“工程结构多场耦合理论与方法”科研在教学实践中的应用

祝 兵， 徐国际， 崔圣爱， 康啊真

（西南交通大学土木工程学院，成都 610031）

0 引 言

为深入贯彻全国教育大会精神和《中国教育现代化2035》，教育部关于深化教育教学改革、全面提高人才培养质量发布了教高（2019）6 号文件［1］。文件为严格管理教育教学，建议“推动科研反哺教学”，推动高校将最新科研成果转化为教学内容，激发学生专业学习兴趣，倡导更大范围开放共享国家级、省部级科研基地，并引导学生理性参加竞赛，达到以赛促教、以赛促学。这一倡导与建议可以最大限度发挥研究型高校自身的研究优势，进行教学与科研的相互促进与发展，改善高校教学与科研资源的不均衡配置问题［2-6］。

近年来，随着国家在轨道交通领域的不断发展，对土木工程类高质量人才的需求也不断提升。工程类人才在培养过程中，不仅要注重基础知识理论的学习，更要学会理论联合实际，切实解决实际工程问题，具备在该领域的前瞻视野。“工程结构多场耦合理论与方法”课程面向跨海桥梁在复杂海域中的建设需求，跨海桥梁在实际建造过程中，会面临风场、波浪场、流场的多场耦合作用［7-10］，课程的目的旨在帮助学生学习、了解多场耦合理论与方法，从而有助于学生在未来解决工程结构在多场耦合作用下建造与运营的安全问题。而多场耦合理论与方法具有抽象、难理解的特征，单纯进行理论介绍讲解会导致学生学习、理解困难，消磨学生自主学习积极性。

本文以实际跨海桥梁典型箱梁波流试验科研进度为切入点，将科研应用到教学实践中，同时举办汇报竞赛，落实“以赛促教、以赛促学”，最大程度帮助学生理解多场耦合理论方法与实际应用场景，为该类课程科研反哺教学方式提供一定参考。

1 近海桥梁波流力试验科研反哺

1.1 研究背景

为实现我国舟山连岛工程及环渤海湾、长三角、珠三角、台湾海峡，以及国家“一带一路”战略中“21 世纪海上丝绸之路”沿线经济区域的互联互通，越来越多跨海桥梁处于建造或规划建造中［11-12］。限于我国沿海通道多处于近海岛礁区，我国跨海桥梁处于复杂的海洋环境，面临风、浪、流等复杂海况。

其中桥梁上部结构，作为桥梁正常运营关键上部结构，随着近岸跨海桥梁的大规模建设，被飓风波流作用破坏的案例不断增加［13-15］。其主要原因为垂直方向的波流力超出了梁体自重及连接结构约束力，导致梁体从支座上脱落，产生落梁破坏。因此研究桥梁结构在风、浪、流多场耦合作用下表现具有重要意义。

为帮助学生学习了解工程结构多场耦合理论与方法，本课程选择1∶30 水槽模型波流试验作为试验案例教学，以淹没深度、波高、周期和流速为研究参数，测试箱梁结构在规则波浪作用的水平力、垂直力和弯矩。

1.2 试验方法

本教学案例试验于西南交通大学深水大跨桥梁试验室的波流水槽中进行，如图1 所示。该水槽亦在课程期间开放给学生进行参观，帮助学生了解试验内容。该水槽尺寸为1.8 m（高）×2.0 m（宽）×60 m（长），一侧装有活塞式推板造波机；另一端设置了1∶5斜率的覆盖泡沫消波材料的消波段来减少波浪反射，底部设有造流系统，最大造流宽度2.0 m，最大造流深度1.2 m。结构原型参考近海桥梁常用截面形式，选取高度为2.7 m、长度为15 m的箱梁截面形式。箱梁模型根据Froude相似准则按1∶30 设计，模型顶部连接测力天平。

图1 西南交通大学波流水槽及箱梁结构

为研究箱梁在飓风波流作用下受力与安全性能，定义结构的淹没系数Cs为淹没深度yb与梁高hb的比值（yb为箱梁模型底部到水面距离），试验需验证Cs=0.0，0.5，1.0，1.5 和2.0 共5 种淹没深度的梁体所受波流力。根据桥址100 a 复现期的波、流参数范围确定试验工况，如表1 所示。

