建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

沈之容， 寧帥朋

(同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系， 上海　200092)

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實(shí)驗(yàn)課程改革

建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)設(shè)計(jì)

沈之容， 寧帥朋

(同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系， 上海200092)

建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)是建筑結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程重要組成部分。基于門式剛架知識(shí)點(diǎn)貫通的理念，在實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)中設(shè)計(jì)了平面剛架模型的動(dòng)力特性教學(xué)實(shí)驗(yàn)，通過課堂教學(xué)和實(shí)踐操作使學(xué)生掌握一般結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)據(jù)分析方法，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合前修專業(yè)課程“結(jié)構(gòu)力學(xué)”和“工程軟件應(yīng)用”，分別用理論和數(shù)值分析方法獲得平面剛架的動(dòng)力特性，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互驗(yàn)證，學(xué)生獲得新知識(shí)的同時(shí)也鞏固了已學(xué)知識(shí)，達(dá)到知識(shí)的融會(huì)貫通。

結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)； 動(dòng)力特性； 平面剛架； 教學(xué)設(shè)計(jì)

近年來隨著各類建筑越來越大型化、復(fù)雜化，工程設(shè)計(jì)往往要解決抗震、抗風(fēng)等問題，這就需要了解和研究結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性及其在風(fēng)荷載、地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)。結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)是發(fā)展結(jié)構(gòu)理論和解決工程計(jì)算方法的主要手段之一，與結(jié)構(gòu)理論、結(jié)構(gòu)計(jì)算一樣在結(jié)構(gòu)工程學(xué)科發(fā)展中已成為重要的一極[1]。由于教學(xué)學(xué)時(shí)數(shù)的限制和缺少相應(yīng)的動(dòng)力實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，目前我校“建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)”課程大綱中未安排結(jié)構(gòu)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)方面的教學(xué)內(nèi)容，而在土木工程專業(yè)本科生教學(xué)中都會(huì)有相關(guān)課程講授結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方面的理論知識(shí)。教學(xué)計(jì)劃不僅要符合當(dāng)代需要，還要注意現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、知識(shí)更新、學(xué)科發(fā)展趨勢以及與專業(yè)性內(nèi)容的銜接[2]。教育部、中國工程院關(guān)于《卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃通用標(biāo)準(zhǔn)》的通知中就指出，本科工程型人才要具有分析、提出方案并解決工程實(shí)際問題的能力，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)和進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)、技術(shù)改造與創(chuàng)新的初步能力[3]，而實(shí)踐教學(xué)在教育教學(xué)過程中既獨(dú)立于理論教學(xué)，又與之相輔相成，共同構(gòu)成大學(xué)完整的教學(xué)體系[4]，是本課程教學(xué)過程中的一個(gè)極其重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，注重學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)是必不可少的，因此急需轉(zhuǎn)變實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式[5]，構(gòu)建建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)的教學(xué)平臺(tái)，進(jìn)行演示和操作結(jié)構(gòu)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)，為本科生提供良好的學(xué)習(xí)和實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

1　教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

目前國內(nèi)開設(shè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力教學(xué)實(shí)驗(yàn)的高校多數(shù)是以受彎構(gòu)件為實(shí)驗(yàn)對象的[6]，而我們基于知識(shí)點(diǎn)貫通理念，選擇了目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)建筑的門式剛架為工程背景，以單跨單層平面剛架作為實(shí)驗(yàn)對象，自主設(shè)計(jì)了試件和實(shí)驗(yàn)裝置，開發(fā)了剛架結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性教學(xué)實(shí)驗(yàn)，結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室現(xiàn)有動(dòng)態(tài)信號(hào)測量儀器確定了加載和量測方法，測試其動(dòng)力特性，還指導(dǎo)學(xué)生分別通過結(jié)構(gòu)工程軟件和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本理論來分析試件的動(dòng)力特性，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行互相驗(yàn)證，學(xué)生通過課堂學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作不僅能掌握結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)測定方法，提升實(shí)踐操作能力，還能鞏固已學(xué)知識(shí)，使知識(shí)更有連貫性。

