結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程模塊化課程體系的教學(xué)改革★

王　濤　孟麗巖　高紅梅　呂　蘭　楊　悅　許珊珊(黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱　150022)

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結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程模塊化課程體系的教學(xué)改革★

王濤孟麗巖高紅梅呂蘭楊悅許珊珊
(黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150022)

摘要:針對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程的特點(diǎn)及目前在教學(xué)中所存在的主要問題，將結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的課程內(nèi)容進(jìn)行整合，提出概念設(shè)計(jì)模塊、分析計(jì)算模塊和抗震設(shè)計(jì)模塊的三模塊課程體系，以及各模塊的教學(xué)目標(biāo)，在實(shí)際教學(xué)中應(yīng)用明顯提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞:結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，課程體系，模塊化

0　引言

地震是威脅人類生存最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。近年來我國地震災(zāi)害頻發(fā)，從1976年7．8級唐山大地震到2008年8．0級汶川特大地震都造成了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失。地震災(zāi)害歸根結(jié)底為土木工程災(zāi)害，建筑物的倒塌是產(chǎn)生地震災(zāi)害最直接的原因，進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是目前防震減災(zāi)最有效的途徑，是土木工程師責(zé)無旁貸的任務(wù)。因此，絕大部分高校土木工程專業(yè)均開設(shè)了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程［1，2］。

另一方面，對于未來的土木工程師而言，一級、二級注冊結(jié)構(gòu)工程師考試是國家層次對工程師的認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)，也是高校土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)的導(dǎo)向，同時也為學(xué)生未來進(jìn)一步發(fā)展提供了很好的提升機(jī)會。國家注冊結(jié)構(gòu)工程師的專業(yè)測試主要是看學(xué)生是否已具備按照國家法律及設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)的能力，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是最重要的考核內(nèi)容，它貫穿于所有的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、高層結(jié)構(gòu)與高聳結(jié)構(gòu)以及地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等［3］。

作為土木工程專業(yè)重要的專業(yè)課，其教學(xué)目的是使未來的土木工程師們能夠了解地震工程基本知識及發(fā)展趨勢，掌握結(jié)構(gòu)抗震基本原理，能夠進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。

1　課程特點(diǎn)

目前大多數(shù)工科學(xué)校一般都將結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程安排在第7學(xué)期，這一學(xué)期對于畢業(yè)班的學(xué)生來說，面臨著多重壓力。近幾年國家的房地產(chǎn)行業(yè)低迷，土木工程專業(yè)的就業(yè)遇到了前所未有的困難，學(xué)生就業(yè)壓力大，找工作競爭非常激烈，常常需要參加多次招聘會才能成功，考研、考公務(wù)員的學(xué)生常常也要奔波于多個輔導(dǎo)學(xué)習(xí)班，這些都嚴(yán)重影響了學(xué)生正常的課堂學(xué)習(xí)時間。

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程內(nèi)容難度大、先行課多、綜合性強(qiáng)、涉及學(xué)科門類廣，主要以結(jié)構(gòu)動力學(xué)為基礎(chǔ)并涉及地震學(xué)、地質(zhì)學(xué)、高等數(shù)學(xué)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及振動控制等領(lǐng)域的知識［4，5］。一般學(xué)校結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程只有30學(xué)時左右，所以要在短短的30多學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生能夠很好地掌握這門課程，對于任課教師來說本身就是一件非常具有挑戰(zhàn)性的工作。

作者從事十余年結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程的教學(xué)工作，積極進(jìn)行了課程的教學(xué)改革與嘗試，將結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的課程內(nèi)容進(jìn)行整合，分為概念設(shè)計(jì)模塊、分析計(jì)算模塊和抗震設(shè)計(jì)模塊，在實(shí)際教學(xué)中采取模塊化的教學(xué)體系，取得了良好的教學(xué)效果。

2　模塊化課程體系

2．1概念設(shè)計(jì)模塊

通過對“5·12”汶川地震的震害分析，我們越來越發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的重要性。雖然從目前的研究水平看，我們可以對地震的作用及地震反應(yīng)進(jìn)行很多數(shù)值分析和計(jì)算，但地震本身是隨機(jī)發(fā)生的，受諸多因素的影響，因此，在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時正確的概念設(shè)計(jì)比數(shù)值計(jì)算更重要。所謂的概念設(shè)計(jì)是在整體上把握抗震設(shè)計(jì)的主要原則，減少由于建筑結(jié)構(gòu)自身帶來地震作用及結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的復(fù)雜性而造成抗震計(jì)算的不準(zhǔn)確。

