土木工程專業抗震概念設計理念提升的研究★

周海燕 王亞萍 張 晨

(1.南通城欣市政工程有限公司，江蘇 南通 226000; 2.南通大學杏林學院，江蘇 南通 226019)

土木工程專業的最大特點是實踐性很強，對于該專業學生要求具有動手能力強、勇于探索、敢于創新和綜合素質高等要求。畢業設計是學生即將走上結構工程師工作崗位的最后一個綜合訓練環節，要綜合提升學生處理設計、施工以及管理等各種問題的能力，教學質量的優劣直接影響到學生的崗位適應性。這要求學生不是簡單地將教材和規范中的標準與要求直接套用到設計、施工中。因此，畢業設計教學質量的優劣將直接影響學生走上結構工程師工作崗位的適應性。筆者多年的工程實踐經驗和教學經歷表明，工程結構抗震概念設計理念的提升能有效強化學生工程應用的能力。

1 抗震概念設計的必要性

作為一個地震多發的國家，我國需要考慮抗震設防的地域遼闊。2008年5月12日四川汶川發生特大地震，直接經濟損失達8 000多億元人民幣[1，2]。由于地震具有很強的不確定性和復雜性，目前很難準確預測建筑物在地震作用下的特性和參數[3]。結構分析中，一方面未能充分考慮結構材料的非彈性特性、材料時效、結構的空間作用以及阻尼變化等因素。另一方面，計算也存在著不準確性。因此，工程的抗震設計不能依賴于“計算”來解決，而應該著眼于“概念設計”。

抗震概念設計是指從結構的宏觀體系出發，以系統結構的觀點，立足于結構整體反應，解決結構的總體方案、材料特性、結構分析計算、構件截面設計、節點構造等問題，力求結構設計方案經濟、合理，并達到合理抗震設計的目的[4]。工程抗震概念設計目標是能發揮整體結構耗散地震能量的作用，避免結構敏感薄弱部位的出現。一般說來，如果地震能量的聚散集中在結構的少數薄弱部位，將導致結構的過早破壞。目前，各種工程抗震設計的前提是假定結構整體共同發揮地震能量耗散的作用。在此假定基礎上以多遇地震(即小震)作用效應進行結構分析、構件設計和構造處理措施。必要時，考慮應用彈性時程分析方法補充計算，以達到結構在罕遇地震作用下不倒塌目標(即大震不倒)[5]。工程抗震設計規范明確規定，結構抗震概念設計對工程的抗震性起決定性作用。因此，規范在相關條文中強調要進行建筑與結構的抗震概念設計。不僅如此，工程·抗震規范中還將該條款列入強制性條文:即建筑與結構設計應符合工程抗震概念設計的要求[6]。

因此，土木工程專業學生在進行工程結構設計時，無論選擇哪種建筑形態，無論選用何種材料以及何種結構形式，歸根結底都要具有明確的工程抗震概念設計理念，并貫穿于工程設計全過程。一位好的結構工程師只有具備了良好的工程抗震概念設計理念，才能提出合理的、優化的結構方案，才能在結構的計算與分析中思路清晰，對計算結果的正確與否能進行判斷，并合理地進行相關構件的構造設計。此外，優良的工程抗震概念理念也便于工程施工的指導。土木工程專業畢業設計作為專業教學計劃的最后一個教學環節，也是最重要的一個環節，不僅要提升學生綜合應用專業知識的能力和工程實踐的能力，還要培養和強化該專業學生的工程抗震概念設計理念。

2 抗震概念設計理念的不足

近幾年，高等教育逐漸從單一的“專才”教育方式向著“通才”教育和“專才”教育相結合的方式轉變。隨著教學改革的不斷深入，新的問題不斷出現。

2.1 專業知識的深度不足

目前，土木工程專業本科生在三年半的時間內要學習幾十門課程之多，而其他非專業課程占用大部分教學學時，導致專業核心課程包括鋼結構、混凝土結構、砌體結構、復雜結構設計等教學的學時數比正常需要教學的學時數減少達1/4～1/3，其中工程抗震設計的課時數更少(32學時)。因此，教學中教師只講授一些結構的基本原理，沒有時間來講授工程的結構抗震概念設計理念以及工程應用案例，該部分內容一般只能安排學生自學。在沒有足夠的硬性規定下，完全靠學生的自學積極性，教學的效果是很難得到保證的，最終導致的結果是，一旦進入到畢業設計的階段，學生普遍感到專業知識獲取的太少，且深度明顯不足。當面對有一定工作量和難度的畢業設計任務時，他們根本就無從下手，有的甚至直接放棄結構抗震設計這一部分的設計內容，這種現象在歷年的畢業設計和畢業答辯中表現得非常突出，也給教師指導和組織畢業設計帶來了相當的困難。

