建筑結構抗震設計課程實驗改革

史勇 王利輝

[摘 要] 在建筑結構抗震設計課程教學中，多質點結構體系的抗震概念設計與計算設計是教學與學習的重點，學生對于多質點結構體系的剛性、延性、自振頻率、阻尼比、振型缺乏直觀的認識，進而影響了對多質點結構體系抗震設計知識的掌握。抗震設計實驗教學是揭示多質點結構體系振動規律，結構抗震設計基本原理的有效手段。通過抗震設計實驗課程改革，對實驗方式、實驗內容、實驗平臺、實驗模型進行了重新設計，新的實驗課程提高了學生的學習興趣，對學生掌握多質點結構體系振動規律與抗震設計原理發揮了重要作用。

[關鍵詞] 結構抗震;實驗;改革

[基金項目] 2015年度內蒙古工業大學教學改革項目“建筑結構抗震設計課程實踐教學內容研究與改革”（2015222）

[作者簡介] 史 勇（1972—），男，內蒙古烏蘭察布人，博士，內蒙古工業大學土木工程學院講師，實驗中心主任，主要從事土木工程材料研究;王利輝（1981—），男（蒙古族），內蒙古烏蘭察布人，碩士，內蒙古工業大學土木工程學院講師，實驗員（通信作者），主要從事工程結構測試技術研究。

[中圖分類號] G642.0 ? [文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）26-0056-04 ? [收稿日期] 2021-01-20

一、研究綜述

我國地處世界兩大地震帶——環太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯處，地震活動特別是強震發生十分頻繁。據統計，20世紀以來全球死亡人數超過2萬的地震共有21次，在我國境內就發生了6次[1]，頻繁的地震活動給我國人民的生命財產帶來了巨大的損失。因此，土木工程專業規范將建筑結構抗震設計（以下簡稱“抗震”）課程列為高校土木工程專業建筑結構方向的一門必修課。“抗震”課程在土木工程專業課程體系中占有重要地位，通過“抗震”課程的學習，要求學生掌握建筑結構抗震概念設計的基本概念，掌握建筑結構的地震反應分析原理和抗震驗算方法，了解隔震與耗能減震房屋的設計方法[2]。“抗震”課程的學習以結構力學、材料力學、建筑材料、土力學與地基基礎、砌體結構、混凝土結構原理、鋼結構、高層建筑設計等專業課程為先導課程，具有很強的綜合性;抗震計算需要掌握高等數學偏微分方程求解知識，理論性較強。由于上述課程的特點，教師普遍反映課程難講授，學生普遍反映課程難理解。特別是隨著近年來高校教學改革，包括“抗震”在內的專業課程課時被明顯壓縮，使得該課程的講授和學習難度進一步加大[3]。根據我們多年來的教學經驗總結，該課程的教與學難點主要集中在三個方面。

1.抗震概念設計中的剛性、柔性與延性問題。工程界對于結構剛性和柔性的問題，一般認為剛性方案比柔性方案好。但結構抗側移剛度過大，地震周期變短，地震作用就增大，進而要求結構具有與較大自振反應相對應的較高水平抗力，往往是以提高工程造價及降低結構延性指標為代價。因此，抗震概念設計要求剛性、柔性與延性合理匹配，而這需要非常豐富的工程經驗做支撐，學生顯然不具備這樣的經驗與知識的積累，因此，對這一問題往往感到困惑，影響了學習效果。

2.抗震計算設計中的多質點體系的自振頻率與振型問題。由于地震反應的計算主要講解振型分解反應譜法和底部剪力法兩種方法，其中底部剪力法的學習以振型分解反應譜法為前提，可理解為振型分解法的簡化算法。多自由度體系按照振型分解反應譜法求解結構的地震反應時，需要計算結構的各階自振頻率和振型，而學生普遍對多質點體系的自振頻率與振型缺少感性認識，因而影響了對振型分解反應譜法的理解和掌握。

3.建筑構造措施中關于剛度變化、減震耗能問題。學生對于局部剛度變化對結構抗震性能影響以及減震耗能裝置的作用僅限于概念認識，對其作用缺乏直觀認識，更談不上進行合理的抗震設計。而這些問題是建筑抗震設計中經常遇到并需要解決的工程問題。

綜上所述，為解決上述問題，在“抗震”課程的教學環節中迫切需要一個提升學生對上述三個方面問題感性認識的教學手段。研究表明，實驗教學是提高“抗震”課程中學生感性認識、輔助理論教學的理想方法[4，5]，楊予等研究了以結構模型為載體，以地震影響系數與質量函數關系為實驗目標的抗震實驗改革對“抗震”課程教學效果的影響。實驗內容包括了模型制作、力學分析、模型實驗、總結分析環節。研究表明，改革后的教學模式提高了學生學習與探索知識的興趣，取得了有更好的教學效果[6]。夏冰華等的抗震實驗教學改革研究結合全國大學生結構設計競賽中的抗震題目，依托小型精密振動臺等設備設置了開放性和創新性的抗震實驗項目，研究表明，通過抗震實驗教學加深了學生對理論知識的理解、提高了學生探究抗震知識的興趣[7]。周小龍等則將虛擬實驗引入課堂教學中，通過虛擬仿真方式演示特定結構在地震波作用下的響應，結合具體工程案例講解抗震原理，取得了良好的教學效果[8]。

二、當前“抗震”課程實驗教學中存在的問題與改革思路

上述研究對“抗震”課程的實踐教學內容與方法進行了廣泛探索，取得了一些有益的經驗與成果，但是由于各高校的實驗條件與學生學習情況差別較大，同時受到課時、實驗條件等限制，需要結合自身條件探索適合本校特點的“抗震”課程實踐教學模式。具體以我校“抗震”課程實踐教學活動來說，主要存在以下兩方面問題：（1）實驗課時少。新修訂的培養方案調整中將“抗震”課程總學時從40學時壓縮到32學時。其中課內實驗壓縮到2課時，在如此少的課時內難以完成從結構設計、力學分析到模型制作、加載測試、分析總結這樣一個完整的實驗流程。（2）實驗條件有限。受經費限制，缺少小型精密振動臺等用于抗震實驗教學的設備，實驗經費也不足以支持購買多臺市場上主流的小型精密振動臺，而為了保證學生分組開展實驗的要求，需要準備不低于5臺套實驗設備。針對上述問題，我們本著以學生為中心的工程教育認證理念，緊緊抓住課程核心知識點與學生學習中的難點問題、適當簡化實驗流程的改革思路，對“抗震”課程實驗進行了全面的革新。