周海燕 王亞萍 張 晨

(1.南通城欣市政工程有限公司，江蘇 南通 226000; 2.南通大學(xué)杏林學(xué)院，江蘇 南通 226019)

土木工程專業(yè)的最大特點(diǎn)是實(shí)踐性很強(qiáng)，對(duì)于該專業(yè)學(xué)生要求具有動(dòng)手能力強(qiáng)、勇于探索、敢于創(chuàng)新和綜合素質(zhì)高等要求。畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生即將走上結(jié)構(gòu)工程師工作崗位的最后一個(gè)綜合訓(xùn)練環(huán)節(jié)，要綜合提升學(xué)生處理設(shè)計(jì)、施工以及管理等各種問題的能力，教學(xué)質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響到學(xué)生的崗位適應(yīng)性。這要求學(xué)生不是簡(jiǎn)單地將教材和規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)與要求直接套用到設(shè)計(jì)、施工中。因此，畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響學(xué)生走上結(jié)構(gòu)工程師工作崗位的適應(yīng)性。筆者多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)經(jīng)歷表明，工程結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)理念的提升能有效強(qiáng)化學(xué)生工程應(yīng)用的能力。

1 抗震概念設(shè)計(jì)的必要性

作為一個(gè)地震多發(fā)的國家，我國需要考慮抗震設(shè)防的地域遼闊。2008年5月12日四川汶川發(fā)生特大地震，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8 000多億元人民幣[1，2]。由于地震具有很強(qiáng)的不確定性和復(fù)雜性，目前很難準(zhǔn)確預(yù)測(cè)建筑物在地震作用下的特性和參數(shù)[3]。結(jié)構(gòu)分析中，一方面未能充分考慮結(jié)構(gòu)材料的非彈性特性、材料時(shí)效、結(jié)構(gòu)的空間作用以及阻尼變化等因素。另一方面，計(jì)算也存在著不準(zhǔn)確性。因此，工程的抗震設(shè)計(jì)不能依賴于“計(jì)算”來解決，而應(yīng)該著眼于“概念設(shè)計(jì)”。

抗震概念設(shè)計(jì)是指從結(jié)構(gòu)的宏觀體系出發(fā)，以系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)，立足于結(jié)構(gòu)整體反應(yīng)，解決結(jié)構(gòu)的總體方案、材料特性、結(jié)構(gòu)分析計(jì)算、構(gòu)件截面設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等問題，力求結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)、合理，并達(dá)到合理抗震設(shè)計(jì)的目的[4]。工程抗震概念設(shè)計(jì)目標(biāo)是能發(fā)揮整體結(jié)構(gòu)耗散地震能量的作用，避免結(jié)構(gòu)敏感薄弱部位的出現(xiàn)。一般說來，如果地震能量的聚散集中在結(jié)構(gòu)的少數(shù)薄弱部位，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的過早破壞。目前，各種工程抗震設(shè)計(jì)的前提是假定結(jié)構(gòu)整體共同發(fā)揮地震能量耗散的作用。在此假定基礎(chǔ)上以多遇地震(即小震)作用效應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、構(gòu)件設(shè)計(jì)和構(gòu)造處理措施。必要時(shí)，考慮應(yīng)用彈性時(shí)程分析方法補(bǔ)充計(jì)算，以達(dá)到結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下不倒塌目標(biāo)(即大震不倒)[5]。工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范明確規(guī)定，結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)對(duì)工程的抗震性起決定性作用。因此，規(guī)范在相關(guān)條文中強(qiáng)調(diào)要進(jìn)行建筑與結(jié)構(gòu)的抗震概念設(shè)計(jì)。不僅如此，工程·抗震規(guī)范中還將該條款列入強(qiáng)制性條文:即建筑與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)符合工程抗震概念設(shè)計(jì)的要求[6]。

