建筑结构抗震设计课程实验改革

史勇 王利辉

[摘 要] 在建筑结构抗震设计课程教学中，多质点结构体系的抗震概念设计与计算设计是教学与学习的重点，学生对于多质点结构体系的刚性、延性、自振频率、阻尼比、振型缺乏直观的认识，进而影响了对多质点结构体系抗震设计知识的掌握。抗震设计实验教学是揭示多质点结构体系振动规律，结构抗震设计基本原理的有效手段。通过抗震设计实验课程改革，对实验方式、实验内容、实验平台、实验模型进行了重新设计，新的实验课程提高了学生的学习兴趣，对学生掌握多质点结构体系振动规律与抗震设计原理发挥了重要作用。

[关键词] 结构抗震;实验;改革

[基金项目] 2015年度内蒙古工业大学教学改革项目“建筑结构抗震设计课程实践教学内容研究与改革”（2015222）

[作者简介] 史 勇（1972—），男，内蒙古乌兰察布人，博士，内蒙古工业大学土木工程学院讲师，实验中心主任，主要从事土木工程材料研究;王利辉（1981—），男（蒙古族），内蒙古乌兰察布人，硕士，内蒙古工业大学土木工程学院讲师，实验员（通信作者），主要从事工程结构测试技术研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）26-0056-04   [收稿日期] 2021-01-20

一、研究综述

我国地处世界两大地震带——环太平洋地震带和欧亚地震带的交汇处，地震活动特别是强震发生十分频繁。据统计，20世纪以来全球死亡人数超过2万的地震共有21次，在我国境内就发生了6次[1]，频繁的地震活动给我国人民的生命财产带来了巨大的损失。因此，土木工程专业规范将建筑结构抗震设计（以下简称“抗震”）课程列为高校土木工程专业建筑结构方向的一门必修课。“抗震”课程在土木工程专业课程体系中占有重要地位，通过“抗震”课程的学习，要求学生掌握建筑结构抗震概念设计的基本概念，掌握建筑结构的地震反应分析原理和抗震验算方法，了解隔震与耗能减震房屋的设计方法[2]。“抗震”课程的学习以结构力学、材料力学、建筑材料、土力学与地基基础、砌体结构、混凝土结构原理、钢结构、高层建筑设计等专业课程为先导课程，具有很强的综合性;抗震计算需要掌握高等数学偏微分方程求解知识，理论性较强。由于上述课程的特点，教师普遍反映课程难讲授，学生普遍反映课程难理解。特别是随着近年来高校教学改革，包括“抗震”在内的专业课程课时被明显压缩，使得该课程的讲授和学习难度进一步加大[3]。根据我们多年来的教学经验总结，该课程的教与学难点主要集中在三个方面。

1.抗震概念设计中的刚性、柔性与延性问题。工程界对于结构刚性和柔性的问题，一般认为刚性方案比柔性方案好。但结构抗侧移刚度過大，地震周期变短，地震作用就增大，进而要求结构具有与较大自振反应相对应的较高水平抗力，往往是以提高工程造价及降低结构延性指标为代价。因此，抗震概念设计要求刚性、柔性与延性合理匹配，而这需要非常丰富的工程经验做支撑，学生显然不具备这样的经验与知识的积累，因此，对这一问题往往感到困惑，影响了学习效果。

2.抗震计算设计中的多质点体系的自振频率与振型问题。由于地震反应的计算主要讲解振型分解反应谱法和底部剪力法两种方法，其中底部剪力法的学习以振型分解反应谱法为前提，可理解为振型分解法的简化算法。多自由度体系按照振型分解反应谱法求解结构的地震反应时，需要计算结构的各阶自振频率和振型，而学生普遍对多质点体系的自振频率与振型缺少感性认识，因而影响了对振型分解反应谱法的理解和掌握。

3.建筑构造措施中关于刚度变化、减震耗能问题。学生对于局部刚度变化对结构抗震性能影响以及减震耗能装置的作用仅限于概念认识，对其作用缺乏直观认识，更谈不上进行合理的抗震设计。而这些问题是建筑抗震设计中经常遇到并需要解决的工程问题。

综上所述，为解决上述问题，在“抗震”课程的教学环节中迫切需要一个提升学生对上述三个方面问题感性认识的教学手段。研究表明，实验教学是提高“抗震”课程中学生感性认识、辅助理论教学的理想方法[4，5]，杨予等研究了以结构模型为载体，以地震影响系数与质量函数关系为实验目标的抗震实验改革对“抗震”课程教学效果的影响。实验内容包括了模型制作、力学分析、模型实验、总结分析环节。研究表明，改革后的教学模式提高了学生学习与探索知识的兴趣，取得了有更好的教学效果[6]。夏冰华等的抗震实验教学改革研究结合全国大学生结构设计竞赛中的抗震题目，依托小型精密振动台等设备设置了开放性和创新性的抗震实验项目，研究表明，通过抗震实验教学加深了学生对理论知识的理解、提高了学生探究抗震知识的兴趣[7]。周小龙等则将虚拟实验引入课堂教学中，通过虚拟仿真方式演示特定结构在地震波作用下的响应，结合具体工程案例讲解抗震原理，取得了良好的教学效果[8]。

二、当前“抗震”课程实验教学中存在的问题与改革思路

上述研究对“抗震”课程的实践教学内容与方法进行了广泛探索，取得了一些有益的经验与成果，但是由于各高校的实验条件与学生学习情况差别较大，同时受到课时、实验条件等限制，需要结合自身条件探索适合本校特点的“抗震”课程实践教学模式。具体以我校“抗震”课程实践教学活动来说，主要存在以下两方面问题：（1）实验课时少。新修订的培养方案调整中将“抗震”课程总学时从40学时压缩到32学时。其中课内实验压缩到2课时，在如此少的课时内难以完成从结构设计、力学分析到模型制作、加载测试、分析总结这样一个完整的实验流程。（2）实验条件有限。受经费限制，缺少小型精密振动台等用于抗震实验教学的设备，实验经费也不足以支持购买多台市场上主流的小型精密振动台，而为了保证学生分组开展实验的要求，需要准备不低于5台套实验设备。针对上述问题，我们本着以学生为中心的工程教育认证理念，紧紧抓住课程核心知识点与学生学习中的难点问题、适当简化实验流程的改革思路，对“抗震”课程实验进行了全面的革新。