研究生结构动力学核心课程建设探讨

荣学亮 郭进 王慧东 赵品

摘要：结构动力学是土木工程专业研究生的一门核心课程，本文从教学目的、教学条件、教学方法等几方面探讨了如何加强结构动力学核心课程的建设。提出了结合课程特色和学科发展现状，完善结构动力学的教学计划，紧跟“结构动力学”领域的发展历程，不断充实授课内容。加强理论与实践的结合，在课堂教学中增加讨论课和专题讲座，发挥学生主观能动性，丰富课下活动。使学生既能掌握扎实的理论基础，又能和工程实践联系起来，解决工程问题。

关键词：结构动力学；案例教学法；单自由度体系

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）23-0203-02

结构动力学是一门研究结构体系的动力特性及其在动力荷载作用下的动力反应分析原理和方法的一门理论和技术学科。结构动力学着重研究结构对动力载荷的响应，它不仅是结构抗震、抗风、抗爆分析以及结构振动控制、健康监测等课题研究的基础，也是土木工程从业人员需要掌握的重要专业知识，结构动力学已成为土木工程专业的一门重要课程。随着超限及重要建筑的大规模建设，工程界对动力问题越来越重视，结构动力学知识逐渐成为评价土木工程技术人员专业能力的重要指标。笔者承担了石家庄铁道大学土木工程专业研究生结构动力学课程的教学工作。通过这两年的教学经历，加深了对这本课程的认识，同时在教学内容和方法上通过研究生核心课程的建设，开展了一些教学方法改进工作。

一、教学目的和内容

通过本课程的学习，使学生熟练掌握使用达朗贝尔原理、虚位移原理、势能驻值原理、Larange方程、Hamilton原理建立单自由度体系、连续体系及多自由度体系数学模型的原理；掌握线性问题的单自由度体系、多自由度体系及连续体系的动力特性的分析方法；掌握单自由度体系、多自由度体系及连续体系在特殊激励下的动力反应的分析方法；了解对多自由度体系分析的数值方法，为工程结构动力学问题的有限元分析方法准备理论基础。

二、教学条件建设

1.教材的使用与建设。（1）选用优秀教材：我们选用了R.克拉夫、J.彭津主编的《结构动力学》（第二版（修订版））。该书是美国加利福尼亚大学（伯克利分校）研究生结构动力学课程的基本教材之一，主要介绍结构动力学基本理论和抗震结构计算理论，其主要特点是内容新颖。该书着重于基本原理、方法的阐述，虽然作者也列举了许多例题，当相对来说理论性较强，对相对基础不是太好的初学者，可能觉得稍微难懂一点，但是如果借助教师之力一旦入门之后，定会觉得从该书获益良多。（2）对照其他教学参考资料与研究成果，以取长补短（备有6种主要参考书，并提供了相应的电子版文本）。

2.扩充性资料的建设与使用。课程内容新颖。紧跟根据“结构动力学”领域的发展历程，不断充实授课内容，引入最新的研究成果，使学生能够了解最前沿的研究动态。

3.实践性教学环境。以学生为本，强化学生的实践，提高学生分析问题、解决问题的能力。通过讨论课、专题讲座等环节，加深了学生对基本理论的认识，与工程实践联系起来，能够解决实际问题。

4.网络型教学环境。（1）部分教学资源上网，包括教学大纲、教学笔记、教学日历、习题、课件、期刊网上下载的学生论文等，使学生可以通过网络自主学习。（2）进行网上辅导与答疑。（3）建立qq群和微信群，使学生可以充分发表自己的学术见解。

三、教学方法与教学手段

1.教学方法。教学方法的多样化和教学手段的现代化：积极采用现代教育方法和手段，在课程教学时理论联系实际，教师在讲授时，运用多媒体课件、网络教学资源等现代化手段，将结构动力学基本理论，制作教学图片、录像等多媒体课件资料，适时示范，使枯燥乏味的专业基础课生动具体，提高了课堂教学效果，建立了现代教育方法和手段的新的教学模式。