因此，土木工程專業(yè)學(xué)生在進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，無論選擇哪種建筑形態(tài)，無論選用何種材料以及何種結(jié)構(gòu)形式，歸根結(jié)底都要具有明確的工程抗震概念設(shè)計(jì)理念，并貫穿于工程設(shè)計(jì)全過程。一位好的結(jié)構(gòu)工程師只有具備了良好的工程抗震概念設(shè)計(jì)理念，才能提出合理的、優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案，才能在結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析中思路清晰，對(duì)計(jì)算結(jié)果的正確與否能進(jìn)行判斷，并合理地進(jìn)行相關(guān)構(gòu)件的構(gòu)造設(shè)計(jì)。此外，優(yōu)良的工程抗震概念理念也便于工程施工的指導(dǎo)。土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)作為專業(yè)教學(xué)計(jì)劃的最后一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)，也是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，不僅要提升學(xué)生綜合應(yīng)用專業(yè)知識(shí)的能力和工程實(shí)踐的能力，還要培養(yǎng)和強(qiáng)化該專業(yè)學(xué)生的工程抗震概念設(shè)計(jì)理念。

2 抗震概念設(shè)計(jì)理念的不足

近幾年，高等教育逐漸從單一的“專才”教育方式向著“通才”教育和“專才”教育相結(jié)合的方式轉(zhuǎn)變。隨著教學(xué)改革的不斷深入，新的問題不斷出現(xiàn)。

2.1 專業(yè)知識(shí)的深度不足

目前，土木工程專業(yè)本科生在三年半的時(shí)間內(nèi)要學(xué)習(xí)幾十門課程之多，而其他非專業(yè)課程占用大部分教學(xué)學(xué)時(shí)，導(dǎo)致專業(yè)核心課程包括鋼結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)、復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等教學(xué)的學(xué)時(shí)數(shù)比正常需要教學(xué)的學(xué)時(shí)數(shù)減少達(dá)1/4～1/3，其中工程抗震設(shè)計(jì)的課時(shí)數(shù)更少(32學(xué)時(shí))。因此，教學(xué)中教師只講授一些結(jié)構(gòu)的基本原理，沒有時(shí)間來講授工程的結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)理念以及工程應(yīng)用案例，該部分內(nèi)容一般只能安排學(xué)生自學(xué)。在沒有足夠的硬性規(guī)定下，完全靠學(xué)生的自學(xué)積極性，教學(xué)的效果是很難得到保證的，最終導(dǎo)致的結(jié)果是，一旦進(jìn)入到畢業(yè)設(shè)計(jì)的階段，學(xué)生普遍感到專業(yè)知識(shí)獲取的太少，且深度明顯不足。當(dāng)面對(duì)有一定工作量和難度的畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)時(shí)，他們根本就無從下手，有的甚至直接放棄結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)這一部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容，這種現(xiàn)象在歷年的畢業(yè)設(shè)計(jì)和畢業(yè)答辯中表現(xiàn)得非常突出，也給教師指導(dǎo)和組織畢業(yè)設(shè)計(jì)帶來了相當(dāng)?shù)睦щy。

2.2 基本概念模糊

先進(jìn)的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)已將工程設(shè)計(jì)人員從繁雜的體力和腦力工作中解脫出來，但工程設(shè)計(jì)人員中普遍感覺抗震計(jì)算原理不清、結(jié)構(gòu)抗震概念模糊及抗震概念設(shè)計(jì)能力不足等。如，“抗震構(gòu)造措施”和“抗震措施”兩個(gè)概念經(jīng)?；煜磺濉Ｒ话愣?，“抗震構(gòu)造措施”指依據(jù)抗震概念設(shè)計(jì)的基本原則，無需對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行具體計(jì)算，僅非結(jié)構(gòu)的各部分所采取特殊的細(xì)部構(gòu)造?！翱拐鸫胧眲t是指在計(jì)算地震作用和結(jié)構(gòu)抗力以外的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容。它不僅包括:建筑總布置方案、結(jié)構(gòu)體系選型、地基基礎(chǔ)抗液化設(shè)計(jì)以及考慮地震作用效應(yīng)的調(diào)整等，還包括具體結(jié)構(gòu)的細(xì)部構(gòu)造，譬如，梁兩端箍筋加密、柱箍筋加密、搭接長(zhǎng)度、連接構(gòu)造、箍筋彎鉤構(gòu)造、抗震錨固長(zhǎng)度等等。應(yīng)該說，后者部分內(nèi)容涵蓋了前者。

