橋梁風(fēng)工程理論與實踐的本科教學(xué)探索

孫延國 徐騰飛 梁 艷 李明水 馬存明

（[1]西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁工程系 四川·成都 610031；[2]西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心 四川·成都 610031）

0 引言

2020 年5 月5 日下午，虎門大橋橋面發(fā)生了由風(fēng)引起的長時間較大幅度渦激振動，致使全橋?qū)嵤╇p向全封閉，禁止車輛通行，引發(fā)公眾高度關(guān)注，造成不利的社會影響。實際上，大橋發(fā)生的是一種常見風(fēng)致結(jié)構(gòu)振動現(xiàn)象。在此之前，我國的鸚鵡洲大橋、西堠門大橋等也都發(fā)生過不同程度的風(fēng)致振動現(xiàn)象。丹麥的大貝爾特橋，日本的東京灣橋、韓國的李舜臣大橋，俄羅斯的伏爾加河大橋也出現(xiàn)過類似的現(xiàn)象。[1]這些橋梁之所以會發(fā)生風(fēng)致振動現(xiàn)象，除了與大橋結(jié)構(gòu)輕柔的特點有關(guān)外，或多或少與橋梁設(shè)計和施工技術(shù)人員對抗風(fēng)的認(rèn)識不足有關(guān)。風(fēng)致振動問題往往是大跨度橋梁設(shè)計和施工中的控制性因素之一，若在橋梁的設(shè)計之初予以充分關(guān)注，這類現(xiàn)象是可以減弱或者避免的。

教育部在《關(guān)于深化本科教育教學(xué)改革全面提高人才培養(yǎng)質(zhì)量的意見》中，明確指出本科教育應(yīng)立足經(jīng)濟社會發(fā)展需求和人才培養(yǎng)目標(biāo)。隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，未來將會有越來越多的大跨度和超大跨度的橋梁被修建，橋梁的風(fēng)致振動問題將會變得尤為突出，面對這一新形勢，土木工程專業(yè)本科教學(xué)必須做出相應(yīng)的改革。因此，在廣大的土木工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系中加入橋梁風(fēng)工程相關(guān)內(nèi)容，探索切實可行且有效的教學(xué)方法，推廣和普及橋梁風(fēng)工程的理論和實踐變得尤為必要。

圖1 橋梁風(fēng)工程課程學(xué)科體系

“橋梁風(fēng)工程”是研究風(fēng)與橋梁結(jié)構(gòu)相互作用以及減小其風(fēng)致響應(yīng)和風(fēng)毀事故的學(xué)科，[2]是土木工程專業(yè)領(lǐng)域中的新興學(xué)科。自上世界80 年代以后我國開始風(fēng)工程領(lǐng)域的相關(guān)研究，中國空氣動力研究中心、同濟大學(xué)、西南交通大學(xué)等科研單位和高校先后建成了風(fēng)洞實驗室。進(jìn)入21 世紀(jì)后的近20 年時間里，我國在風(fēng)工程領(lǐng)域的硬件和從業(yè)人員的數(shù)量方面得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。但與我國土木工程建設(shè)的高度發(fā)展相比，風(fēng)工程領(lǐng)域的專業(yè)人才仍然嚴(yán)重不足。目前風(fēng)工程領(lǐng)域人才的培養(yǎng)主要依靠導(dǎo)師帶領(lǐng)研究生開展一些科研活動，數(shù)量十分有限，且多數(shù)學(xué)生僅從事科研活動，對工程領(lǐng)域的貢獻(xiàn)十分有限。[3]然而在橋梁設(shè)計、施工領(lǐng)域?qū)︼L(fēng)工程領(lǐng)域人才的需求越來越旺盛。目前，國內(nèi)已有同濟大學(xué)等幾所高校為本科生開設(shè)橋梁風(fēng)工程的限選或者選修課程。[4]西南交通大學(xué)是國內(nèi)最早開展風(fēng)工程研究的單位之一，是國內(nèi)外知名的橋梁風(fēng)工程研究單位，在橋梁風(fēng)工程研究領(lǐng)域形成了自己的特色及優(yōu)勢。[5]西南交通大學(xué)在本科生“土木工程概論”課程中開設(shè)了橋梁與結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的通識教育課程，另外從2004 年開始為本科生開設(shè)橋梁風(fēng)工程方向的限選課程，對土木工程專業(yè)方向的本科生進(jìn)行風(fēng)工程方向的教學(xué)實踐，旨在培養(yǎng)土木工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)綜合素質(zhì)。作者結(jié)合多年來課程的教學(xué)實踐經(jīng)驗，對橋梁風(fēng)工程的理論和實踐教學(xué)進(jìn)行了一些改革和探索，并取得了一定的效果。

