建筑結(jié)構(gòu)抗震浸入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索

岳 峰， 馮少孔， 鄧檢良， 葉冠林

（上海交通大學(xué)上海市公共建筑和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240）

0 引 言

地震是威脅人類(lèi)和建筑工程結(jié)構(gòu)安全的重要災(zāi)害之一。結(jié)構(gòu)抗震是土木工程專業(yè)重要的教學(xué)內(nèi)容，主要在課堂上講授以下理論知識(shí)：地震與地震動(dòng)、場(chǎng)地與地基、單自由度和多自由度體系的地震作用與反應(yīng)譜、多層砌體結(jié)構(gòu)、多高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)、多高層鋼結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)、減隔震與結(jié)構(gòu)控制初步等。對(duì)于結(jié)構(gòu)工程抗震教學(xué)和研究，擬靜力試驗(yàn)、低周反復(fù)加載試驗(yàn)、擬動(dòng)力試驗(yàn)和振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力試驗(yàn)既是不可或缺的重要工具，也是輔助實(shí)踐教學(xué)的最佳手段。

以往高校大多注重理論知識(shí)的傳授，往往會(huì)忽視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性［1］。近年來(lái)，利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備等教學(xué)條件，國(guó)內(nèi)不少高校開(kāi)始在抗震實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面做了不少研究和探索［1-9］。其中，盧文勝等［1］通過(guò)結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)課程改革和實(shí)踐，探索了基于研究型實(shí)驗(yàn)室豐富資源的本科教學(xué)思路與方法，試圖利用已有的結(jié)構(gòu)抗震研究資源，使其在結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)本科教學(xué)中發(fā)揮作用，通過(guò)課堂教育改革、加強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)以及改進(jìn)學(xué)生成績(jī)?cè)u(píng)定方法等手段，提高結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，推進(jìn)結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)多個(gè)高校利用結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備開(kāi)展了豐富多彩的實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，如，章敏等［10］借助小型振動(dòng)臺(tái)，將管樁地震響應(yīng)、復(fù)合樁加固液化地基和多層鋼框架振動(dòng)響應(yīng)3 項(xiàng)科研課題轉(zhuǎn)化為探究型實(shí)驗(yàn)教學(xué)。郭濤等［11］針對(duì)傳感器原理及應(yīng)用課程的特點(diǎn)及內(nèi)容，采用了實(shí)踐與理論相結(jié)合的教學(xué)方式。楊明飛等［12］從參加全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽的視角，對(duì)目前結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程的理論和實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了探索，認(rèn)為抗震實(shí)踐教學(xué)是提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)手能力的重要手段。孫建琴等［13］根據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)這門(mén)課程的特點(diǎn)和存在的問(wèn)題，從教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式和考核方法3 個(gè)方面進(jìn)行了改革探索，通過(guò)多媒體教學(xué)、參觀地震博物館和動(dòng)手參與小型振動(dòng)臺(tái)的模擬試驗(yàn)等手段，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和興趣，拓展學(xué)生的視野。

國(guó)內(nèi)多個(gè)高校開(kāi)始探討建立虛擬仿真教學(xué)體系，如，楊小衛(wèi)等［14］嘗試引導(dǎo)學(xué)生參與建立虛擬仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，結(jié)合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果與仿真實(shí)例對(duì)比，將抽象的概念性設(shè)計(jì)具體化、可視化，使學(xué)生形象地理解側(cè)向剛度概念設(shè)計(jì)的重要意義。石南南等［15］以土木工程中基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)方法為研究對(duì)象，提出了基于虛擬仿真技術(shù)的土木工程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)課程的教學(xué)方案。