2.3 專業(yè)知識(shí)認(rèn)知結(jié)構(gòu)非系統(tǒng)化

目前高校教學(xué)土木工程專業(yè)教學(xué)中，普遍重視結(jié)構(gòu)單個(gè)構(gòu)件和獨(dú)立分體系力學(xué)概念的講解。尤其在專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課教學(xué)中，練習(xí)大多局限于單項(xiàng)計(jì)算，鮮有進(jìn)行綜合的練習(xí)，學(xué)生則著重體現(xiàn)在做考題備考中。結(jié)果是，在三年半時(shí)間內(nèi)學(xué)生學(xué)習(xí)了很多的專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，但這些課程的知識(shí)在學(xué)生的記憶中僅僅是孤立的小片段，不能有機(jī)地將各部分知識(shí)聯(lián)系起來，更無法形成完整而系統(tǒng)的專業(yè)認(rèn)知知識(shí)體系。例如，學(xué)生在學(xué)習(xí)了專業(yè)課程:鋼筋混凝土、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)和地基基礎(chǔ)等基本原理后，學(xué)生大多掌握的是構(gòu)件承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)概念薄弱，抗震的延性設(shè)計(jì)近乎空白。但是，強(qiáng)梁、強(qiáng)柱和強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的框架結(jié)構(gòu)并非意味著結(jié)構(gòu)抗震性能良好。

由于受知識(shí)認(rèn)知水平的限制和缺乏足夠的實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)，該專業(yè)學(xué)生的專業(yè)知識(shí)很難形成一個(gè)完整的系統(tǒng)。當(dāng)學(xué)生面對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，他們不知道該進(jìn)行哪些工作，也不知道設(shè)計(jì)的基本程序和思路，更不知道具體計(jì)算時(shí)該用哪方面的知識(shí)。認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的不足給學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)和教師的組織與指導(dǎo)進(jìn)行帶來相當(dāng)?shù)睦щy，這也不利于學(xué)生今后專業(yè)技術(shù)的發(fā)展和業(yè)務(wù)能力的提升。

3 抗震概念設(shè)計(jì)理念的培養(yǎng)與實(shí)踐

抗震概念設(shè)計(jì)一般分為工程概念設(shè)計(jì)和理論計(jì)算兩大部分。其中，理論計(jì)算部分是工程設(shè)計(jì)人員基于結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的基本既定和受力分析狀態(tài)的假定，依據(jù)規(guī)范和計(jì)算理論基本原則，對(duì)工程主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算和分析設(shè)計(jì)，由于理性計(jì)算不能解決所有的問題，規(guī)范也并非完全涵蓋工程的方方面面，在未明確規(guī)定和很難作出精確的計(jì)算部分，目前常用的方法是采用工程概念設(shè)計(jì)。參考數(shù)值分析結(jié)果，分析結(jié)構(gòu)整體體系與結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)在地震作用下破壞機(jī)制以及地震震害、工程試驗(yàn)現(xiàn)象，形成工程概念設(shè)計(jì)的基本設(shè)計(jì)思想和原則。從結(jié)構(gòu)整體的角度出發(fā)，提出工程結(jié)構(gòu)的建筑、結(jié)構(gòu)總體布置方案和結(jié)構(gòu)構(gòu)件細(xì)部的構(gòu)造措施。針對(duì)這一現(xiàn)狀，筆者考慮將工程抗震概念設(shè)計(jì)理念的培養(yǎng)貫穿于土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的整個(gè)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)。