1 教學(xué)面臨的問題

1.1 多學(xué)科交叉，知識點分散

橋梁風(fēng)工程是一門典型的交叉學(xué)科。[2]由圖1 的課程學(xué)科體系圖可以看出，從荷載的角度，橋梁風(fēng)工程涉及氣象學(xué)、計算流體力學(xué)、空氣動力學(xué)等學(xué)科；從結(jié)構(gòu)的角度，橋梁風(fēng)工程又涉及結(jié)構(gòu)動力學(xué)、橋梁工程學(xué)等專業(yè)知識；從研究和實踐的角度，還涉及風(fēng)洞試驗技術(shù)。從應(yīng)用的角度，還要涉及橋梁抗風(fēng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等。因此，對于這種涉及領(lǐng)域較多的學(xué)科，教學(xué)中不可避免的面臨著知識面廣、知識點分散、邏輯性不強等諸多困難。此外，對于土木工程專業(yè)的學(xué)生，還存在學(xué)生相關(guān)基礎(chǔ)薄弱的問題。這些都是橋梁風(fēng)工程教學(xué)過程中存在的普遍問題，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往感覺無從下手，存在對學(xué)科知識掌握的體系性和關(guān)聯(lián)性差等問題，學(xué)習(xí)質(zhì)量偏低。

1.2 教學(xué)體系不完善、教學(xué)方法單一

橋梁風(fēng)工程作為一門本科生課程時間較短，國內(nèi)已開展這門課程的高校數(shù)量十分有限，存在著教學(xué)經(jīng)驗不足、教學(xué)體系不完善的問題。一直以來橋梁風(fēng)工程課程的教學(xué)方法大都采用以理論教學(xué)為主，實踐教學(xué)為輔的傳統(tǒng)教學(xué)模式。大部分學(xué)時采用理論教學(xué)，少部分學(xué)時采用實踐教學(xué)。理論教學(xué)多采用傳統(tǒng)的知識點講解的教學(xué)方法，存在著學(xué)生學(xué)習(xí)較盲目，學(xué)習(xí)興趣不高的缺點，加之橋梁風(fēng)工程存在上述的知識面廣、知識點分散的特點，學(xué)習(xí)效果更無法得以保證。在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，通常做法都是帶領(lǐng)本科生參觀風(fēng)洞，重點介紹風(fēng)洞的構(gòu)造、功能和實驗室已完成的科研項目等，無法深入了解橋梁風(fēng)洞試驗的具體內(nèi)容，更沒有機會參與其中?，F(xiàn)階段這種教學(xué)方法對于實踐性要求強的課程是無法滿足的。

1.3 風(fēng)洞設(shè)備專業(yè)度高、實踐環(huán)節(jié)薄弱

風(fēng)洞實驗室建設(shè)規(guī)模大、投資高，定位于研究，主要服務(wù)于科研和重大工程項目。風(fēng)洞試驗使用的橋梁模型制作復(fù)雜、成本高，實驗室儀器比較精密、操作復(fù)雜、專業(yè)度要求高，本科生難以直接操作。[6]在實踐教學(xué)時，學(xué)生需要在專業(yè)人員的指導(dǎo)和協(xié)助下進(jìn)行。因此，在本科生中開展橋梁風(fēng)工程的實踐教學(xué)存在很大的難度。在以往的教學(xué)活動常常將實踐環(huán)節(jié)弱化，通常只是帶領(lǐng)學(xué)生進(jìn)行走馬觀花式的參觀，造成課程實踐環(huán)節(jié)薄弱，學(xué)生無法將所學(xué)的理論知識具化，教學(xué)效果十分有限。