1.1指導(dǎo)思想

課程體系合理化、教學(xué)內(nèi)容優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)研究能力強(qiáng)、社會(huì)適應(yīng)面寬、有時(shí)代特色和社會(huì)需求基礎(chǔ)是本次實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)的基本指導(dǎo)思想。實(shí)驗(yàn)對象采用的是單跨單層平面剛架，這與我校土木工程專業(yè)之前開設(shè)的課程“建筑鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”及其課程設(shè)計(jì)中的知識(shí)點(diǎn)——門式剛架可以貫通。學(xué)生在上述課程中已經(jīng)學(xué)習(xí)了門式剛架的設(shè)計(jì)原理、設(shè)計(jì)過程、施工圖繪制等知識(shí)，在結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程中可學(xué)習(xí)到通過實(shí)驗(yàn)方法得到其結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。通過結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)課程的理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐，加深對門式剛架動(dòng)力特性的理解，使所學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)更完整。

教學(xué)實(shí)驗(yàn)采用了基本實(shí)驗(yàn)和拓展實(shí)驗(yàn)2個(gè)層次[7-8]。基本實(shí)驗(yàn)針對全體學(xué)生，要求實(shí)驗(yàn)實(shí)施、實(shí)驗(yàn)分析、理論計(jì)算與數(shù)值分析由學(xué)生獨(dú)立或協(xié)作來完成，達(dá)到基本教學(xué)要求。拓展實(shí)驗(yàn)則針對學(xué)有余力或今后有志學(xué)業(yè)深造的學(xué)生，教師指導(dǎo)、引導(dǎo)和鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新，體驗(yàn)創(chuàng)新過程，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)、綜合解決問題的能力和團(tuán)隊(duì)合作能力，為將來的學(xué)業(yè)深造和科學(xué)研究打下基礎(chǔ)。

1.2實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮驮?/p>

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆諟y定結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)的基本原理；掌握結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)中常用量測儀器的使用方法，了解其主要技術(shù)指標(biāo)，熟悉結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)的基本操作流程；掌握整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方法。

基本實(shí)驗(yàn)中激振方法采用自由振動(dòng)法，其原理是通過外力使平面剛架頂部在平面內(nèi)產(chǎn)生側(cè)向初位移后突然釋放，或借助瞬時(shí)沖擊荷載使之產(chǎn)生一個(gè)初速度，以激起平面剛架的自由振動(dòng)。振動(dòng)后其中的高階振型由于阻尼較大，很快衰減，只剩下基本振型的自由衰減振動(dòng)，從而求得平面剛架的基本頻率和阻尼比。通過量測同一時(shí)刻的各點(diǎn)振動(dòng)幅值，求得其基本振型。

拓展實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生用其他激振方法來獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，例如用強(qiáng)迫振動(dòng)法來測試結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的基本參數(shù)，其原理主要是對平面剛架施加強(qiáng)迫振動(dòng)后形成結(jié)構(gòu)的共振，通過采集結(jié)構(gòu)振幅和激振頻率之間關(guān)系來確定結(jié)構(gòu)的基本自振頻率。此外可鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力加載實(shí)驗(yàn)，通過查閱文獻(xiàn)、擬定實(shí)驗(yàn)方案、采用不同的動(dòng)力加載方式獲得平面剛架的位移、速度、加速度等動(dòng)力響應(yīng)參數(shù)，從而培養(yǎng)學(xué)生探索和研究的興趣，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和研究能力。

