“工程結構多場耦合理論與方法”科研在教學實踐中的應用

祝 兵， 徐國際， 崔圣愛， 康啊真

（西南交通大學土木工程學院，成都 610031）

0 引 言

為深入貫徹全國教育大會精神和《中國教育現代化2035》，教育部關于深化教育教學改革、全面提高人才培養質量發布了教高（2019）6 號文件［1］。文件為嚴格管理教育教學，建議“推動科研反哺教學”，推動高校將最新科研成果轉化為教學內容，激發學生專業學習興趣，倡導更大范圍開放共享國家級、省部級科研基地，并引導學生理性參加競賽，達到以賽促教、以賽促學。這一倡導與建議可以最大限度發揮研究型高校自身的研究優勢，進行教學與科研的相互促進與發展，改善高校教學與科研資源的不均衡配置問題［2-6］。

近年來，隨著國家在軌道交通領域的不斷發展，對土木工程類高質量人才的需求也不斷提升。工程類人才在培養過程中，不僅要注重基礎知識理論的學習，更要學會理論聯合實際，切實解決實際工程問題，具備在該領域的前瞻視野。“工程結構多場耦合理論與方法”課程面向跨海橋梁在復雜海域中的建設需求，跨海橋梁在實際建造過程中，會面臨風場、波浪場、流場的多場耦合作用［7-10］，課程的目的旨在幫助學生學習、了解多場耦合理論與方法，從而有助于學生在未來解決工程結構在多場耦合作用下建造與運營的安全問題。而多場耦合理論與方法具有抽象、難理解的特征，單純進行理論介紹講解會導致學生學習、理解困難，消磨學生自主學習積極性。

本文以實際跨海橋梁典型箱梁波流試驗科研進度為切入點，將科研應用到教學實踐中，同時舉辦匯報競賽，落實“以賽促教、以賽促學”，最大程度幫助學生理解多場耦合理論方法與實際應用場景，為該類課程科研反哺教學方式提供一定參考。

1 近海橋梁波流力試驗科研反哺

1.1 研究背景

為實現我國舟山連島工程及環渤海灣、長三角、珠三角、臺灣海峽，以及國家“一帶一路”戰略中“21 世紀海上絲綢之路”沿線經濟區域的互聯互通，越來越多跨海橋梁處于建造或規劃建造中［11-12］。限于我國沿海通道多處于近海島礁區，我國跨海橋梁處于復雜的海洋環境，面臨風、浪、流等復雜海況。

其中橋梁上部結構，作為橋梁正常運營關鍵上部結構，隨著近岸跨海橋梁的大規模建設，被颶風波流作用破壞的案例不斷增加［13-15］。其主要原因為垂直方向的波流力超出了梁體自重及連接結構約束力，導致梁體從支座上脫落，產生落梁破壞。因此研究橋梁結構在風、浪、流多場耦合作用下表現具有重要意義。

為幫助學生學習了解工程結構多場耦合理論與方法，本課程選擇1∶30 水槽模型波流試驗作為試驗案例教學，以淹沒深度、波高、周期和流速為研究參數，測試箱梁結構在規則波浪作用的水平力、垂直力和彎矩。

1.2 試驗方法

本教學案例試驗于西南交通大學深水大跨橋梁試驗室的波流水槽中進行，如圖1 所示。該水槽亦在課程期間開放給學生進行參觀，幫助學生了解試驗內容。該水槽尺寸為1.8 m（高）×2.0 m（寬）×60 m（長），一側裝有活塞式推板造波機；另一端設置了1∶5斜率的覆蓋泡沫消波材料的消波段來減少波浪反射，底部設有造流系統，最大造流寬度2.0 m，最大造流深度1.2 m。結構原型參考近海橋梁常用截面形式，選取高度為2.7 m、長度為15 m的箱梁截面形式。箱梁模型根據Froude相似準則按1∶30 設計，模型頂部連接測力天平。

圖1 西南交通大學波流水槽及箱梁結構

為研究箱梁在颶風波流作用下受力與安全性能，定義結構的淹沒系數Cs為淹沒深度yb與梁高hb的比值（yb為箱梁模型底部到水面距離），試驗需驗證Cs=0.0，0.5，1.0，1.5 和2.0 共5 種淹沒深度的梁體所受波流力。根據橋址100 a 復現期的波、流參數范圍確定試驗工況，如表1 所示。