3.1 抗震設(shè)計(jì)方案的理解和應(yīng)用

合理的結(jié)構(gòu)方案和抗震體系是保證建筑抗震安全的重要因素，以5層的辦公樓為例，采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為辦公區(qū)域，中間設(shè)內(nèi)走廊?，F(xiàn)有2個(gè)設(shè)計(jì)方案如圖1，圖2所示，方案1的結(jié)構(gòu)體系抗震安全系數(shù)明顯要比方案2小。分析其原因有:方案1的塑性鉸首先出現(xiàn)在走廊處框架梁的梁端，內(nèi)框架梁端塑性鉸出現(xiàn)后，兩側(cè)外框架梁又重新組成了一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的框架結(jié)構(gòu)，而方案1不能滿足此要求。但是，要形成圖2的塑性鉸機(jī)制，工程設(shè)計(jì)中應(yīng)將走廊處框架梁的截面取得要弱一些和小一些，使該部分梁先屈服進(jìn)而形成塑性鉸，如果框架梁截面相同則很難形成圖2塑性鉸機(jī)制。

圖1 兩側(cè)梁端塑性鉸機(jī)制

圖2 中間梁端塑性鉸機(jī)制

由兩種設(shè)計(jì)方案的對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，方案2的設(shè)計(jì)更合理。在滿足同樣的設(shè)計(jì)要求前提下，方案1和方案2體現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的工程抗震概念設(shè)計(jì)理念。此案例的講解與分析有助于學(xué)生明白工程結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)理念的提升與培養(yǎng)，是提出科學(xué)、合理、安全和可靠結(jié)構(gòu)方案的基礎(chǔ)。科學(xué)、合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，才能真正做到強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件，即節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度要高于構(gòu)件強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體延性的有效增強(qiáng)。從而實(shí)現(xiàn)抗震概念設(shè)計(jì)中對(duì)框架結(jié)構(gòu)的三個(gè)最基本要求“強(qiáng)剪弱彎、強(qiáng)柱弱梁和強(qiáng)節(jié)點(diǎn)弱構(gòu)件”。

3.2 理解抗震計(jì)算與分析模型

目前，工程結(jié)構(gòu)的計(jì)算是基于簡(jiǎn)化的計(jì)算簡(jiǎn)圖進(jìn)行的，計(jì)算簡(jiǎn)圖的選用適當(dāng)與否是結(jié)構(gòu)計(jì)算是否有效以及結(jié)構(gòu)能否安全的前提條件。以一地震區(qū)帶底框的房屋抗震設(shè)計(jì)為例，在計(jì)算模型的建立過程中應(yīng)考慮上、下結(jié)構(gòu)是兩類截然不同的受力性質(zhì)體系，二者的極限變形能力也是相差懸殊。小震時(shí)，上部磚房將起主要控制作用，在結(jié)構(gòu)處于彈性階段時(shí)，應(yīng)將磚墻部分作為驗(yàn)算的重點(diǎn);當(dāng)上部磚房的磚墻開裂后，在結(jié)構(gòu)處于非彈性階段時(shí)，則應(yīng)將框架部分作為驗(yàn)算的重點(diǎn)。還有一點(diǎn)值得注意的是，帶底框的房屋側(cè)向變形協(xié)調(diào)主要是靠樓板來保證的，因此樓板在水平方向應(yīng)具有足夠的剛度。施工時(shí)，底層樓板一般需要全現(xiàn)澆以保證其達(dá)到足夠的水平剛度，還需要滿足樓板厚度的最小要求。

3.3 抗震構(gòu)造措施的理解和應(yīng)用

考慮地震作用時(shí)，不僅要領(lǐng)會(huì)和靈活運(yùn)用抗震概念設(shè)計(jì)的計(jì)算理論，還需掌握相應(yīng)的構(gòu)造措施。如，建筑平面外墻轉(zhuǎn)角處的轉(zhuǎn)角窗是結(jié)構(gòu)薄弱部位，應(yīng)用抗震概念設(shè)計(jì)理念，可考慮在豎向構(gòu)件間設(shè)置厚板、暗梁等可靠拉結(jié)以約束角部結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件。再如，抗震構(gòu)造措施中有關(guān)節(jié)點(diǎn)部位的設(shè)計(jì)，考慮引入“抗開裂性能”概念，就此來比較節(jié)點(diǎn)偏心對(duì)梁與柱連接節(jié)點(diǎn)性能的影響。在地震區(qū)，規(guī)范規(guī)定構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)不宜采取偏心過大的梁、柱連接形式，并且連接節(jié)點(diǎn)的實(shí)際承載力不得低于與節(jié)點(diǎn)所連構(gòu)件的極限承載能力。

