《建筑结构抗震设计》课程实践教学探讨

郭晓云 巴文辉

摘要：针对建筑结构抗震设计课程的特点，提出通过采用演示实验、模型展示、震害实践等实践教学方式来达到提高教学效果的目标，列举笔者教学方法并介绍了课程实践教学所依托的“灾害仿真模拟实验室”及其在课程教学中的应用。

关键词：建筑结构抗震设计；实践教学；模型演示；灾害仿真

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）23-0160-02

地震灾害是群灾之首，在地震灾害中，建筑结构的破坏是造成人员伤亡和经济损失的主要因素，因此，有效的建筑结构抗震设计是减轻地震灾害的主要手段。结构抗震设计是为了提高工程结构的抗震能力而进行的专项结构设计，对于土木工程专业的学生，通过开设建筑结构抗震设计课程，使学生了解结构抗震设计的基本理论、基本概念和不同结构形式建筑物的主要抗震措施，这可以让土木工程从业人员具有较高的抗震防灾意识，对于提高我国建筑的抗震能力十分必要。目前，国内外大部分高校都将建筑结构抗震设计作为土木工程专业的一门专业必修课，并十分重视该课程的建设。

一、建筑结构抗震设计课程特点

建筑结构抗震设计课程是一门理论联系实践的工程类课程，综合性较强，涉及的知识面比较广。该课程的先修课程是结构力学、土力学、房屋建筑学、钢筋混凝土结构、砌体结构、钢结构等，课程内容与现行的《建筑抗震设计规范》以及其他结构设计规范密切相关，是工作中应用最多、最广的专业知识。但是，由于当前高等学校人才培养模式改革的要求，人才培养方案中的理论课学时一再缩减，大多数学校《建筑结构抗震设计》课程的学时设置都比较少，课程学分一般为2～2.5，学时从24到40不等，有限的学时设置往往使老师无法全面介绍不同结构形式建筑物抗震设计的具体做法。建筑结构抗震设计课程主要从抗震概念设计、抗震计算和抗震措施三方面系统阐述建筑结构抗震设计过程中的主要做法及其依据的基本理论。结构抗震计算的理论基础为结构力学及结构动力学的基本原理，其中单自由度体系的地震反应求解涉及到微分方程的求解，难度大，学生理解起来较困难。抗震概念设计的内容要求从宏观上把握建筑结构的结构体系受力特点、结构延性的概念、结构体型的规则性等方面的要求，由于在校大学生一般没有实际结构设计经验，在课程学习过程中学生不容易全面掌握概念设计的要求。抗震构造措施的内容细致繁杂，大部分为《建筑抗震设计规范》中的规定内容，学生不容易记忆掌握。由于该课程具有内容多、难度大、课时少的特点，课堂讲授的教学效果较差，学生对课程学习缺乏兴趣。针对这种情况，笔者在教学实践中一直探索提高学生学习兴趣的方法，发现将演示实验与建筑震害实例融入到理论教学的方法效果较好。实验模型的动态演示往往能够吸引绝大部分学生的注意力，学生通过对实验模型的亲自动手操作，可以较深刻地理解基本概念，可以将抽象的理论分析与结构模型的实际振动反应结合起来，取得较好的学习效果。建筑实际震害的图片和录像可以使学生深刻地感受到建筑结构在地震中的破坏带给人类的伤痛，熟悉各种不同形式的建筑物在实际地震中容易发生破坏的薄弱环节，这种多媒体的展示往往具有震撼人心的效果，引起学生对建筑结构抗震设计的重视。

二、课堂演示实验举例

建筑结构抗震设计课程中有一个非常重要的概念叫做地震反应谱，地震反应谱概念对于学生理解并掌握建筑结构抗震计算的基本理论十分必要。然而，地震反应谱的计算涉及到单自由度体系地震反应分析的微分方程求解，直接从理论的角度讲解地震反应谱的概念学生理解起来十分困难。笔者曾经尝试采用反应谱计算模型图片和动画的形式展示地震反应谱的含义，效果都不够理想。后来，笔者先后用竹片材料、弹性钢片和钢珠制作了一排固定木板上的逐渐增高单质点弹性体系模型，并在课堂上采用手动输入振动的形式随机演示，同学们可以观察到不同自振周期的单质点弹性体系的不同反应，不同的学生可以亲自拿着模型随机振动并观察振动频率不同时模型质点反应的不同情况，课堂气氛十分活跃。学生在亲自体验中深刻体会到了随着振动输入的变化单质点弹性体系反应的不同变化，更容易理解地震反应谱能够反映输入地震动频谱特性的关键知识。笔者还使用钢板和弹性钢片制作了单榀剪切型框架模型，用于课堂演示框架结构层间变形以剪切型变形为主的知识点。另外笔者利用土木工程模型实验室的多个钢筋混凝土构件配筋模型在课堂上向同学们讲解钢筋混凝土抗震构造措施的具体内容。课堂模型动态演示及静态模型展示的教学方法极大地调动了学生的学习兴趣，对于提高教学效果作用明显。