2.2 基本概念模糊

先進的現代計算機技術已將工程設計人員從繁雜的體力和腦力工作中解脫出來，但工程設計人員中普遍感覺抗震計算原理不清、結構抗震概念模糊及抗震概念設計能力不足等。如，“抗震構造措施”和“抗震措施”兩個概念經常混淆不清。一般而言，“抗震構造措施”指依據抗震概念設計的基本原則，無需對結構進行具體計算，僅非結構的各部分所采取特殊的細部構造。“抗震措施”則是指在計算地震作用和結構抗力以外的抗震設計內容。它不僅包括:建筑總布置方案、結構體系選型、地基基礎抗液化設計以及考慮地震作用效應的調整等，還包括具體結構的細部構造，譬如，梁兩端箍筋加密、柱箍筋加密、搭接長度、連接構造、箍筋彎鉤構造、抗震錨固長度等等。應該說，后者部分內容涵蓋了前者。

2.3 專業知識認知結構非系統化

目前高校教學土木工程專業教學中，普遍重視結構單個構件和獨立分體系力學概念的講解。尤其在專業基礎課和專業課教學中，練習大多局限于單項計算，鮮有進行綜合的練習，學生則著重體現在做考題備考中。結果是，在三年半時間內學生學習了很多的專業基礎課和專業課，但這些課程的知識在學生的記憶中僅僅是孤立的小片段，不能有機地將各部分知識聯系起來，更無法形成完整而系統的專業認知知識體系。例如，學生在學習了專業課程:鋼筋混凝土、鋼結構、砌體結構和地基基礎等基本原理后，學生大多掌握的是構件承載力極限狀態設計方法，正常使用極限狀態設計概念薄弱，抗震的延性設計近乎空白。但是，強梁、強柱和強節點的框架結構并非意味著結構抗震性能良好。

由于受知識認知水平的限制和缺乏足夠的實訓機會，該專業學生的專業知識很難形成一個完整的系統。當學生面對畢業設計時，他們不知道該進行哪些工作，也不知道設計的基本程序和思路，更不知道具體計算時該用哪方面的知識。認知結構中的不足給學生畢業設計和教師的組織與指導進行帶來相當的困難，這也不利于學生今后專業技術的發展和業務能力的提升。

3 抗震概念設計理念的培養與實踐

抗震概念設計一般分為工程概念設計和理論計算兩大部分。其中，理論計算部分是工程設計人員基于結構計算模型的基本既定和受力分析狀態的假定，依據規范和計算理論基本原則，對工程主體結構進行結構計算和分析設計，由于理性計算不能解決所有的問題，規范也并非完全涵蓋工程的方方面面，在未明確規定和很難作出精確的計算部分，目前常用的方法是采用工程概念設計。參考數值分析結果，分析結構整體體系與結構構件之間的力學關系、結構在地震作用下破壞機制以及地震震害、工程試驗現象，形成工程概念設計的基本設計思想和原則。從結構整體的角度出發，提出工程結構的建筑、結構總體布置方案和結構構件細部的構造措施。針對這一現狀，筆者考慮將工程抗震概念設計理念的培養貫穿于土木工程專業畢業設計的整個教學實踐環節。

3.1 抗震設計方案的理解和應用

合理的結構方案和抗震體系是保證建筑抗震安全的重要因素，以5層的辦公樓為例，采用鋼筋混凝土框架結構，兩側為辦公區域，中間設內走廊。現有2個設計方案如圖1，圖2所示，方案1的結構體系抗震安全系數明顯要比方案2小。分析其原因有:方案1的塑性鉸首先出現在走廊處框架梁的梁端，內框架梁端塑性鉸出現后，兩側外框架梁又重新組成了一個相對穩定的框架結構，而方案1不能滿足此要求。但是，要形成圖2的塑性鉸機制，工程設計中應將走廊處框架梁的截面取得要弱一些和小一些，使該部分梁先屈服進而形成塑性鉸，如果框架梁截面相同則很難形成圖2塑性鉸機制。

圖1 兩側梁端塑性鉸機制

圖2 中間梁端塑性鉸機制

由兩種設計方案的對比不難發現，方案2的設計更合理。在滿足同樣的設計要求前提下，方案1和方案2體現了不同結構設計人員的工程抗震概念設計理念。此案例的講解與分析有助于學生明白工程結構概念設計理念的提升與培養，是提出科學、合理、安全和可靠結構方案的基礎。科學、合理的結構設計方案，才能真正做到強節點弱構件，即節點強度要高于構件強度，實現結構整體延性的有效增強。從而實現抗震概念設計中對框架結構的三個最基本要求“強剪弱彎、強柱弱梁和強節點弱構件”。