3.4 PKPM電算軟件的理解和應(yīng)用

目前，PKPM系列建筑結(jié)構(gòu)CAD系統(tǒng)軟件在工程設(shè)計(jì)方面得到了廣泛的應(yīng)用，這要求學(xué)生能靈活應(yīng)用該軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，尤其是電算模型的建立。采用三維有限元SATWE軟件進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)的空間分析計(jì)算充分模擬建筑結(jié)構(gòu)的破壞形式，建立多個(gè)與實(shí)際結(jié)構(gòu)體系相符合的力學(xué)計(jì)算模型。以進(jìn)行地下室電算為例，該部分的力學(xué)計(jì)算模型有:1)考慮將地下室作為地上第一層，并與上部結(jié)構(gòu)一起建模成為一個(gè)整體;2)直接將上部結(jié)構(gòu)與地下室建成為一個(gè)整體模型。上述兩種力學(xué)計(jì)算模型各有優(yōu)勢(shì)，可以相互補(bǔ)充，能較為真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為。

值得說明的是，工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效果的好壞不是軟件分析的多少，而應(yīng)重視工程結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)。近年來，很多高校強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)應(yīng)用教育，比如要求畢業(yè)設(shè)計(jì)全部用工程設(shè)計(jì)軟件計(jì)算和計(jì)算機(jī)出圖。卻忽略計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)過程存在一定的屏蔽效應(yīng)，因而也消弱了學(xué)生手算過程的實(shí)訓(xùn)程度，造成學(xué)生過度依賴計(jì)算分析，致使學(xué)生綜合運(yùn)用能力普遍下降，對(duì)于工程結(jié)構(gòu)體系則是概念模糊。這些與教育部目標(biāo)培養(yǎng)具有創(chuàng)造力的工程師是極為不符的。

4 實(shí)踐指導(dǎo)的成效

筆者參與指導(dǎo)的土木工程專業(yè)(土木06，07和08級(jí))學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐環(huán)節(jié)，取得了一定的成效，主要有以下幾點(diǎn):

1)學(xué)生的畢業(yè)設(shè)計(jì)成果更為合理，學(xué)生在設(shè)計(jì)過程中考慮問題可以更加全面，設(shè)計(jì)思路、概念設(shè)計(jì)也更為清晰，具備了一定的工程抗震概念設(shè)計(jì)理念。

2)學(xué)生的畢業(yè)答辯結(jié)果顯示，學(xué)生能較好地回答有關(guān)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的工程問題，進(jìn)一步將各部分知識(shí)系統(tǒng)化。

3)通過畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐環(huán)節(jié)，有效地完善了學(xué)生的知識(shí)體系，提高了學(xué)生對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)分析與評(píng)價(jià)的能力。

隨著人們生活水平的不斷提高和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也將提出更高的要求和目標(biāo)，尤其是工程結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)。全面提升土木工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)的質(zhì)量，鍛煉畢業(yè)生的實(shí)踐能力和培養(yǎng)學(xué)生的綜合素質(zhì)既是一個(gè)系統(tǒng)工程，又是一項(xiàng)長(zhǎng)期任務(wù)，這需要工程界和教育界不斷開拓思路，有針對(duì)性地制定并實(shí)施可行的措施，才能在提高畢業(yè)設(shè)計(jì)質(zhì)量上起到實(shí)效，并為社會(huì)培養(yǎng)出高質(zhì)量的土木工程專業(yè)人才。

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