2 課程教學(xué)方法探索

面對橋梁風(fēng)工程在本科教學(xué)中存在的諸多現(xiàn)實問題，作者結(jié)合自身多年的專業(yè)知識和授課經(jīng)驗，在橋梁風(fēng)工程的課程體系和教學(xué)方法等方面進(jìn)行了改革和探索。

2.1 采用逆向教學(xué)，優(yōu)化教學(xué)體系，瘦身知識點

針對橋梁風(fēng)工程課程多學(xué)科交叉、知識點分散以及學(xué)時有限的特點。對于土木工程專業(yè)的本科生來說，風(fēng)荷載以及風(fēng)引起的各種振動響應(yīng)時本科教學(xué)的重點。首先應(yīng)該抓住這條重點主線，將知識體系擴展到相關(guān)的學(xué)科領(lǐng)域，采用逆向教學(xué)，從實際應(yīng)用出發(fā)，縷清知識體系、突出重點，在非常有限的學(xué)時內(nèi)讓學(xué)生理解和掌握橋梁風(fēng)工程強相關(guān)的知識架構(gòu)。例如，由于橋址處的氣象數(shù)據(jù)多是由氣象部門或者氣象學(xué)的專業(yè)人員進(jìn)行分析提供，因此在講解氣象學(xué)的相關(guān)內(nèi)容時，重點介紹與橋梁抗風(fēng)所關(guān)注的平均風(fēng)、脈動風(fēng)等基本概念，將自然風(fēng)的成因和影響因素等知識作為次要內(nèi)容來講解。在講解橋梁的風(fēng)致振動時，從渦激振動、顫振、抖振等常見的幾種振動現(xiàn)象出發(fā)，重點講解各種風(fēng)致振動所帶來的危害和如何減弱和消除這種危害，然后，再向?qū)W生講授量化評價這一危害的各種手段，包括經(jīng)驗公式、抗風(fēng)規(guī)范和風(fēng)洞試驗等。將復(fù)雜的流動分離與附著、流固耦合等流動機理作為次要內(nèi)容進(jìn)行講解，同時為了便于理解，可借助于矩形、圓柱等簡單鈍體斷面的風(fēng)致振動進(jìn)行介紹。圍繞著實際應(yīng)用這條主線對繁雜的知識點進(jìn)行瘦身，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的思路更加清晰，目的更加明確，并能形成完整的知識體系。

2.2 理論與實踐相結(jié)合，實踐先于理論

橋梁風(fēng)工程課程是一門實踐性很強的課程，僅僅采用傳統(tǒng)知識講解式的教學(xué)方法，無法達(dá)到好的學(xué)習(xí)效果。通過課堂調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在親眼目睹橋梁的各種風(fēng)致振動現(xiàn)象以前，學(xué)生很難理解風(fēng)對大跨度橋梁產(chǎn)生的作用如此之大?？梢妼嵺`在學(xué)習(xí)過程中的作用是無法忽視的，必須遵循理論與實踐相結(jié)合，甚至是實踐先于理論的方法。因此，在開始講授理論基礎(chǔ)課之前，首先都過觀看視頻資料和風(fēng)洞參觀了解風(fēng)對橋梁的各種作用，使學(xué)生能夠聯(lián)系到身邊發(fā)生的各種風(fēng)致振動現(xiàn)象，如樹葉隨風(fēng)晃動、旗桿隨風(fēng)擺動、飛機機翼失速等等。此外，在進(jìn)行理論講解的過程中，也不斷穿插實踐課程，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)每種風(fēng)致振動現(xiàn)象后都能夠通過風(fēng)洞實驗室或者數(shù)值模型觀察到相應(yīng)的風(fēng)致振動現(xiàn)象，加深對理論知識的理解。針對風(fēng)洞實驗室科研任務(wù)繁忙，為學(xué)生提供的實踐環(huán)節(jié)偏少的問題，風(fēng)洞實驗室采用制作標(biāo)準(zhǔn)橋梁演示模型，優(yōu)化科研時間安排，固定學(xué)生科研實踐時間，配備實踐課研究生助教等方式滿足本科生橋梁風(fēng)工程課程實踐需要。