三、建筑实际震害贯穿课程始终

实际震害的考察与震害经验的总结在建筑结构抗震设计的发展过程中起着非常重要的作用，总结工程设施在地震环境下保持安全的成功经验、吸取工程设施遭受震害的经验教训，是结构抗震研究的基本途径。迄今为止的抗震设计基本上仍是经验行为，抗震概念设计原则和行之有效的抗震措施都是长期经验的总结。因此，将实际建筑震害的展示、观察、思考和总结贯穿到建筑结构抗震设计课程的教学中，既生动形象，又客观地向学生展示了结构抗震研究的基本途径，是十分有效的方法。让学生能够亲眼看到建筑物震害、亲身体验建筑物震害当然是最好的方法，目前汶川地震中北川老县城的实际建筑震害保存的比较完整，我校土木工程专业的学生利用暑假实践有机会到北川地震遗址亲身体验建筑实际震害，在专业教师的带领下，学生在北川地震遗址对震害遗址工程中典型的砌体结构和钢筋混凝土框架结构的实际震害都有了十分深刻的印象，并且可以通过对比遗址中未倒塌的建筑物与局部倒塌的建筑物之间设计的差别深刻领会建筑结构可以通过合理的设计实现大震不倒的概念。

在建筑结构抗震设计课程的教学过程中，笔者主要采用将建筑实际震害的图片展示和建筑模型振动台试验过程录像的形式使学生亲眼看到建筑震害，建筑实际震害图片的展示贯穿课程绪论和各种结构形式建筑物的抗震概念设计和抗震措施的始终。在绪论中，根据震害原因的不同将震害分为静力破坏和动力破坏两种，分类归纳不同结构的震害照片进行展示，期间穿插着思考提问。在各种结构形式建筑物抗震设计中，往往是几张震害照片跟着一条或几条抗震措施，因为抗震措施是从实际震害经验中总结出来的，这样的衔接使学生更容易理解为什么要采取这样的抗震措施并记住抗震措施的具体内容。

四、灾害仿真模拟实验室在课程教学中的应用

我校土木工程专业定位中突出防震减灾的特色，为了更好地进行防灾减灾领域的教学，我校建成了灾害仿真模拟实验室。该实验室的建设是为了通过形象地演示，再现灾害的发生过程并探究灾害的成灾机理。该实验室主要分为五个部分，第一部分为图片展示部分，主要展示各类灾害（包括地震、火山、滑坡泥石流等地质灾害）的机理及其表现形式；第二部分为动态展示部分，主要通过展示振动对结构和场地产生的震害现象及震害机理；第三部分为模型展示部分，主要展示不同结构形式建筑物的构造、震害特点及抗震性能；第四部分为滑坡泥石流试验场，主要模拟不同倾角、不同降雨量作用下滑坡过程；第五部分是地震监测仪器博物馆，收藏了各阶段的地震监测仪器。灾害仿真模拟实验室为建筑结构抗震设计课程提供了丰富的实践教学内容，其中应用于课程的主要为动态展示部分中的砂土液化演示系统、结构振动模态演示系统、共振演示系统和隔震结构演示系统。砂土液化演示系统的设计从砂土液化原理、常见震害表现、模型液化现象和抗液化处理措施等方面出发，让学生对砂土液化建立起从理论到现象再到工程应用的知识，加深学生学习、开拓学生认识并指导以后的工程实践基础。系统设计两个砂箱，左侧砂箱内是不饱和沙土，右侧砂箱内是松散饱和粉细砂，两个砂箱固定于一个小振动台，通过两个砂箱的同时振动表现出来的不同现象，可以让同学们深刻地理解地震中砂土液化的产生条件是松散、饱和、粉细砂，通过砂土液化的演示还可以使同学们形象地观察到砂土液化过程中的渗流、冒水、建筑沉陷等现象。结构振动模态演示系统可以使学生了解结构振动测试系统的基本组成、仪器设备的基本原理。使学生深刻理解结构的动力特性，掌握结构模态的测试方法。学生通过亲自参与试验环节，锻炼动手能力，培养学生综合应用所学专业知识和解决实际问题的能力；培养学生的创新能力，使学生在理论联系实际的同时获得工程师基本技能训练的机会。共振演示系统通过演示模型表现共振对建筑结构相应的影响，共振的概念早就渗透到结构概念设计环节，在历次震害的深刻教训中，抗震概念设计逐渐被提出并日趋完善。概念设计即通过合理选取场地、抗震结构体系，合理规划建筑布置等举措从总体设计方案上提高建筑物的抗震能力。作为抗震设计的重要参数，建筑物的自振周期与场地卓越周期的关系成为概念设计的一项重要内容，概念设计中明确指出“结构的自振周期应尽量避开场地卓越周期，以免发生共振而加重震害”。隔震演示系统设置一套实体隔震支座的剖切模型及一套隔震演示装置，演示装置中对比模型用来反映常规建筑和隔震建筑的抗震差异，数据采集设备的设置可以量化展示两种不同抗震体系的动力响应。辅以展板资料和视频资料以展示隔震基本原理及隔震技术在工程中的运用方式，让学生直观地认识和了解隔震技术，丰富实验教学内容，激发学生对土木工程学科的兴趣。

通过课堂演示实验、构建构造模型展示、建筑实际震害图片展示及灾害仿真模拟实验室的仿真实验在建筑结构抗震设计课程教学中的应用，在不增加课程理论授课学时的基础上，增加了实践教学的内容，大大改善了该课程的教学效果。通过该课程生动的实践教学环节，我校土木工程专业的学生对建筑结构抗震设计都有很高的重视，结构抗震防灾的意识深入学生内心。