表1 試驗工況及參數

該試驗考慮了波浪與水流的耦合作用及對結構的影響，利用多場耦合結構試驗幫助學生了解工程結構多場耦合方法，實現科研反哺教學的目的。

1.3 水流對波浪力的影響

在淹沒深度Cs=0 和1 時結構受到的波流力隨流速的變化分別如圖2、3 所示。

圖2 Cs =0時結構所受波流力極值

由圖2 可見，當Cs=0 時，由于上翼緣對流場的遮擋作用，與結構接觸的波面附近流場發生動量傳遞，增加了水平動量，從而導致逆向流流速的上升引起更大的垂直和水平力。而正向流使波高減小，波峰僅能到達箱梁腹板，導致垂直力作用面積減小，抨擊效應減小。在波峰未達到上翼緣的情況下，水平力主要受腹板高度處水質點速度的影響，所以隨著流速的增大，水平力峰值也隨之增大。圖中Fh，max和Fh，min分別表示結構受到的水平波流力最大值與最小值，即水平波流力極值；Fv，max和Fv，min則分別表示結構受到的豎向波流力的最大值與最小值，即豎向波流力極值。

從圖3 可以發現，當Cs=1 時，梁完全淹沒在水中，垂直力峰值在流速u =0.183 m/s 處出現了最小值，當流速由正變負時，該值有增大的趨勢。當逆向流速達到一定程度時，向上垂直力峰值反而呈現減小的趨勢。該現象是由于波浪力時程是在波面與上翼緣發生抨擊時達到最大值，而此時由于箱梁上方的甲板涌浪導致的結構上方流場變化，使得一定程度上減小了沖擊力作用。

圖3 Cs =1時結構所受波流力極值

在實際教學中，由于工程結構多場耦合理論的抽象性，學生難以理解多場耦合與單場聯合的具體區別。通過具體的工程結構多場耦合試驗過程與結果，直觀展現了多場耦合理論的特點，幫助學生理解相關理論，啟示學生自主學習，實現科研反哺教學。

2 推廣與成效

2.1 以賽促教，以賽促學

為了實施“以賽促教、以賽促學”，本課程設立以小組為單位的匯報競賽，要求學生結合工程結構多場耦合理論知識點與課堂所授多場耦合試驗研究內容，總結收獲心得，鼓勵學生在波流-結構耦合研究理論的基礎上拓展風-波-流-結構等多場耦合理論知識與方法，圖4 為學生匯報競賽現場。

圖4 匯報競賽現場

通過這種小組形式的匯報競賽，啟示學生在多場耦合理論領域開展自我學習、總結與歸納。通過課程結束后與學生交流發現，這種形式可以有效提高學生總結歸納及表達的能力，達到“以賽促教、以賽促學”。

2.2 教學成效

圖5 展示了“工程結構多場耦合理論與方法”的2021 年下半年成績分布及與往屆學生成績對比。

圖5 課程成績分布與對比

通過圖5 可知，通過在本課程實施科研反哺教學，學生的整體成績有顯著上升。其中成績達到優秀和良好的人數比例較以往兩屆學生成績提升明顯，近3 年首次未有學生出現不及格成績。

與此同時，在結課時開展座談會與學生交流其在課程的體驗與收獲，并對學生進行問卷調查與反饋、學生評教與評學。結果均顯示采用“科研反哺教學、以賽促教、以賽促學”可以使學生在課堂上參與感與成就感明顯提升，幫助學生理解多場耦合理論等抽象概念，抓住學生注意力，有助于理論聯系實際，提升學生自主學習能力。

3 結 語

本文基于教高（2019）6 號《教育部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》第七條“推動科研反哺教學”，以“工程結構多場耦合理論與方法”教學為研究對象，通過結合典型近海橋梁箱梁波流力水槽試驗，討論了科研反哺教學的實施方式與成效。主要結論如下：

（1）利用典型近海橋梁箱梁波流力水槽試驗可以有效幫助學生理解學習工程結構多場耦合理論，通過設立以小組為單位的匯報競賽，可以顯著提升學生的課堂參與感與自主學習能力，做到“以賽促教、以賽促學”。

（2）通過科研反哺教學的推廣與實施，可以改善課堂的結構與內容，更好抓住學生注意力，提升學生的成績。