桥梁风工程理论与实践的本科教学探索

孙延国 徐腾飞 梁 艳 李明水 马存明

（[1]西南交通大学土木工程学院桥梁工程系 四川·成都 610031；[2]西南交通大学风工程试验研究中心 四川·成都 610031）

0 引言

2020 年5 月5 日下午，虎门大桥桥面发生了由风引起的长时间较大幅度涡激振动，致使全桥实施双向全封闭，禁止车辆通行，引发公众高度关注，造成不利的社会影响。实际上，大桥发生的是一种常见风致结构振动现象。在此之前，我国的鹦鹉洲大桥、西堠门大桥等也都发生过不同程度的风致振动现象。丹麦的大贝尔特桥，日本的东京湾桥、韩国的李舜臣大桥，俄罗斯的伏尔加河大桥也出现过类似的现象。[1]这些桥梁之所以会发生风致振动现象，除了与大桥结构轻柔的特点有关外，或多或少与桥梁设计和施工技术人员对抗风的认识不足有关。风致振动问题往往是大跨度桥梁设计和施工中的控制性因素之一，若在桥梁的设计之初予以充分关注，这类现象是可以减弱或者避免的。

教育部在《关于深化本科教育教学改革全面提高人才培养质量的意见》中，明确指出本科教育应立足经济社会发展需求和人才培养目标。随着我国经济社会的快速发展，未来将会有越来越多的大跨度和超大跨度的桥梁被修建，桥梁的风致振动问题将会变得尤为突出，面对这一新形势，土木工程专业本科教学必须做出相应的改革。因此，在广大的土木工程专业人才培养体系中加入桥梁风工程相关内容，探索切实可行且有效的教学方法，推广和普及桥梁风工程的理论和实践变得尤为必要。

图1 桥梁风工程课程学科体系

“桥梁风工程”是研究风与桥梁结构相互作用以及减小其风致响应和风毁事故的学科，[2]是土木工程专业领域中的新兴学科。自上世界80 年代以后我国开始风工程领域的相关研究，中国空气动力研究中心、同济大学、西南交通大学等科研单位和高校先后建成了风洞实验室。进入21 世纪后的近20 年时间里，我国在风工程领域的硬件和从业人员的数量方面得到了突飞猛进的发展。但与我国土木工程建设的高度发展相比，风工程领域的专业人才仍然严重不足。目前风工程领域人才的培养主要依靠导师带领研究生开展一些科研活动，数量十分有限，且多数学生仅从事科研活动，对工程领域的贡献十分有限。[3]然而在桥梁设计、施工领域对风工程领域人才的需求越来越旺盛。目前，国内已有同济大学等几所高校为本科生开设桥梁风工程的限选或者选修课程。[4]西南交通大学是国内最早开展风工程研究的单位之一，是国内外知名的桥梁风工程研究单位，在桥梁风工程研究领域形成了自己的特色及优势。[5]西南交通大学在本科生“土木工程概论”课程中开设了桥梁与结构风工程的通识教育课程，另外从2004 年开始为本科生开设桥梁风工程方向的限选课程，对土木工程专业方向的本科生进行风工程方向的教学实践，旨在培养土木工程专业学生的专业综合素质。作者结合多年来课程的教学实践经验，对桥梁风工程的理论和实践教学进行了一些改革和探索，并取得了一定的效果。

1 教学面临的问题

1.1 多学科交叉，知识点分散

桥梁风工程是一门典型的交叉学科。[2]由图1 的课程学科体系图可以看出，从荷载的角度，桥梁风工程涉及气象学、计算流体力学、空气动力学等学科；从结构的角度，桥梁风工程又涉及结构动力学、桥梁工程学等专业知识；从研究和实践的角度，还涉及风洞试验技术。从应用的角度，还要涉及桥梁抗风设计标准等。因此，对于这种涉及领域较多的学科，教学中不可避免的面临着知识面广、知识点分散、逻辑性不强等诸多困难。此外，对于土木工程专业的学生，还存在学生相关基础薄弱的问题。这些都是桥梁风工程教学过程中存在的普遍问题，学生在学习过程中往往感觉无从下手，存在对学科知识掌握的体系性和关联性差等问题，学习质量偏低。

1.2 教学体系不完善、教学方法单一

桥梁风工程作为一门本科生课程时间较短，国内已开展这门课程的高校数量十分有限，存在着教学经验不足、教学体系不完善的问题。一直以来桥梁风工程课程的教学方法大都采用以理论教学为主，实践教学为辅的传统教学模式。大部分学时采用理论教学，少部分学时采用实践教学。理论教学多采用传统的知识点讲解的教学方法，存在着学生学习较盲目，学习兴趣不高的缺点，加之桥梁风工程存在上述的知识面广、知识点分散的特点，学习效果更无法得以保证。在实践教学环节，通常做法都是带领本科生参观风洞，重点介绍风洞的构造、功能和实验室已完成的科研项目等，无法深入了解桥梁风洞试验的具体内容，更没有机会参与其中。现阶段这种教学方法对于实践性要求强的课程是无法满足的。

1.3 风洞设备专业度高、实践环节薄弱

风洞实验室建设规模大、投资高，定位于研究，主要服务于科研和重大工程项目。风洞试验使用的桥梁模型制作复杂、成本高，实验室仪器比较精密、操作复杂、专业度要求高，本科生难以直接操作。[6]在实践教学时，学生需要在专业人员的指导和协助下进行。因此，在本科生中开展桥梁风工程的实践教学存在很大的难度。在以往的教学活动常常将实践环节弱化，通常只是带领学生进行走马观花式的参观，造成课程实践环节薄弱，学生无法将所学的理论知识具化，教学效果十分有限。

