抗震試驗的基本情況。通過上述途徑讓學(xué)生全面了解地震、認(rèn)識結(jié)構(gòu)在地震下破壞情況，增強(qiáng)學(xué)生對于抗震知識的興趣和好奇心，以便帶著問題在課堂上學(xué)習(xí)抗震知識。

三、結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計目前上沒有統(tǒng)一的課程體系和教學(xué)大綱，但結(jié)構(gòu)抗震問題受到越來越多的關(guān)注，該課程對培養(yǎng)合格的土木工程專業(yè)人才顯得尤為重要。文章總結(jié)了幾點教學(xué)方法和經(jīng)驗，在今后的教學(xué)實踐中仍將繼續(xù)探索完善，總體來說該課程應(yīng)重視與其他課程的聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)震害經(jīng)驗及其與各知識點的聯(lián)系，了解各國抗震設(shè)計方法并能靈活運用。因此，該課程應(yīng)繼續(xù)倡導(dǎo)“以基本概念為主”的教學(xué)理念，以反應(yīng)譜理論和構(gòu)件延性為主線，通過震害分析的點面結(jié)合開展課堂教學(xué)，多啟發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)好奇心，增強(qiáng)學(xué)習(xí)積極性，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。參考文獻(xiàn)：

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Abstract：

Based on the characteristics of the seismic design of building course and teaching experience， several methods are proposed for the colleagues， such as enhancing the integrity of courses， analyzing seismic damage，comparing seismic design methods， and increasing practice. All of trails are aiming to further enhance the teaching of fundamental concepts， develop the systematicness and understanding of seismic knowledge， and improve teaching effectiveness.

Keywords： seismic design of building； teaching method； course integrity； analyzing seismic damage

（編輯胡玥）