本模塊在教學(xué)過程中應(yīng)加強(qiáng)學(xué)生對基本概念和基本理論的理解，建筑結(jié)構(gòu)所采用的結(jié)構(gòu)體系應(yīng)具有明確的計(jì)算簡圖和地震作用的合理傳力途徑，結(jié)構(gòu)布置時應(yīng)避免部分結(jié)構(gòu)和構(gòu)件破壞而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)喪失抗震承載能力，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)考慮避免剪切破壞先于彎曲破壞——強(qiáng)剪弱彎、避免柱子的破壞先于梁的破壞——強(qiáng)柱弱梁、避免節(jié)點(diǎn)的破壞先于構(gòu)件的破壞、避免混凝土的壓潰先于鋼筋的屈服、避免鋼筋的粘結(jié)錨固破壞先于構(gòu)件破壞。國內(nèi)外的大量震害資料表明，采用特殊復(fù)雜的平面或立面、質(zhì)量和剛度分布不均勻的結(jié)構(gòu)即使在地面烈度不高的地震作用下也會發(fā)生破壞或倒塌，因此結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對建筑結(jié)構(gòu)的平面規(guī)則性和豎向規(guī)則性做了細(xì)致的要求，如表1所示。

因此，概念設(shè)計(jì)模塊要達(dá)到的教學(xué)目標(biāo)是使學(xué)生在深刻理解我國抗震設(shè)計(jì)的目標(biāo)和方法的基礎(chǔ)上，能夠在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)選型，對結(jié)構(gòu)的平面和立面布置能夠按照抗震設(shè)計(jì)規(guī)范的要求設(shè)計(jì)，成為平面和立面規(guī)則的結(jié)構(gòu)。

2．2分析計(jì)算模塊

地震動引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力、變形、位移及結(jié)構(gòu)運(yùn)動速度與加速度等統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)。結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析是指以結(jié)構(gòu)動力學(xué)為基礎(chǔ)，計(jì)算和分析結(jié)構(gòu)在地震輸入下的地震反應(yīng)，為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和建議。大量的震害資料表明，經(jīng)過結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析并進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的工程結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比未經(jīng)過地震反應(yīng)分析和抗震設(shè)計(jì)的工程結(jié)構(gòu)優(yōu)越，這得到了工程界的廣泛認(rèn)同。

一般來說，小地震作用下的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)是彈性的，可按彈性分析方法進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)彈性地震反應(yīng)分析方法有底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法和振型分解時程分析法。底部剪力法是把地震作用看作等效靜力荷載，計(jì)算結(jié)構(gòu)最大地震反應(yīng)。底部剪力法的特點(diǎn)是忽略結(jié)構(gòu)高階振型的影響，假定結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)以基本振型為主，將基本振型簡化為倒三角形進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算量較小。因此底部剪力法只適用于高度不超過40 m，以剪切變形為主且質(zhì)量和剛度沿高度分布比較均勻的結(jié)構(gòu)及近似于單質(zhì)點(diǎn)體系的結(jié)構(gòu)。振型分解反應(yīng)譜法是利用振型分解的原理和反應(yīng)譜理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)最大地震反應(yīng)分析。振型分解反應(yīng)譜法是一種擬動力分析方法，計(jì)算精度較高適用于所有建筑結(jié)構(gòu)的地震作用計(jì)算。

表1　結(jié)構(gòu)的規(guī)則性判斷

大地震作用下，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)是非彈性的，應(yīng)采用逐步積分時程分析進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)計(jì)算。時程分析法是選用一定的地震波直接輸入到所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，然后對結(jié)構(gòu)的運(yùn)動微分方程進(jìn)行逐步數(shù)值積分，求得結(jié)構(gòu)在整個地震時程范圍內(nèi)的地震反應(yīng)。時程分析法是一種完全的動力方法，計(jì)算精度高，只對特別不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu)、特殊設(shè)防類建筑和超限高層做補(bǔ)充計(jì)算。時程分析法計(jì)算以數(shù)值積分算法為主，計(jì)算量大，在土木工程專業(yè)本科階段不要求學(xué)生掌握，只作了解內(nèi)容。

本模塊教學(xué)難度相對較大，理論推導(dǎo)較多，對學(xué)生的要求也較高，要求學(xué)生必須具備扎實(shí)的力學(xué)基礎(chǔ)，尤其是動力學(xué)知識。分析計(jì)算模塊要求學(xué)生掌握水平地震作用的底部剪力法和振型分解反應(yīng)譜法、豎向地震作用的計(jì)算方法以及結(jié)構(gòu)相關(guān)動力參數(shù)的計(jì)算。

2．3抗震設(shè)計(jì)模塊

目前在土木工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)類型，從材料上可分為砌體結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和混合結(jié)構(gòu)。

