结构抗震设计课程模块化课程体系的教学改革★

王　涛　孟丽岩　高红梅　吕　兰　杨　悦　许珊珊(黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨　150022)



结构抗震设计课程模块化课程体系的教学改革★

王涛孟丽岩高红梅吕兰杨悦许珊珊
(黑龙江科技大学建筑工程学院，黑龙江哈尔滨150022)

摘要:针对结构抗震设计课程的特点及目前在教学中所存在的主要问题，将结构抗震设计的课程内容进行整合，提出概念设计模块、分析计算模块和抗震设计模块的三模块课程体系，以及各模块的教学目标，在实际教学中应用明显提高了教学效果。

关键词:结构抗震设计，课程体系，模块化

0　引言

地震是威胁人类生存最严重的自然灾害之一。近年来我国地震灾害频发，从1976年7．8级唐山大地震到2008年8．0级汶川特大地震都造成了巨大的生命财产损失。地震灾害归根结底为土木工程灾害，建筑物的倒塌是产生地震灾害最直接的原因，进行合理的结构抗震设计是目前防震减灾最有效的途径，是土木工程师责无旁贷的任务。因此，绝大部分高校土木工程专业均开设了结构抗震设计课程［1，2］。

另一方面，对于未来的土木工程师而言，一级、二级注册结构工程师考试是国家层次对工程师的认可标准，也是高校土木工程专业人才培养的导向，同时也为学生未来进一步发展提供了很好的提升机会。国家注册结构工程师的专业测试主要是看学生是否已具备按照国家法律及设计规范进行结构工程设计的能力，结构抗震设计是最重要的考核内容，它贯穿于所有的结构设计，如钢筋混凝土结构、砌体结构、钢结构、高层结构与高耸结构以及地基与基础设计等［3］。

作为土木工程专业重要的专业课，其教学目的是使未来的土木工程师们能够了解地震工程基本知识及发展趋势，掌握结构抗震基本原理，能够进行建筑结构的抗震设计。

1　课程特点

目前大多数工科学校一般都将结构抗震设计课程安排在第7学期，这一学期对于毕业班的学生来说，面临着多重压力。近几年国家的房地产行业低迷，土木工程专业的就业遇到了前所未有的困难，学生就业压力大，找工作竞争非常激烈，常常需要参加多次招聘会才能成功，考研、考公务员的学生常常也要奔波于多个辅导学习班，这些都严重影响了学生正常的课堂学习时间。

结构抗震设计课程内容难度大、先行课多、综合性强、涉及学科门类广，主要以结构动力学为基础并涉及地震学、地质学、高等数学、结构设计以及振动控制等领域的知识［4，5］。一般学校结构抗震设计课程只有30学时左右，所以要在短短的30多学时内让学生能够很好地掌握这门课程，对于任课教师来说本身就是一件非常具有挑战性的工作。

作者从事十余年结构抗震设计课程的教学工作，积极进行了课程的教学改革与尝试，将结构抗震设计的课程内容进行整合，分为概念设计模块、分析计算模块和抗震设计模块，在实际教学中采取模块化的教学体系，取得了良好的教学效果。

2　模块化课程体系

2．1概念设计模块

通过对“5·12”汶川地震的震害分析，我们越来越发现结构抗震概念设计的重要性。虽然从目前的研究水平看，我们可以对地震的作用及地震反应进行很多数值分析和计算，但地震本身是随机发生的，受诸多因素的影响，因此，在进行抗震设计时正确的概念设计比数值计算更重要。所谓的概念设计是在整体上把握抗震设计的主要原则，减少由于建筑结构自身带来地震作用及结构地震反应的复杂性而造成抗震计算的不准确。

本模块在教学过程中应加强学生对基本概念和基本理论的理解，建筑结构所采用的结构体系应具有明确的计算简图和地震作用的合理传力途径，结构布置时应避免部分结构和构件破坏而导致整个结构丧失抗震承载能力，对结构构件的抗震设计应考虑避免剪切破坏先于弯曲破坏——强剪弱弯、避免柱子的破坏先于梁的破坏——强柱弱梁、避免节点的破坏先于构件的破坏、避免混凝土的压溃先于钢筋的屈服、避免钢筋的粘结锚固破坏先于构件破坏。国内外的大量震害资料表明，采用特殊复杂的平面或立面、质量和刚度分布不均匀的结构即使在地面烈度不高的地震作用下也会发生破坏或倒塌，因此结构抗震设计规范对建筑结构的平面规则性和竖向规则性做了细致的要求，如表1所示。

因此，概念设计模块要达到的教学目标是使学生在深刻理解我国抗震设计的目标和方法的基础上，能够在结构设计时进行合理的结构选型，对结构的平面和立面布置能够按照抗震设计规范的要求设计，成为平面和立面规则的结构。

2．2分析计算模块

地震动引起的结构内力、变形、位移及结构运动速度与加速度等统称为结构地震反应。结构地震反应分析是指以结构动力学为基础，计算和分析结构在地震输入下的地震反应，为结构抗震设计提供指导和建议。大量的震害资料表明，经过结构地震反应分析并进行抗震设计的工程结构远比未经过地震反应分析和抗震设计的工程结构优越，这得到了工程界的广泛认同。