2 课程教学方法探索

面对桥梁风工程在本科教学中存在的诸多现实问题，作者结合自身多年的专业知识和授课经验，在桥梁风工程的课程体系和教学方法等方面进行了改革和探索。

2.1 采用逆向教学，优化教学体系，瘦身知识点

针对桥梁风工程课程多学科交叉、知识点分散以及学时有限的特点。对于土木工程专业的本科生来说，风荷载以及风引起的各种振动响应时本科教学的重点。首先应该抓住这条重点主线，将知识体系扩展到相关的学科领域，采用逆向教学，从实际应用出发，缕清知识体系、突出重点，在非常有限的学时内让学生理解和掌握桥梁风工程强相关的知识架构。例如，由于桥址处的气象数据多是由气象部门或者气象学的专业人员进行分析提供，因此在讲解气象学的相关内容时，重点介绍与桥梁抗风所关注的平均风、脉动风等基本概念，将自然风的成因和影响因素等知识作为次要内容来讲解。在讲解桥梁的风致振动时，从涡激振动、颤振、抖振等常见的几种振动现象出发，重点讲解各种风致振动所带来的危害和如何减弱和消除这种危害，然后，再向学生讲授量化评价这一危害的各种手段，包括经验公式、抗风规范和风洞试验等。将复杂的流动分离与附着、流固耦合等流动机理作为次要内容进行讲解，同时为了便于理解，可借助于矩形、圆柱等简单钝体断面的风致振动进行介绍。围绕着实际应用这条主线对繁杂的知识点进行瘦身，学生在学习过程中的思路更加清晰，目的更加明确，并能形成完整的知识体系。

2.2 理论与实践相结合，实践先于理论

桥梁风工程课程是一门实践性很强的课程，仅仅采用传统知识讲解式的教学方法，无法达到好的学习效果。通过课堂调查发现，在亲眼目睹桥梁的各种风致振动现象以前，学生很难理解风对大跨度桥梁产生的作用如此之大。可见实践在学习过程中的作用是无法忽视的，必须遵循理论与实践相结合，甚至是实践先于理论的方法。因此，在开始讲授理论基础课之前，首先都过观看视频资料和风洞参观了解风对桥梁的各种作用，使学生能够联系到身边发生的各种风致振动现象，如树叶随风晃动、旗杆随风摆动、飞机机翼失速等等。此外，在进行理论讲解的过程中，也不断穿插实践课程，让学生在学习每种风致振动现象后都能够通过风洞实验室或者数值模型观察到相应的风致振动现象，加深对理论知识的理解。针对风洞实验室科研任务繁忙，为学生提供的实践环节偏少的问题，风洞实验室采用制作标准桥梁演示模型，优化科研时间安排，固定学生科研实践时间，配备实践课研究生助教等方式满足本科生桥梁风工程课程实践需要。

2.3 风洞实验与数值计算结合，丰富教学方法

目前，桥梁风工程的主要研究手段是风洞试验，因此该课程的教学必须要具备风洞中的实践环节。西南交通大学每年也会为本科生设置大量的与桥梁抗风有关的SRTP 项目、重点实验室本科生开放课题、抗风设计大赛等科研实践活动，让本科生参与桥梁结构的风洞试验。然而，在风洞中进行桥梁抗风试验时，学生仅能看到桥梁结构的振动情况，无法直观地观察到桥梁表面的气流及流场分布等情况，不便于学生理解。近年来随着计算机技术的发展，数值模拟技术在桥梁风工程中的应用也逐渐广泛，在课程教学中，充分利用计算机数值模拟技术辅助教学。例如，在讲解桥梁断面的涡激振动时，气流流经桥梁断面后产生周期性的旋涡分离和附着，当旋涡的频率与桥梁的振动频率接近时便会产生涡激振动，但是仅从理论上讲解这一流固耦合现象，学生难以理解，教学效果较差。从风洞试验中也只能看到模型的振动情况，无法观察到桥面的气流。在教学过程中，采用计算机数值分析的结果（如图2 所示）对桥梁的涡激振动进行动态展示，学生可以直观的看到风在桥梁的主梁表面产生的交替旋涡，在安装抑振措施以后，这些旋涡减小或者消退，涡激振动便得以抑制。学生由此可以与理论知识联系起来，学习效果显著提升。

图2 桥梁主梁断面流迹教学展示图

3 结论

针对桥梁风工程的多学科交叉和实践性强等特性，存在知识面广、知识点分散，教学体系不完善、教学方法单一，实践环节薄弱等诸多现实难点。本文围绕着桥梁风工程课程本科教学中风荷载和桥梁的风致振动响应这一重点主线开展相关教学活动，从实际应用出发，采用逆向教学的方法，梳理和优化教学体系，对知识点进行简化瘦身，采用理论与实践相结合，风洞实验与数值计算相结合等教学手段，对课程的教学方法进行了改革探索。通过考试测试和学生调查，该教学方法显著提升了学生对桥梁风工程的学习兴趣和积极性，绝大多数同学能够深入掌握课程的主要知识点，科研能力也得到了锻炼，教学效果良好。