3.2 理解抗震計算與分析模型

目前，工程結構的計算是基于簡化的計算簡圖進行的，計算簡圖的選用適當與否是結構計算是否有效以及結構能否安全的前提條件。以一地震區帶底框的房屋抗震設計為例，在計算模型的建立過程中應考慮上、下結構是兩類截然不同的受力性質體系，二者的極限變形能力也是相差懸殊。小震時，上部磚房將起主要控制作用，在結構處于彈性階段時，應將磚墻部分作為驗算的重點;當上部磚房的磚墻開裂后，在結構處于非彈性階段時，則應將框架部分作為驗算的重點。還有一點值得注意的是，帶底框的房屋側向變形協調主要是靠樓板來保證的，因此樓板在水平方向應具有足夠的剛度。施工時，底層樓板一般需要全現澆以保證其達到足夠的水平剛度，還需要滿足樓板厚度的最小要求。

3.3 抗震構造措施的理解和應用

考慮地震作用時，不僅要領會和靈活運用抗震概念設計的計算理論，還需掌握相應的構造措施。如，建筑平面外墻轉角處的轉角窗是結構薄弱部位，應用抗震概念設計理念，可考慮在豎向構件間設置厚板、暗梁等可靠拉結以約束角部結構豎向抗側力構件。再如，抗震構造措施中有關節點部位的設計，考慮引入“抗開裂性能”概念，就此來比較節點偏心對梁與柱連接節點性能的影響。在地震區，規范規定構件連接節點不宜采取偏心過大的梁、柱連接形式，并且連接節點的實際承載力不得低于與節點所連構件的極限承載能力。

3.4 PKPM電算軟件的理解和應用

目前，PKPM系列建筑結構CAD系統軟件在工程設計方面得到了廣泛的應用，這要求學生能靈活應用該軟件進行結構設計，尤其是電算模型的建立。采用三維有限元SATWE軟件進行工程結構的空間分析計算充分模擬建筑結構的破壞形式，建立多個與實際結構體系相符合的力學計算模型。以進行地下室電算為例，該部分的力學計算模型有:1)考慮將地下室作為地上第一層，并與上部結構一起建模成為一個整體;2)直接將上部結構與地下室建成為一個整體模型。上述兩種力學計算模型各有優勢，可以相互補充，能較為真實反映結構的力學行為。

值得說明的是，工程結構設計效果的好壞不是軟件分析的多少，而應重視工程結構抗震概念設計。近年來，很多高校強調計算機應用教育，比如要求畢業設計全部用工程設計軟件計算和計算機出圖。卻忽略計算機設計過程存在一定的屏蔽效應，因而也消弱了學生手算過程的實訓程度，造成學生過度依賴計算分析，致使學生綜合運用能力普遍下降，對于工程結構體系則是概念模糊。這些與教育部目標培養具有創造力的工程師是極為不符的。

4 實踐指導的成效

筆者參與指導的土木工程專業(土木06，07和08級)學生的畢業設計教學實踐環節，取得了一定的成效，主要有以下幾點:

1)學生的畢業設計成果更為合理，學生在設計過程中考慮問題可以更加全面，設計思路、概念設計也更為清晰，具備了一定的工程抗震概念設計理念。

2)學生的畢業答辯結果顯示，學生能較好地回答有關結構概念設計的工程問題，進一步將各部分知識系統化。

3)通過畢業設計的實踐環節，有效地完善了學生的知識體系，提高了學生對工程結構進行技術分析與評價的能力。

隨著人們生活水平的不斷提高和社會經濟的飛速發展，對工程結構設計也將提出更高的要求和目標，尤其是工程結構抗震概念設計。全面提升土木工程專業畢業設計的質量，鍛煉畢業生的實踐能力和培養學生的綜合素質既是一個系統工程，又是一項長期任務，這需要工程界和教育界不斷開拓思路，有針對性地制定并實施可行的措施，才能在提高畢業設計質量上起到實效，并為社會培養出高質量的土木工程專業人才。

[1] 林樹枝.汶川地震災區房屋抗震加固及設計的幾點建議[M].北京:中國建筑工業出版社，2008:359-369.

[2] 閔 強.“強柱”加固理念在都江堰重建中的運用前景[M].北京:社會科學文獻出版社，2009:348-356.

[3] 楊宇飛.從汶川地震談合肥建筑抗震[J].工程與建設，2008，22(6):811-813.

[4] 李愛群，高振世.工程結構抗震設計[M].北京:中國建筑工業出版社，2005.

[5] 王亞勇，戴國瑩.建筑抗震設計規范疑問解答[M].北京:中國建筑工業出版社，2007.

[6] GB 50223-2008，建筑工程抗震設防分類標準[S].