基于震害分析的“建筑抗震设计”研究型教学方法探索

袁康+夏多田+何明胜

摘    要：“建筑抗震设计”是一门理论性、实践性、综合性都很强的课程，震害分析在教学过程中处于核心地位，是培养学生分析解决问题的重要手段。文章结合石河子大学“建筑抗震设计”课程建设经验，介绍了基于震害分析的建筑抗震设计教学方法的基本思路，并以在混凝土结构抗震设计中的实践应用为例，具体分析以震害分析为核心的教学方法在概念设计、抗震计算，以及抗震构造措施等方面的应用。

关键词：建筑抗震设计;震害分析;教学思路;教学实践

中图分类号：G642.0          文献标识码：A        文章编号：1002-4107（2015）09-0009-02

新疆地处亚欧大陆腹地，受南印度洋板块与欧亚板块碰撞作用以及来自北西伯利亚板块的挤压，构造运动强烈，是我国主要的内陆地震活动区域，也是国务院确定的地震重点监视防御区之一。进入20世纪以来，新疆境内发生6级以上地震100多次，平均每年一次以上，全区抗震设防烈度在6度以上的区域占全区总面积的80%以上，其中7度以上高烈度区域面积占60%以上，面临严峻的抗震形势[1]。因此，新疆地处地震高发区和高烈度区的抗震形势对当地建筑设计、施工等技术人员提出了更高要求。因而，建筑抗震设计在当地本科教学中的重要性更加突出。

随着近年来全球地震进入活跃期，强震频发，大量的工程震害为学生学习抗震知识和技能提供了生动的教学素材，尤其是汶川、玉树等一系列大震灾害引起了大家的重视，对典型震害的分析成为了促使相关抗震设计、构造施工技术进步的重要因素，如汶川地震后，我国的《建筑抗震设计规范》（GB2010 0011-2010）就进行了相应的修编[2]。因此，开展基于震害分析的“建筑抗震设计”教学方法改革也是石河子大学建筑抗震设计课程组一直探索的目标，在多年课程建设过程中，取得了较好的教学效果。本文将在分析“建筑抗震设计”课程的特点，剖析存在问题的基础上，阐述基于震害分析的研究型教学思路，并以在混凝土结构抗震设计中的实践应用为例，具体分析以震害分析为核心的教学方法在概念设计、抗震计算，以及抗震构造措施等方面的应用，以供参考。

一、“建筑抗震设计”课程特点及现状

“建筑结构抗震设计”课程在石河子大学开课学时为48学时，包括理论教学40学时和试验教学8学时，是建筑工程专业必修课程之一，同时也是一门涉及学科较广、综合性较强的课程，经过本课程的学习，为后续的毕业设计奠定基础，是建筑工程专业学生知识结构中重要的组成部分。

（一）涉及知识面广，对学生理论基础知识要求高

该课程主要涉及数学、力学、材料、结构等方面的知识，其先修课主要有工程数学、理论力学、材料力学、结构力学、建筑材料、钢结构、钢筋混凝土结构设计原理、钢筋混凝土结构设计、砌体结构、施工技术等，尤其是“单自由度和多自由度弹性体系地震反应分析”章节与结构力学中的动力学部分联系密切，是典型的“老师难教、学生难学”的章节。

（二）课程与规范联系紧密，条文规定多

该课程内容一般包括场地、地震作用计算、各种结构抗震设计，以及隔震减震技术等章节，其设置与《建筑抗震设计规范》的编排思路大致相同，可以说是规范的说明书。因此，教材中有大量的规范条文规定告诉学生应该如何去进行抗震设计，如何让学生印象深刻地去理解各种条文规定背后的含义是关键。

（三）实践教学缺失

该课程的另一特点是实践性极强，抗震设计事关人民生命财产安全，从学生阶段就培养学生的工程实践意识至关重要，而目前多数高校在抗震的实践教学方面存在缺失现象，其原因主要是抗震的试验手段主要有拟静力试验和振动台试验两种，均需要较长的试验准备周期和较高的经费投入。

综上，由于“建筑抗震设计”课程教学存在的上述问题，要“化繁为简、通俗易懂”地讲解这门看似枯燥、却对工程技术人员又十分重要的课程，需要借助地震灾害这个天然的试验场。工程震害分析与试验研究、理论分析是抗震技术发展的基本手段[3]，在地震灾害频发的今天，震害分析已经成为了抗震技术验证的最佳场所，如四川雅安芦山地震中，凡是按照新的抗震规范设计的建筑均实现了相应的抗震目标，没有出现房屋倒塌的现象。因此，在抗震教学环节中，专业教师更应当以震害分析为核心，来引导学生研究、学习工程震害，使学生能够有血有肉地理解书本知识。

二、基于震害分析的研究性教学思路

从各版“建筑抗震设计”教材不难发现，其在具体结构抗震设计中均是基于震害分析—概念设计—抗震计算—抗震构造的基本思路，可见震害分析是学习本课程的入手点，每种结构形式的震害现象对于后续的内容都具有强烈的指导意义。教学过程中尤其应当重视“分析”二字，在重视提高学生工程素质的当下，应当引导学生去理解每种震害发生的原因，设计、施工中如何去避免，从而使学生更加轻松地理解后续概念设计、抗震计算、抗震构造中大量的定量条文规定。