表1 试验工况及参数

该试验考虑了波浪与水流的耦合作用及对结构的影响，利用多场耦合结构试验帮助学生了解工程结构多场耦合方法，实现科研反哺教学的目的。

1.3 水流对波浪力的影响

在淹没深度Cs=0 和1 时结构受到的波流力随流速的变化分别如图2、3 所示。

图2 Cs =0时结构所受波流力极值

由图2 可见，当Cs=0 时，由于上翼缘对流场的遮挡作用，与结构接触的波面附近流场发生动量传递，增加了水平动量，从而导致逆向流流速的上升引起更大的垂直和水平力。而正向流使波高减小，波峰仅能到达箱梁腹板，导致垂直力作用面积减小，抨击效应减小。在波峰未达到上翼缘的情况下，水平力主要受腹板高度处水质点速度的影响，所以随着流速的增大，水平力峰值也随之增大。图中Fh，max和Fh，min分别表示结构受到的水平波流力最大值与最小值，即水平波流力极值；Fv，max和Fv，min则分别表示结构受到的竖向波流力的最大值与最小值，即竖向波流力极值。

从图3 可以发现，当Cs=1 时，梁完全淹没在水中，垂直力峰值在流速u =0.183 m/s 处出现了最小值，当流速由正变负时，该值有增大的趋势。当逆向流速达到一定程度时，向上垂直力峰值反而呈现减小的趋势。该现象是由于波浪力时程是在波面与上翼缘发生抨击时达到最大值，而此时由于箱梁上方的甲板涌浪导致的结构上方流场变化，使得一定程度上减小了冲击力作用。

图3 Cs =1时结构所受波流力极值

在实际教学中，由于工程结构多场耦合理论的抽象性，学生难以理解多场耦合与单场联合的具体区别。通过具体的工程结构多场耦合试验过程与结果，直观展现了多场耦合理论的特点，帮助学生理解相关理论，启示学生自主学习，实现科研反哺教学。

2 推广与成效

2.1 以赛促教，以赛促学

为了实施“以赛促教、以赛促学”，本课程设立以小组为单位的汇报竞赛，要求学生结合工程结构多场耦合理论知识点与课堂所授多场耦合试验研究内容，总结收获心得，鼓励学生在波流-结构耦合研究理论的基础上拓展风-波-流-结构等多场耦合理论知识与方法，图4 为学生汇报竞赛现场。

图4 汇报竞赛现场

通过这种小组形式的汇报竞赛，启示学生在多场耦合理论领域开展自我学习、总结与归纳。通过课程结束后与学生交流发现，这种形式可以有效提高学生总结归纳及表达的能力，达到“以赛促教、以赛促学”。

2.2 教学成效

图5 展示了“工程结构多场耦合理论与方法”的2021 年下半年成绩分布及与往届学生成绩对比。

图5 课程成绩分布与对比

通过图5 可知，通过在本课程实施科研反哺教学，学生的整体成绩有显著上升。其中成绩达到优秀和良好的人数比例较以往两届学生成绩提升明显，近3 年首次未有学生出现不及格成绩。

与此同时，在结课时开展座谈会与学生交流其在课程的体验与收获，并对学生进行问卷调查与反馈、学生评教与评学。结果均显示采用“科研反哺教学、以赛促教、以赛促学”可以使学生在课堂上参与感与成就感明显提升，帮助学生理解多场耦合理论等抽象概念，抓住学生注意力，有助于理论联系实际，提升学生自主学习能力。

3 结 语

本文基于教高（2019）6 号《教育部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》第七条“推动科研反哺教学”，以“工程结构多场耦合理论与方法”教学为研究对象，通过结合典型近海桥梁箱梁波流力水槽试验，讨论了科研反哺教学的实施方式与成效。主要结论如下：

（1）利用典型近海桥梁箱梁波流力水槽试验可以有效帮助学生理解学习工程结构多场耦合理论，通过设立以小组为单位的汇报竞赛，可以显著提升学生的课堂参与感与自主学习能力，做到“以赛促教、以赛促学”。

（2）通过科研反哺教学的推广与实施，可以改善课堂的结构与内容，更好抓住学生注意力，提升学生的成绩。