2.实施计划。（1）做好文献资料收集和调研工作：了解结构动力学最前沿的研究动态，对国内其他高校土木工程专业结构动力学授课内容，教学方法、教学条件进行调研，结合本校特色和学科发展现状，完善结构动力学的教学计划。（2）加强实践学习，完善课堂内容。结构动力学是一门土木工程专业重要的基础课程，是结构抗震、抗风、抗爆分析以及结构振动控制、健康监测等课题研究的基础，为了加强理论与实践的集合，在课堂教学中增加专题讲座，加强学生的认识。（3）发挥学生主观能动性，丰富课下活动。单自由度体系是结构动力学课程的基础部分，为了加强学生对这部分内容的理解，布置课下作业，由学生组成若干个小组，每个小组选择一个知识点，制作成动画形式。

四、专题讲座

1.现场动力特性实测。结构动力学是一门专业基础理论课程，内容烦琐复杂，需要学生具备扎实的数学、力学等方面的知识，而且抽象不具体。因此，为了调动学生学习的积极性，使学生加深对结构动力学课程的认识，我们在讲解到单自由度体系阻尼振动时，专门进行了一次桥梁荷载试验现场动力特性实测的专题讲座。以吉林松原二莫互通四跨钢—混凝土组合连续梁为工程实例，详细了该桥进行动力荷载试验的目的、内容和方法。（1）动力试验试验目的：桥梁自振特性与桥梁结构的刚度、质量及其分布有关，它能从整体上反映桥梁结构状态。通过对桥梁结构动力特性的检测，能从整体上把握桥梁结构的运营状态。（2）动力试验内容：桥梁动载试验主要完成以下两方面内容：①脉动试验：在中跨跨中设置加速度传感器，进行振动信号采集，可获得主梁的振动频率；这些频率可用于结构的参数分析，进一步确定结构的刚度和质量分布情况。②无障碍行车试验：行车状态下，在主梁上安放拾振器，记录结构在不同车速下的振动响应，可以得到车辆对结构的冲击系数，并获得最不利的行车车速。（3）试验结果。①脉动试验：采用脉动法通过大利的IBIS-S（形监测系统）测量结构的自振特性，图1测试分析所得的结构频谱分析图。测点为中跨跨中，通过频谱分析图可以得到结构的基频，汇总结果见表1。由表1可知，意大利的IBIS-S（形监测系统）测量得到的桥梁基频分别为2.52，理论计算得到的桥梁基频为2.17Hz，与实测频率相比偏小，说明结构实际刚度稍大于计算值，满足要求。②无障碍行车试验：无障碍行车试验主要用来检验桥梁结构在行车状态下的动力响应，测试结构的冲击系数和阻尼比等参数。意大利IBIS-S（形监测系统）采用地面雷达干涉测量技术进行远程测试，仪器架设在边跨跨中正下方，车速10km/h时的测试结果见下图2所示。根据实测得到的动挠度曲线图，从曲线上读取在动荷载作用下最大动挠度和其平均值就可以得到桥梁的冲击系数，不同车速及不同行驶方向的冲击系数表2中。③阻尼比。采用意大利IBIS-S根据无障碍行车试验跑车余振波动，采用波形法可以粗略的计算结构的阻尼比，测得余振波形图见图3。

按照波形阻尼法由实测波形图可计算得结构的阻尼比为0.0112。一般混凝土桥梁结构阻尼比（0.01～0.08）范围内，可以认为该桥的阻尼比相对较小，反映出钢—混凝土组合梁桥的动力特性，振动衰减要慢于一般的混凝土桥梁。

2.抗震入门介绍。在课程讲到多自由度体系时，增加了一次抗震入门介绍的专题讲座，介绍了地震动多维输入和多点动输入问题。

五、教学效果

通过这门课程的学习加强了学生对结构动力学的这门课程的认识，使学生既掌握了扎实的理论基础，又能和工程实践联系起来，解决工程问题。（1）学生学习兴趣浓厚，思维灵活，对问题有自己的见解。（2）善于思考，勇于质疑。课堂气氛活跃，学生们均有所收获。（3）结合课堂教学，使学生的学习能力、实践动手能力、分析和解决问题等能力与综合素质得到提高和加强。（4）课堂教学效率达到较好水平。

参考文献：

[1]刘晶波，杜修力.结构动力学[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]陈清军，李文婷.结构动力学课程多元化教学方法探讨[J].高等建筑教育，2015，24（02）.