砌體房屋是我國建筑中最為普通的結(jié)構(gòu)形式，應(yīng)用廣泛，數(shù)量眾多。砌體結(jié)構(gòu)房屋是指用各種塊材用砂漿砌筑而成的房屋，由于砌體材料的脆性性質(zhì)，其抗拉、抗彎和抗剪強(qiáng)度很低，整體性差，所以沒有經(jīng)過合理抗震設(shè)計(jì)的砌體結(jié)構(gòu)抗震能力很差，這在歷次地震中，破壞嚴(yán)重的砌體結(jié)構(gòu)房屋可以得到證明。在砌體結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中除了要進(jìn)行墻體的抗剪承載力驗(yàn)算之外，更重要的是要進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)布置和鋼筋混凝土圈梁和構(gòu)造柱的設(shè)置。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)以其優(yōu)越的綜合性能在土木工程領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)從結(jié)構(gòu)體系上可分為框架結(jié)構(gòu)、抗震墻結(jié)構(gòu)、框架—抗震墻結(jié)構(gòu)。歷次震害經(jīng)驗(yàn)表明，與砌體結(jié)構(gòu)相比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)只要采用合理的抗震設(shè)計(jì)和采取可靠的抗震構(gòu)造措施，在一般烈度區(qū)是可以保證安全的。對于框架結(jié)構(gòu)，應(yīng)遵循“強(qiáng)柱弱梁”的原則，調(diào)整柱端彎矩設(shè)計(jì)值;遵循“強(qiáng)剪弱彎”的原則，調(diào)整梁、柱剪力設(shè)計(jì)值;遵循“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱構(gòu)件”的原則，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抗剪承載力驗(yàn)算。對于抗震墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時遵循“強(qiáng)墻弱梁、強(qiáng)剪弱彎”的原則調(diào)整墻肢和連梁的彎矩和剪力。

鋼結(jié)構(gòu)由于鋼材具有輕質(zhì)高強(qiáng)、延性好的特點(diǎn)，因此使得鋼結(jié)構(gòu)受到的地震作用較小，并具有較大的變形能力，因此即使在很大的變形下也不至于倒塌，保證結(jié)構(gòu)的安全性。

本設(shè)計(jì)模塊的教學(xué)重點(diǎn)是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)，它在我國的《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中也是篇幅最多的。為了讓學(xué)生能更好的掌握本模塊內(nèi)容，教學(xué)中以工程案例教學(xué)為主，結(jié)合國家注冊結(jié)構(gòu)工程師的考試內(nèi)容，逐條逐點(diǎn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)中也體會到了學(xué)以致用的樂趣。

3　結(jié)語

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程理論嚴(yán)謹(jǐn)、內(nèi)容豐富、實(shí)用性強(qiáng)，注重學(xué)生工程能力的培養(yǎng)，重新整合該課程的教授內(nèi)容，提出三模塊化課程體系，概念設(shè)計(jì)模塊重點(diǎn)講授有關(guān)地震工程的基本概念和結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的要求;分析計(jì)算模塊講授地震作用的各種計(jì)算方法;抗震設(shè)計(jì)模塊講授各種結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)要求，其重點(diǎn)是鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)和抗震墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)。模塊化課程體系從另一角度來看也涵蓋了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的全部過程，概念設(shè)計(jì)、抗震驗(yàn)算和構(gòu)造措施，因此結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程模塊化有助于學(xué)生對所學(xué)知識的梳理與總結(jié)，有助于對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)過程的理解。

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［3］鄭妮娜，楊溥，劉立平，等．結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程教學(xué)問題調(diào)研［J］．高等建筑教育，2014，23(3):75-77．

［4］張大偉，郭立英，于學(xué)智．建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的概念設(shè)計(jì)［J］．山西建筑，2008，34(13):77-78．

［5］李文雄，陳穗茵．建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程教學(xué)方法討論［J］．山西建筑，2014，40(23):274-276．

Modularization teaching reform on seismic design of structure course★

Wang TaoMeng LiyanGao HongmeiLv LanYang YueXu Shanshan
(School of Civil Engineering，Heilongjiang University of Science＆Technology，Harbin 150022，China)

Abstract:A modularization teaching system of the seismic design course containing conceptual module，analysis module and seismic design is proposed by course contents integration based on the course characteristic and existing teaching problems．The teaching objective of each module is proposed．Teaching effect is improved obviously in the actual teaching．

Key words:seismic design of structure，course system，modularization

作者簡介:王濤(1978-)，男，博士，碩士生導(dǎo)師，副教授

收稿日期:2015-10-29★:黑龍江省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2013年度課題“‘3+1’人才培養(yǎng)模式下土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類課程改革的理論與實(shí)踐研究”(項(xiàng)目編號:GBD1213065)資助項(xiàng)目

文章編號:1009-6825(2016)01-0242-02

中圖分類號:G642．0

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A