模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)通過(guò)向振動(dòng)臺(tái)輸入地震波，激起振動(dòng)臺(tái)上模型結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，從而很好地再現(xiàn)地震過(guò)程，因而振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)是實(shí)驗(yàn)室研究土木工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機(jī)理最直接的方法，也是研究與評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能的重要手段之一。模擬地震振動(dòng)臺(tái)是大型精密貴重設(shè)備，試驗(yàn)運(yùn)行和模型制作的成本都很高，布設(shè)傳感器、利用數(shù)字采集儀采集數(shù)據(jù)等操作環(huán)節(jié)無(wú)法做到每位學(xué)生動(dòng)手參與，加之整體試驗(yàn)周期長(zhǎng)，受設(shè)備條件及學(xué)時(shí)的限制，目前設(shè)置土木工程專業(yè)的各個(gè)高校還無(wú)法將這個(gè)重要的試驗(yàn)工具覆蓋應(yīng)用于本科生和研究生實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)中。本文將具體介紹我校近年來(lái)在探索結(jié)構(gòu)抗震浸入式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一些嘗試，討論如何將理論與實(shí)踐相結(jié)合，如何充分利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的大型振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)設(shè)備應(yīng)用于教學(xué)，服務(wù)于教學(xué)。

1 我校模擬地震振動(dòng)臺(tái)的功能特色

模擬地震振動(dòng)臺(tái)通過(guò)向臺(tái)面輸入地震波，再現(xiàn)地震過(guò)程，激起振動(dòng)臺(tái)上模型結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，是研究工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和破壞機(jī)理最直接最理想的實(shí)驗(yàn)方法，也是評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)抗震性能、研發(fā)減隔震裝置的重要手段之一。

模擬地震振動(dòng)臺(tái)是在國(guó)家“985 工程”三期項(xiàng)目支持下建設(shè)的大型精密實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)室擁有4 個(gè)2 m×2 m的模擬地震振動(dòng)臺(tái)（見(jiàn)圖1），振動(dòng)臺(tái)有X、Y兩向兩個(gè)水平自由度，采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，振動(dòng)臺(tái)頻率范圍0.1 ～150 Hz，既可以模擬地震波激勵(lì)作用，也可以用于工業(yè)產(chǎn)品的高頻振動(dòng)試驗(yàn)研究。振動(dòng)臺(tái)采用模塊化臺(tái)陣設(shè)計(jì)，既可以拼接成1 個(gè)4 m×4 m的方形臺(tái)陣［見(jiàn)圖1（b）和圖2（a）］，進(jìn)行方形斷面建筑物或結(jié)構(gòu)物的抗震試驗(yàn)，也可以將多個(gè)2 m×2 m振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面在實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)度方向上以一定間隔排開(kāi)，形成線形臺(tái)陣［見(jiàn)圖1（c）和圖2（b）、（c）、（d）］，進(jìn)行橋梁、隧洞等長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)物的抗震試驗(yàn)。近年來(lái)實(shí)驗(yàn)室還配置了多通道數(shù)據(jù)采集儀以及各類(lèi)專門(mén)適用于振動(dòng)臺(tái)測(cè)試的傳感器。

作為國(guó)家科技部和教育部大型共享設(shè)備平臺(tái)的一員，它能在結(jié)構(gòu)工程、巖土工程、橋梁工程、隧道工程、海洋工程專業(yè)、機(jī)械工業(yè)設(shè)備、航空航天等專業(yè)領(lǐng)域，面向校內(nèi)外教師、本科生、研究生和社會(huì)開(kāi)展教學(xué)、科學(xué)研究和相關(guān)測(cè)試業(yè)務(wù)。

2 抗震實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐探索

我校模擬地震振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)室將服務(wù)于學(xué)生教學(xué)作為工作重點(diǎn)，近幾年來(lái)，面向本科生和研究生開(kāi)設(shè)了以振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)為主要內(nèi)容的課程，組織了振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)觀摩課，開(kāi)展了多項(xiàng)有特色的校際和國(guó)際教學(xué)交流活動(dòng)，開(kāi)展了真實(shí)地震體驗(yàn)式教學(xué)。

2.1 模擬地震振動(dòng)臺(tái)減震阻尼器的選用及其工作原理設(shè)計(jì)