1.3試件、加載及測量儀器

(1) 試件。實(shí)際工程中門式剛架梁和柱采用焊接工字鋼，梁柱節(jié)點(diǎn)采用高強(qiáng)度螺栓摩擦型連接，考慮到實(shí)驗(yàn)采用模型試件[9]，沒有小規(guī)格的工字鋼構(gòu)件，試件剛架梁和柱采用方鋼管40 mm×3 mm，材質(zhì)為Q235B鋼，柱高度為1.5 m，梁跨度為1 m，柱腳與實(shí)驗(yàn)臺(tái)座用錨栓在平面內(nèi)固接，梁柱節(jié)點(diǎn)采用對接焊縫連接替代實(shí)際工程中的螺栓連接。平面剛架試件軸線尺寸和加速度傳感器布置圖及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場照片見圖1、圖2。

圖1　平面剛架試件軸線尺寸和加速度傳感器布置圖

圖2　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場照片

(2) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集儀器采用DH5922N通用型動(dòng)態(tài)信號(hào)測試和分析系統(tǒng)以及配套的DH105E型壓電式加速度傳感器[10]。

(3) 加載方式及數(shù)據(jù)采集。正式實(shí)驗(yàn)時(shí)先啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序，在剛架梁柱節(jié)點(diǎn)處平面內(nèi)施加2.2 mm的水平初位移后釋放，試件開始自由振動(dòng)，同時(shí)執(zhí)行連續(xù)采集，采集時(shí)間為50 s。

1.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)數(shù)據(jù)采集儀器得到的數(shù)據(jù)，既可以由分析系統(tǒng)程序分析(通過快速傅里葉變換)求得自振頻率為17.09 Hz(見圖3)，也可從采集的數(shù)據(jù)中截取一段，例如選取某一段時(shí)間間隔為1.76 s的30個(gè)振動(dòng)周期(見圖4)，可求得每個(gè)振動(dòng)周期為0.0587 s，即得到自振頻率為17.05 Hz，同時(shí)可求得結(jié)構(gòu)阻尼比：

(1)

式中，N為周期數(shù)，a1和a2分別是截取數(shù)據(jù)中的第1和第30個(gè)周期的加速度值。

圖3　頻譜分析結(jié)果

圖4　截取部分?jǐn)?shù)據(jù)分析

1.5數(shù)值和理論分析

數(shù)值分析時(shí)可引導(dǎo)學(xué)生分別采用目前主流的2款結(jié)構(gòu)有限元分析軟件ANSYS和SAP2000對試件進(jìn)行模態(tài)分析，這部分內(nèi)容與學(xué)生前修的“工程軟件應(yīng)用”課程內(nèi)容相銜接。

(1) 采用ANSYS分析剛架動(dòng)力特性。ANSYS建模[11]時(shí)構(gòu)件規(guī)格均與試件相同，數(shù)值模型采用Beam188單元，取鋼材彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，材料本構(gòu)關(guān)系為理想的彈塑性模型。ANSYS計(jì)算的平面剛架前3階自振頻率分別為：12.65 Hz(剛架平面外平動(dòng)振型)、20.54 Hz(剛架平面內(nèi)平動(dòng)振型)和28.56 Hz(扭轉(zhuǎn)振型)，其中前2階振型見圖5、圖6。

圖5　ANSYS分析得到的剛架一階振型圖

圖6　ANSYS分析得到的剛架二階振型圖

(2) 采用SAP2000分析剛架動(dòng)力特性。SAP2000建模[12]時(shí)選擇的構(gòu)件規(guī)格、材質(zhì)也與試件相同。SAP2000計(jì)算的剛架結(jié)構(gòu)前3階自振頻率分別為：12.47 Hz(剛架平面外平動(dòng)振型)、20.34 Hz(剛架平面內(nèi)平動(dòng)振型)和27.80 Hz(扭轉(zhuǎn)振型)，其中前2階振型圖見圖7、圖8。

圖7　SAP2000分析得到的剛架一階振型圖

圖8　SAP2000分析得到的剛架二階振型圖

(3) 集中質(zhì)量法分析剛架動(dòng)力特性。該法運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論知識(shí)將平面剛架的連續(xù)分布質(zhì)量集中在橫梁處，其余位置不再存在質(zhì)量，這樣將無限自由度結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為有限自由度結(jié)構(gòu)，計(jì)算簡圖如圖9所示。用力法計(jì)算出結(jié)構(gòu)在單位力作用下的彎矩圖如圖10所示。由剛度法計(jì)算可求得δ：