基于震害分析的研究型教学思路，即是在整个教学过程中始终紧扣震害分析这一前提，注重发挥学生的主观能动性去分析解决问题，在震害分析章节将震害现象归类为概念设计、抗震计算、抗震构造不符合规范要求的几种情况，设置研究问题，并告诉学生将在后续学习中逐步解决;在讲解到具体涉及前面设置问题的内容时，再带着学生一起解决问题。

三、基于震害分析的研究性教学实践

本文以混凝土框架结构抗震设计教学为例，阐述基于震害分析的研究型教学实践过程，具体教学思路如图1所示。

图1  基于震害分析的混凝土框架结构教学思路

（一）基于震害分析的问题设置

混凝土框架结构是建筑工程领域最为常见的一种结构体系，尤其是在公共建筑当中。在历次地震中框架结构表现出了较好的抗震性能，但也有一些共性的震害现象得到了体现，因此，在讲述本章内容时，有必要将一些常见的震害现象集中梳理，设置研究问题（如下），在后续学习中不断解决。

1.框架结构中某一层集中倒塌现象。

2.建筑平面中角部破坏严重。

3.楼梯间框架柱剪切破坏。

4.邻近房屋碰撞破坏。

（二）基于震害分析的概念设计

中国的抗震设防采用“三水准设防、两阶段设计”[4]，其具体实施主要通过概念设计、抗震计算和构造措施三个方面，其中概念设计是对结构体型、结构体系、刚度分布、构件延性的总体把握，是结构抗震设计的最为重要问题。但由于学生对于知识的学习未通过毕业设计的综合实践锻炼，尚停留在碎片化的阶段，无法站在全局的高度来看待概念设计的重要性。此外，长久以来的应试教育模式培养出来学生更喜欢依靠计算解决问题的特性，认为只要进行了抗震计算就能够保证建筑结构的抗震能力，对概念设计的认识不足。因此，有必要从一开始就将各条概念设计规定与相应的震害对应起来，并逐条解决，基本主线为：概念设计条文—对应工程问题—工程震害现象—解决途径，即通过工程实例中发生的震害现象，追溯其在设计阶段不符合抗震概念设计的情况，引导学生探寻相关解决途径。

（三）基于震害分析的抗震计算

结构抗震计算包括地震作用计算，地震力分配、内力组合及调整、截面承载力抗震设计、节点设计等内容，其中内力调整是此部分内容的核心问题，是实现框架结构合理破坏模式的关键所在，主要包括了“强节点弱构件、强柱弱梁、强剪弱弯”的内力调整思路[5]，以及底层柱、角柱的内力放大。在讲述这些关键问题的时候可回到历次震害中发现的震害问题，引出震害分析中设置的问题：大量的结构并未实现梁端出铰的合理破坏模式，而是某一层柱集中倒塌的情况;以及底层柱和角柱的破坏往往更为严重的现象。带领学生以工程师的角度去从设计、施工角度查找出现上述问题的原因，理解按照合理破坏模式要求的内力放大调整方法。以汶川地震为例，当出现远超设防烈度的地震作用时，几乎没有一栋建筑实现了强柱弱梁的破坏形式，是值得工程人员深省的，因此，《建筑抗震设计规范》（GB2010 0011-2010）在内力调整系数上进一步放大。

（四）基于震害分析的抗震构造措施

抗震构造措施，是根据抗震概念设计原则，不需要计算而对结构和非结构部分必须采取的各种细部要求，主要包括对梁、柱截面尺寸的限制，钢筋直径、间距的限值等等，此部分内容与震害分析中的构件层面破坏密切相关，讲解中若采用完全“顺向讲授式”教学，学生很难记住相关的条文规定。教学中应结合震害分析，采用“反向研讨式”教学，即思考若不按条文规定会出现什么震害问题。例如，在讲授节点核心区配箍率的要求时，可联系震害中典型节点破坏的现象——由于节点区箍筋不足或间距过大，柱纵筋压曲外鼓，引导学生明白节点对结构维持大震不倒的重要性，以及箍筋体积配箍率可确保节点延性的意义。

“建筑抗震设计”是一门理论性、实践性、综合性都很强的课程，涉及大量的规范条文，如何生动地让学生理解相关条文背后的依据是关键，而大量的规范条文修编都是以无数次强震为代价。因此，震害分析在教学过程中处于核心地位，是培养学生分析解决问题的重要手段，课程组在教学改革过程中的成效表明，不断穿插震害分析不但可以提高学生的专业兴趣，更使学生在理论知识综合应用、工程质量意识等方面得到了锻炼，在毕业设计环节中更加得心应手。

参考文献：

[1]张勇.新疆农村抗震民居房屋结构类型及应用[J].震灾

防御技术，2006，（4）.

[2][4]GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建

筑工业出版社，2010.

[3]邬喆华.抗震教学中工程震害分析能力的培养[J].高等

建筑教育，2014，（3）.

[5]杨德建，李亚娥，袁康等.建筑结构抗震设计[M].人民交

通出版社，2011.