模擬地震振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)室近年來(lái)開(kāi)展了多種振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，這些研究性試驗(yàn)同時(shí)也為結(jié)構(gòu)抗震教學(xué)實(shí)踐提供了第一手試驗(yàn)數(shù)據(jù)和教學(xué)資源。

圖1 模擬地震振動(dòng)臺(tái)不同臺(tái)陣的實(shí)物圖

2.1.1 減震阻尼器的選用

圖3 3種經(jīng)典減震阻尼器對(duì)建筑結(jié)構(gòu)減震效果的測(cè)試試驗(yàn)

振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)室精選了3 ～4 種有代表性的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，作為試驗(yàn)教學(xué)的案例。圖3 所示分別為3 種經(jīng)典的減震阻尼器對(duì)建筑結(jié)構(gòu)減震效果測(cè)試研究的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，即金屬阻尼器、摩擦型阻尼器和電渦流阻尼器振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)。指導(dǎo)學(xué)生對(duì)未安裝減震阻尼器（即無(wú)控工況）和安裝減震阻尼器（即有控工況）后的結(jié)構(gòu)地震動(dòng)響應(yīng)的分析比較，并通過(guò)調(diào)節(jié)改變阻尼器參數(shù)觀察對(duì)結(jié)構(gòu)抗震效果的改善程度等，讓學(xué)生在結(jié)構(gòu)抗震理論課的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，感性地理解抽象的理論知識(shí)，實(shí)際動(dòng)手操作解決問(wèn)題，并進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新和研究意識(shí)。

2.1.2 減震阻尼器的工作原理

限于篇幅，這里以金屬阻尼器振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)［見(jiàn)圖3（a）］為例來(lái)說(shuō)明在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何借助具體實(shí)際的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)來(lái)提煉出一些形象的圖像或圖表案例，向?qū)W生傳授金屬阻尼器的減震工作原理。

在金屬阻尼器振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)中，在金屬阻尼器一側(cè)布置紅外熱像儀［見(jiàn)圖4（a）］，觀察記錄某一彎曲型金屬阻尼器［見(jiàn)圖4（a）、（b）］在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)地震波激勵(lì)過(guò)程中［見(jiàn)圖5（a）］的溫度變化情況［見(jiàn)圖5（b）～（e）］。該彎曲型金屬阻尼器通過(guò)彎曲變形的方式吸收、耗散地震作用傳遞給結(jié)構(gòu)的能量，在地震動(dòng)加速度進(jìn)入峰值劇烈階段3 時(shí)，吸收耗散的能量集聚達(dá)到了一定的高峰階段，紅外熱像儀捕捉到了金屬阻尼器有別于環(huán)境的升溫輪廓，幫助學(xué)生形象地獲知理解減震裝置在地震作用下的工作原理和能量耗散規(guī)律。

圖4 金屬阻尼器的結(jié)構(gòu)及安裝位置

圖5 紅外熱像儀探測(cè)金屬阻尼器在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)過(guò)程中的溫度變化規(guī)律

2.2 面向本科生和研究生新開(kāi)抗震實(shí)踐試驗(yàn)課程

2.2.1 面向本科生開(kāi)設(shè)抗震實(shí)驗(yàn)實(shí)踐課程

在抗震理論課程先修之后，為了向?qū)W生提供實(shí)驗(yàn)實(shí)踐機(jī)會(huì)，將理論和實(shí)踐緊密結(jié)合，我校土木系在2018 年新開(kāi)設(shè)了一門(mén)面向本科生32 學(xué)時(shí)的工程結(jié)構(gòu)模擬地震動(dòng)力試驗(yàn)課程，該課程是一門(mén)專業(yè)理論知識(shí)與工程實(shí)際緊密結(jié)合的專業(yè)實(shí)踐課程，有明確的教學(xué)大綱和課程教學(xué)要求，教學(xué)計(jì)劃安排在大學(xué)第7 學(xué)期。課程主要在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)上課，將大型模擬地震振動(dòng)臺(tái)設(shè)備服務(wù)于大學(xué)生的本科教學(xué)。通過(guò)該課程使學(xué)生認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)地震作用的特點(diǎn)、震害的破壞機(jī)理、抗震減災(zāi)防災(zāi)的措施方法、模型試驗(yàn)的相似性理論、模擬地震振動(dòng)臺(tái)工作原理并實(shí)步掌握試驗(yàn)方法等，針對(duì)2 ～3 個(gè)實(shí)際的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)案例，要求學(xué)生分組動(dòng)手布設(shè)傳感器，利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集時(shí)程數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和整理等。