(2)

圖9　集中質(zhì)量法計(jì)算簡圖

圖10　單位力作用下的剛架彎矩圖

1.6結(jié)果對比分析

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析得到的平面剛架基本自振頻率列于表1，由于試件所受的平面內(nèi)激勵(lì)與第2振型方向一致，因而數(shù)值分析結(jié)果取其平面內(nèi)頻率作為剛架基本自振頻率。

表1　各種方法得到的平面剛架基本自振頻率　Hz

從表1中可看出實(shí)驗(yàn)結(jié)果比數(shù)值和理論分析值要偏小，分析其原因如下：

(1) 試件柱腳約束不足，無法達(dá)到完全剛接的效果，降低了剛度，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏小。

(2) 試件梁柱節(jié)點(diǎn)雖然采用對接焊接的形式，但由于試件壁較薄，振動(dòng)過程中梁柱仍存在相對轉(zhuǎn)角，無法達(dá)到完全剛接的效果，降低了剛度，造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏小。

(3) 數(shù)值分析時(shí)未考慮加速度傳感器產(chǎn)生的附加質(zhì)量，由于加速傳感器單重為0.165 kg，布置在梁端，客觀上增大了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，使得數(shù)值分析結(jié)果偏大。運(yùn)用ANSYS分析加上傳感器質(zhì)量后的剛架得到的自振頻率降低到20.2 Hz。

以上偏差原因分析在教學(xué)過程中可要求學(xué)生來進(jìn)行，還可進(jìn)一步指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)試件及實(shí)驗(yàn)裝置，使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值、理論分析更接近。

2　結(jié)語

現(xiàn)代結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的發(fā)展趨勢已從粗放型研究逐漸過渡到精細(xì)化研究，這就要求有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，更需要有創(chuàng)新性思維。本次建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基于門式剛架知識(shí)點(diǎn)的貫通理念，以工程為背景，充分利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器設(shè)備，針對不同層次的學(xué)生進(jìn)行差異化教育，也就是因材施教，使學(xué)生除了掌握建筑結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性實(shí)驗(yàn)的基本知識(shí)和基本技能外，還能根據(jù)設(shè)計(jì)、施工和科研任務(wù)的需要，完成一般建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)力實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析工作，為本科生將來畢業(yè)后，無論是踏上工作崗位，還是學(xué)業(yè)深造和科學(xué)研究打下良好的基礎(chǔ)。

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Teaching design on dynamic characteristics experiment of Building Structure course

Shen Zhirong， Ning Shuaipeng

(Department of Structural Engineering， Tongji University ，Shanghai 200092，China)

The building structure dynamic experiment is an important part of Building Structure course. Based on the idea of correlating with knowledge of the portal rigid frame, the dynamic characteristics experiment of the plane rigid frame model is designed in the teaching experiment. Students can master the experiment method of the structural dynamic characteristics and data analysis method through classroom teaching and practice. The students are guided to integrate the knowledge of Structural Mechanics and Engineering Software Application courses by the theoretical and numerical analysis method to obtain the dynamic characteristics of plane rigid frame, which is compared with experimental results. The students can acquire new knowledge and also have strengthened the knowledge, to achieve digesting the knowledge.

structure experiment； dynamic characteristics；plane rigid frame；teaching design

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.056

2015- 06- 18

同濟(jì)大學(xué)“第八期實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革專項(xiàng)基金項(xiàng)目”(0200104268)

沈之容(1970—)，男，浙江寧波，工學(xué)博士，副教授，研究方向?yàn)殇摻Y(jié)構(gòu)教學(xué)和科研.

E-mail：shenzhirong1115@126.com

G423.07

A

1002-4956(2016)1- 0211- 04