2.3 風(fēng)洞實驗與數(shù)值計算結(jié)合，豐富教學(xué)方法

目前，橋梁風(fēng)工程的主要研究手段是風(fēng)洞試驗，因此該課程的教學(xué)必須要具備風(fēng)洞中的實踐環(huán)節(jié)。西南交通大學(xué)每年也會為本科生設(shè)置大量的與橋梁抗風(fēng)有關(guān)的SRTP 項目、重點實驗室本科生開放課題、抗風(fēng)設(shè)計大賽等科研實踐活動，讓本科生參與橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗。然而，在風(fēng)洞中進(jìn)行橋梁抗風(fēng)試驗時，學(xué)生僅能看到橋梁結(jié)構(gòu)的振動情況，無法直觀地觀察到橋梁表面的氣流及流場分布等情況，不便于學(xué)生理解。近年來隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)在橋梁風(fēng)工程中的應(yīng)用也逐漸廣泛，在課程教學(xué)中，充分利用計算機數(shù)值模擬技術(shù)輔助教學(xué)。例如，在講解橋梁斷面的渦激振動時，氣流流經(jīng)橋梁斷面后產(chǎn)生周期性的旋渦分離和附著，當(dāng)旋渦的頻率與橋梁的振動頻率接近時便會產(chǎn)生渦激振動，但是僅從理論上講解這一流固耦合現(xiàn)象，學(xué)生難以理解，教學(xué)效果較差。從風(fēng)洞試驗中也只能看到模型的振動情況，無法觀察到橋面的氣流。在教學(xué)過程中，采用計算機數(shù)值分析的結(jié)果（如圖2 所示）對橋梁的渦激振動進(jìn)行動態(tài)展示，學(xué)生可以直觀的看到風(fēng)在橋梁的主梁表面產(chǎn)生的交替旋渦，在安裝抑振措施以后，這些旋渦減小或者消退，渦激振動便得以抑制。學(xué)生由此可以與理論知識聯(lián)系起來，學(xué)習(xí)效果顯著提升。

圖2 橋梁主梁斷面流跡教學(xué)展示圖

3 結(jié)論

針對橋梁風(fēng)工程的多學(xué)科交叉和實踐性強等特性，存在知識面廣、知識點分散，教學(xué)體系不完善、教學(xué)方法單一，實踐環(huán)節(jié)薄弱等諸多現(xiàn)實難點。本文圍繞著橋梁風(fēng)工程課程本科教學(xué)中風(fēng)荷載和橋梁的風(fēng)致振動響應(yīng)這一重點主線開展相關(guān)教學(xué)活動，從實際應(yīng)用出發(fā)，采用逆向教學(xué)的方法，梳理和優(yōu)化教學(xué)體系，對知識點進(jìn)行簡化瘦身，采用理論與實踐相結(jié)合，風(fēng)洞實驗與數(shù)值計算相結(jié)合等教學(xué)手段，對課程的教學(xué)方法進(jìn)行了改革探索。通過考試測試和學(xué)生調(diào)查，該教學(xué)方法顯著提升了學(xué)生對橋梁風(fēng)工程的學(xué)習(xí)興趣和積極性，絕大多數(shù)同學(xué)能夠深入掌握課程的主要知識點，科研能力也得到了鍛煉，教學(xué)效果良好。