2.2.2 面向研究生開(kāi)設(shè)抗震實(shí)驗(yàn)研究課程

抗震和減隔震研究是土木工程專業(yè)非常重要的研究方向。2019 年起我校土木系面向研究生新開(kāi)設(shè)了“Seismic Research Methodology on Civil Engineering Structures”課程，32 學(xué)時(shí)，面向?qū)ο笫峭聊竟こ虒I(yè)碩士和博士研究生，適合結(jié)構(gòu)工程和巖土工程等相關(guān)抗震研究方向，采用全英文教學(xué)。課程利用現(xiàn)有模擬地震振動(dòng)臺(tái)設(shè)備，讓學(xué)生在振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)觀摩、演示、體驗(yàn)真實(shí)地震和動(dòng)手操作等教學(xué)手段（見(jiàn)圖6），

鞏固和加深抗震理論知識(shí)，認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)有關(guān)抗震動(dòng)力測(cè)試的原理和方法，了解結(jié)構(gòu)震害破壞機(jī)理以及抗震隔振措施方法，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手試驗(yàn)操作和工程實(shí)踐能力，掌握抗震動(dòng)力試驗(yàn)研究方法，講授如何利用試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論計(jì)算模型、土木工程抗震研究的方式方法，啟發(fā)學(xué)生如何開(kāi)展抗震實(shí)驗(yàn)研究。

2.3 開(kāi)展真實(shí)地震體驗(yàn)式特色試驗(yàn)教學(xué)

2017 年起，利用大型模擬地震振動(dòng)臺(tái)設(shè)備，通過(guò)在振動(dòng)臺(tái)上現(xiàn)場(chǎng)體驗(yàn)真實(shí)地震波環(huán)節(jié)（見(jiàn)圖7），讓學(xué)生體驗(yàn)強(qiáng)烈地震對(duì)工程結(jié)構(gòu)的摧毀破壞，認(rèn)識(shí)地震給人類(lèi)帶來(lái)的巨大災(zāi)難，訓(xùn)練演習(xí)避難逃生技能，提高防災(zāi)自救意識(shí)。增強(qiáng)學(xué)生作為未來(lái)結(jié)構(gòu)工程師的專業(yè)情懷，充分理解土木工程師應(yīng)承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任，樹(shù)立強(qiáng)烈的職業(yè)使命感。目前體驗(yàn)對(duì)象面向教師、本科生、研究生、留學(xué)生，他們?cè)隗w驗(yàn)結(jié)束后在留言薄上書(shū)寫(xiě)自己的親身體會(huì)，可以看到這種寓教于樂(lè)的活動(dòng)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

真實(shí)地震體驗(yàn)式教學(xué)分組進(jìn)行，記錄了體驗(yàn)前后的血壓［見(jiàn)圖8（a）、（b）］、脈搏［見(jiàn)圖8（c）］，比較地震前后人體生理狀況的變化。有趣的是，從所記錄的數(shù)據(jù)來(lái)看，為數(shù)不少的體驗(yàn)者在震前測(cè)得的血壓值和脈搏值比震后高。這可能是參加體驗(yàn)的學(xué)生在體驗(yàn)真實(shí)地震前普遍都比較緊張的原因，當(dāng)然，要得到可靠的生理變化結(jié)論還有賴于更多的樣本支撐。

圖6 振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展

圖7 真實(shí)地震體驗(yàn)式教學(xué)

圖8 體驗(yàn)學(xué)生的生理特征變化信息統(tǒng)計(jì)

