橋梁風工程理論與實踐的本科教學探索

孫延國 徐騰飛 梁 艷 李明水 馬存明

（[1]西南交通大學土木工程學院橋梁工程系 四川·成都 610031；[2]西南交通大學風工程試驗研究中心 四川·成都 610031）

0 引言

2020 年5 月5 日下午，虎門大橋橋面發生了由風引起的長時間較大幅度渦激振動，致使全橋實施雙向全封閉，禁止車輛通行，引發公眾高度關注，造成不利的社會影響。實際上，大橋發生的是一種常見風致結構振動現象。在此之前，我國的鸚鵡洲大橋、西堠門大橋等也都發生過不同程度的風致振動現象。丹麥的大貝爾特橋，日本的東京灣橋、韓國的李舜臣大橋，俄羅斯的伏爾加河大橋也出現過類似的現象。[1]這些橋梁之所以會發生風致振動現象，除了與大橋結構輕柔的特點有關外，或多或少與橋梁設計和施工技術人員對抗風的認識不足有關。風致振動問題往往是大跨度橋梁設計和施工中的控制性因素之一，若在橋梁的設計之初予以充分關注，這類現象是可以減弱或者避免的。

教育部在《關于深化本科教育教學改革全面提高人才培養質量的意見》中，明確指出本科教育應立足經濟社會發展需求和人才培養目標。隨著我國經濟社會的快速發展，未來將會有越來越多的大跨度和超大跨度的橋梁被修建，橋梁的風致振動問題將會變得尤為突出，面對這一新形勢，土木工程專業本科教學必須做出相應的改革。因此，在廣大的土木工程專業人才培養體系中加入橋梁風工程相關內容，探索切實可行且有效的教學方法，推廣和普及橋梁風工程的理論和實踐變得尤為必要。

圖1 橋梁風工程課程學科體系

“橋梁風工程”是研究風與橋梁結構相互作用以及減小其風致響應和風毀事故的學科，[2]是土木工程專業領域中的新興學科。自上世界80 年代以后我國開始風工程領域的相關研究，中國空氣動力研究中心、同濟大學、西南交通大學等科研單位和高校先后建成了風洞實驗室。進入21 世紀后的近20 年時間里，我國在風工程領域的硬件和從業人員的數量方面得到了突飛猛進的發展。但與我國土木工程建設的高度發展相比，風工程領域的專業人才仍然嚴重不足。目前風工程領域人才的培養主要依靠導師帶領研究生開展一些科研活動，數量十分有限，且多數學生僅從事科研活動，對工程領域的貢獻十分有限。[3]然而在橋梁設計、施工領域對風工程領域人才的需求越來越旺盛。目前，國內已有同濟大學等幾所高校為本科生開設橋梁風工程的限選或者選修課程。[4]西南交通大學是國內最早開展風工程研究的單位之一，是國內外知名的橋梁風工程研究單位，在橋梁風工程研究領域形成了自己的特色及優勢。[5]西南交通大學在本科生“土木工程概論”課程中開設了橋梁與結構風工程的通識教育課程，另外從2004 年開始為本科生開設橋梁風工程方向的限選課程，對土木工程專業方向的本科生進行風工程方向的教學實踐，旨在培養土木工程專業學生的專業綜合素質。作者結合多年來課程的教學實踐經驗，對橋梁風工程的理論和實踐教學進行了一些改革和探索，并取得了一定的效果。

1 教學面臨的問題

1.1 多學科交叉，知識點分散

橋梁風工程是一門典型的交叉學科。[2]由圖1 的課程學科體系圖可以看出，從荷載的角度，橋梁風工程涉及氣象學、計算流體力學、空氣動力學等學科；從結構的角度，橋梁風工程又涉及結構動力學、橋梁工程學等專業知識；從研究和實踐的角度，還涉及風洞試驗技術。從應用的角度，還要涉及橋梁抗風設計標準等。因此，對于這種涉及領域較多的學科，教學中不可避免的面臨著知識面廣、知識點分散、邏輯性不強等諸多困難。此外，對于土木工程專業的學生，還存在學生相關基礎薄弱的問題。這些都是橋梁風工程教學過程中存在的普遍問題，學生在學習過程中往往感覺無從下手，存在對學科知識掌握的體系性和關聯性差等問題，學習質量偏低。

1.2 教學體系不完善、教學方法單一

橋梁風工程作為一門本科生課程時間較短，國內已開展這門課程的高校數量十分有限，存在著教學經驗不足、教學體系不完善的問題。一直以來橋梁風工程課程的教學方法大都采用以理論教學為主，實踐教學為輔的傳統教學模式。大部分學時采用理論教學，少部分學時采用實踐教學。理論教學多采用傳統的知識點講解的教學方法，存在著學生學習較盲目，學習興趣不高的缺點，加之橋梁風工程存在上述的知識面廣、知識點分散的特點，學習效果更無法得以保證。在實踐教學環節，通常做法都是帶領本科生參觀風洞，重點介紹風洞的構造、功能和實驗室已完成的科研項目等，無法深入了解橋梁風洞試驗的具體內容，更沒有機會參與其中。現階段這種教學方法對于實踐性要求強的課程是無法滿足的。

1.3 風洞設備專業度高、實踐環節薄弱

風洞實驗室建設規模大、投資高，定位于研究，主要服務于科研和重大工程項目。風洞試驗使用的橋梁模型制作復雜、成本高，實驗室儀器比較精密、操作復雜、專業度要求高，本科生難以直接操作。[6]在實踐教學時，學生需要在專業人員的指導和協助下進行。因此，在本科生中開展橋梁風工程的實踐教學存在很大的難度。在以往的教學活動常常將實踐環節弱化，通常只是帶領學生進行走馬觀花式的參觀，造成課程實踐環節薄弱，學生無法將所學的理論知識具化，教學效果十分有限。