一般来说，小地震作用下的结构地震反应是弹性的，可按弹性分析方法进行计算，结构弹性地震反应分析方法有底部剪力法、振型分解反应谱法和振型分解时程分析法。底部剪力法是把地震作用看作等效静力荷载，计算结构最大地震反应。底部剪力法的特点是忽略结构高阶振型的影响，假定结构的地震反应以基本振型为主，将基本振型简化为倒三角形进行计算，计算量较小。因此底部剪力法只适用于高度不超过40 m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构及近似于单质点体系的结构。振型分解反应谱法是利用振型分解的原理和反应谱理论进行结构最大地震反应分析。振型分解反应谱法是一种拟动力分析方法，计算精度较高适用于所有建筑结构的地震作用计算。

表1　结构的规则性判断

大地震作用下，结构地震反应是非弹性的，应采用逐步积分时程分析进行结构地震反应计算。时程分析法是选用一定的地震波直接输入到所设计的结构，然后对结构的运动微分方程进行逐步数值积分，求得结构在整个地震时程范围内的地震反应。时程分析法是一种完全的动力方法，计算精度高，只对特别不规则的建筑结构、特殊设防类建筑和超限高层做补充计算。时程分析法计算以数值积分算法为主，计算量大，在土木工程专业本科阶段不要求学生掌握，只作了解内容。

本模块教学难度相对较大，理论推导较多，对学生的要求也较高，要求学生必须具备扎实的力学基础，尤其是动力学知识。分析计算模块要求学生掌握水平地震作用的底部剪力法和振型分解反应谱法、竖向地震作用的计算方法以及结构相关动力参数的计算。

2．3抗震设计模块

目前在土木工程领域广泛应用的结构类型，从材料上可分为砌体结构、钢筋混凝土结构、钢结构和混合结构。

砌体房屋是我国建筑中最为普通的结构形式，应用广泛，数量众多。砌体结构房屋是指用各种块材用砂浆砌筑而成的房屋，由于砌体材料的脆性性质，其抗拉、抗弯和抗剪强度很低，整体性差，所以没有经过合理抗震设计的砌体结构抗震能力很差，这在历次地震中，破坏严重的砌体结构房屋可以得到证明。在砌体结构的抗震设计中除了要进行墙体的抗剪承载力验算之外，更重要的是要进行合理的结构布置和钢筋混凝土圈梁和构造柱的设置。

钢筋混凝土结构以其优越的综合性能在土木工程领域应用最为广泛，钢筋混凝土结构从结构体系上可分为框架结构、抗震墙结构、框架—抗震墙结构。历次震害经验表明，与砌体结构相比钢筋混凝土结构只要采用合理的抗震设计和采取可靠的抗震构造措施，在一般烈度区是可以保证安全的。对于框架结构，应遵循“强柱弱梁”的原则，调整柱端弯矩设计值;遵循“强剪弱弯”的原则，调整梁、柱剪力设计值;遵循“强节点、弱构件”的原则，对节点进行抗剪承载力验算。对于抗震墙结构抗震设计时遵循“强墙弱梁、强剪弱弯”的原则调整墙肢和连梁的弯矩和剪力。

钢结构由于钢材具有轻质高强、延性好的特点，因此使得钢结构受到的地震作用较小，并具有较大的变形能力，因此即使在很大的变形下也不至于倒塌，保证结构的安全性。

本设计模块的教学重点是钢筋混凝土结构的抗震设计，它在我国的《结构抗震设计规范》中也是篇幅最多的。为了让学生能更好的掌握本模块内容，教学中以工程案例教学为主，结合国家注册结构工程师的考试内容，逐条逐点的学习，学生在学习中也体会到了学以致用的乐趣。

3　结语

结构抗震设计课程理论严谨、内容丰富、实用性强，注重学生工程能力的培养，重新整合该课程的教授内容，提出三模块化课程体系，概念设计模块重点讲授有关地震工程的基本概念和结构抗震概念设计的要求;分析计算模块讲授地震作用的各种计算方法;抗震设计模块讲授各种结构的抗震设计要求，其重点是钢筋混凝土框架结构和抗震墙结构的抗震设计。模块化课程体系从另一角度来看也涵盖了结构抗震设计的全部过程，概念设计、抗震验算和构造措施，因此结构抗震设计课程模块化有助于学生对所学知识的梳理与总结，有助于对结构抗震设计过程的理解。

参考文献:

［1］GB 50011—2010，建筑抗震设计规范［S］．

［2］翟长海，李爽，徐龙军，等．建筑结构抗震设计教学改革探索［J］．高等建筑教育，2011，20(3):88-90．

［3］郑妮娜，杨溥，刘立平，等．结构抗震设计课程教学问题调研［J］．高等建筑教育，2014，23(3):75-77．

［4］张大伟，郭立英，于学智．建筑结构抗震设计中的概念设计［J］．山西建筑，2008，34(13):77-78．

［5］李文雄，陈穗茵．建筑结构抗震设计课程教学方法讨论［J］．山西建筑，2014，40(23):274-276．

Modularization teaching reform on seismic design of structure course★

Wang TaoMeng LiyanGao HongmeiLv LanYang YueXu Shanshan
(School of Civil Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China)

Abstract:A modularization teaching system of the seismic design course containing conceptual module，analysis module and seismic design is proposed by course contents integration based on the course characteristic and existing teaching problems．The teaching objective of each module is proposed．Teaching effect is improved obviously in the actual teaching．

Key words:seismic design of structure，course system，modularization

作者简介:王涛(1978-)，男，博士，硕士生导师，副教授

收稿日期:2015-10-29★:黑龙江省教育科学“十二五”规划2013年度课题“‘3+1’人才培养模式下土木工程专业结构设计类课程改革的理论与实践研究”(项目编号:GBD1213065)资助项目

文章编号:1009-6825(2016)01-0242-02

中图分类号:G642．0

文献标识码:A