2.4 開(kāi)展多方位教學(xué)合作、學(xué)習(xí)和交流

在2017 年7 月的國(guó)際學(xué)生暑期教學(xué)中，5 位分別來(lái)自德國(guó)、英國(guó)、加拿大的大學(xué)生利用振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了5次20 學(xué)時(shí)的陸上地震滑坡實(shí)驗(yàn)［見(jiàn)圖9（a）］，利用小型振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行了25 次100 學(xué)時(shí)的水下地震滑坡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目的，即：①模擬地震振動(dòng)臺(tái)可以用于巖土工程的模型試驗(yàn)；②軟弱薄層砂（厚度僅3 cm）也可發(fā)生液化；③垂直方向的地震加速度分量對(duì)液化具有重要影響。

圖9 振動(dòng)臺(tái)教學(xué)國(guó)際交流合作

在2019 年7 月，6 位分別來(lái)自香港和澳門(mén)3 所大學(xué)的大學(xué)生在振動(dòng)臺(tái)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了為期11天的體驗(yàn)交流活動(dòng)［見(jiàn)圖9（b）］，有學(xué)術(shù)專題講座、實(shí)驗(yàn)室參觀、體驗(yàn)真實(shí)地震、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)講座、動(dòng)手操作振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果報(bào)告會(huì)等豐富多彩的學(xué)術(shù)交流活動(dòng)。

2.5 拓展更多有益的新型教學(xué)方式

振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)造價(jià)高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。針對(duì)抗震試驗(yàn)的特點(diǎn)，利用現(xiàn)有振動(dòng)臺(tái)實(shí)體設(shè)備，探索利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、VR技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)建立虛-實(shí)結(jié)合的虛擬仿真教學(xué)體系，是另一項(xiàng)與時(shí)俱進(jìn)、值得繼續(xù)探討和發(fā)展的新型浸入式教學(xué)方式之一。

3 結(jié) 語(yǔ)

我校近年來(lái)嘗試?yán)媚M地震振動(dòng)臺(tái)大型試驗(yàn)設(shè)備，針對(duì)先修的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原理理論課知識(shí)，探索了多種實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，開(kāi)展了多項(xiàng)建筑結(jié)構(gòu)抗震實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生親身體驗(yàn)，實(shí)際動(dòng)手，置身于實(shí)體設(shè)備-實(shí)際模型-真實(shí)激勵(lì)中，將理論與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐密切結(jié)合起來(lái)?！敖胧健睂?shí)驗(yàn)教學(xué)的體會(huì)總結(jié)如下：

（1）分別面向本科生和研究生，專門(mén)新開(kāi)設(shè)動(dòng)力抗震實(shí)踐實(shí)驗(yàn)課程，讓學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室親身接觸大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備，親自動(dòng)手操作試驗(yàn)，消化理解抗震設(shè)計(jì)原理課程的理論知識(shí)。

（2）將研究型實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)性實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合，為教學(xué)實(shí)驗(yàn)提供第一手的教學(xué)試驗(yàn)素材，在教學(xué)中融入研究、創(chuàng)新和啟發(fā)思維，學(xué)生也可以了解到目前結(jié)構(gòu)抗震研究熱點(diǎn)和當(dāng)前最新的減隔震新技術(shù)。

（3）通過(guò)體驗(yàn)真實(shí)地震的特色實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室感知和體驗(yàn)地震，體會(huì)地震對(duì)工程結(jié)構(gòu)和人類(lèi)的危害，提高學(xué)生的抗震防災(zāi)減災(zāi)的社會(huì)責(zé)任意識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的土木工程專業(yè)情懷。

（4）開(kāi)展校際和國(guó)際實(shí)驗(yàn)教學(xué)相互交流活動(dòng)，學(xué)習(xí)交流先進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，借此推動(dòng)、完善和提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平。

（5）針對(duì)抗震實(shí)驗(yàn)教學(xué)的特點(diǎn)，值得繼續(xù)探索和拓展虛-實(shí)結(jié)合的虛擬仿真新型教學(xué)體系。