2 課程教學方法探索

面對橋梁風工程在本科教學中存在的諸多現實問題，作者結合自身多年的專業知識和授課經驗，在橋梁風工程的課程體系和教學方法等方面進行了改革和探索。

2.1 采用逆向教學，優化教學體系，瘦身知識點

針對橋梁風工程課程多學科交叉、知識點分散以及學時有限的特點。對于土木工程專業的本科生來說，風荷載以及風引起的各種振動響應時本科教學的重點。首先應該抓住這條重點主線，將知識體系擴展到相關的學科領域，采用逆向教學，從實際應用出發，縷清知識體系、突出重點，在非常有限的學時內讓學生理解和掌握橋梁風工程強相關的知識架構。例如，由于橋址處的氣象數據多是由氣象部門或者氣象學的專業人員進行分析提供，因此在講解氣象學的相關內容時，重點介紹與橋梁抗風所關注的平均風、脈動風等基本概念，將自然風的成因和影響因素等知識作為次要內容來講解。在講解橋梁的風致振動時，從渦激振動、顫振、抖振等常見的幾種振動現象出發，重點講解各種風致振動所帶來的危害和如何減弱和消除這種危害，然后，再向學生講授量化評價這一危害的各種手段，包括經驗公式、抗風規范和風洞試驗等。將復雜的流動分離與附著、流固耦合等流動機理作為次要內容進行講解，同時為了便于理解，可借助于矩形、圓柱等簡單鈍體斷面的風致振動進行介紹。圍繞著實際應用這條主線對繁雜的知識點進行瘦身，學生在學習過程中的思路更加清晰，目的更加明確，并能形成完整的知識體系。

2.2 理論與實踐相結合，實踐先于理論

橋梁風工程課程是一門實踐性很強的課程，僅僅采用傳統知識講解式的教學方法，無法達到好的學習效果。通過課堂調查發現，在親眼目睹橋梁的各種風致振動現象以前，學生很難理解風對大跨度橋梁產生的作用如此之大。可見實踐在學習過程中的作用是無法忽視的，必須遵循理論與實踐相結合，甚至是實踐先于理論的方法。因此，在開始講授理論基礎課之前，首先都過觀看視頻資料和風洞參觀了解風對橋梁的各種作用，使學生能夠聯系到身邊發生的各種風致振動現象，如樹葉隨風晃動、旗桿隨風擺動、飛機機翼失速等等。此外，在進行理論講解的過程中，也不斷穿插實踐課程，讓學生在學習每種風致振動現象后都能夠通過風洞實驗室或者數值模型觀察到相應的風致振動現象，加深對理論知識的理解。針對風洞實驗室科研任務繁忙，為學生提供的實踐環節偏少的問題，風洞實驗室采用制作標準橋梁演示模型，優化科研時間安排，固定學生科研實踐時間，配備實踐課研究生助教等方式滿足本科生橋梁風工程課程實踐需要。

2.3 風洞實驗與數值計算結合，豐富教學方法

目前，橋梁風工程的主要研究手段是風洞試驗，因此該課程的教學必須要具備風洞中的實踐環節。西南交通大學每年也會為本科生設置大量的與橋梁抗風有關的SRTP 項目、重點實驗室本科生開放課題、抗風設計大賽等科研實踐活動，讓本科生參與橋梁結構的風洞試驗。然而，在風洞中進行橋梁抗風試驗時，學生僅能看到橋梁結構的振動情況，無法直觀地觀察到橋梁表面的氣流及流場分布等情況，不便于學生理解。近年來隨著計算機技術的發展，數值模擬技術在橋梁風工程中的應用也逐漸廣泛，在課程教學中，充分利用計算機數值模擬技術輔助教學。例如，在講解橋梁斷面的渦激振動時，氣流流經橋梁斷面后產生周期性的旋渦分離和附著，當旋渦的頻率與橋梁的振動頻率接近時便會產生渦激振動，但是僅從理論上講解這一流固耦合現象，學生難以理解，教學效果較差。從風洞試驗中也只能看到模型的振動情況，無法觀察到橋面的氣流。在教學過程中，采用計算機數值分析的結果（如圖2 所示）對橋梁的渦激振動進行動態展示，學生可以直觀的看到風在橋梁的主梁表面產生的交替旋渦，在安裝抑振措施以后，這些旋渦減小或者消退，渦激振動便得以抑制。學生由此可以與理論知識聯系起來，學習效果顯著提升。

圖2 橋梁主梁斷面流跡教學展示圖

3 結論

針對橋梁風工程的多學科交叉和實踐性強等特性，存在知識面廣、知識點分散，教學體系不完善、教學方法單一，實踐環節薄弱等諸多現實難點。本文圍繞著橋梁風工程課程本科教學中風荷載和橋梁的風致振動響應這一重點主線開展相關教學活動，從實際應用出發，采用逆向教學的方法，梳理和優化教學體系，對知識點進行簡化瘦身，采用理論與實踐相結合，風洞實驗與數值計算相結合等教學手段，對課程的教學方法進行了改革探索。通過考試測試和學生調查，該教學方法顯著提升了學生對橋梁風工程的學習興趣和積極性，絕大多數同學能夠深入掌握課程的主要知識點，科研能力也得到了鍛煉，教學效果良好。