陳清軍　李文婷+??

摘要：

探討了結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程的多元化教學(xué)方法。以三維框架結(jié)構(gòu)的ANSYS數(shù)值試驗、典型地震動加速度時程的獲取與處理、結(jié)構(gòu)動力特性的現(xiàn)場測試為例，介紹了改善課堂效果、開展課外實踐的有效方法。結(jié)果表明，采用豐富的課堂教學(xué)形式并結(jié)合現(xiàn)場測試實踐的多元化教學(xué)法，能有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，幫助學(xué)生理解結(jié)構(gòu)動力學(xué)概念，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)動力學(xué)；教學(xué)方法；多元化；理論與實踐；教學(xué)研究

中圖分類號：TV311文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

10052909（2015）02004706

結(jié)構(gòu)動力學(xué)著重研究結(jié)構(gòu)對動力載荷的響應(yīng)，它不僅是結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)、抗爆分析以及結(jié)構(gòu)振動控制、健康監(jiān)測等課題研究的基礎(chǔ)，也是土木工程從業(yè)人員需要掌握的重要專業(yè)知識，結(jié)構(gòu)動力學(xué)已成為土木工程專業(yè)的一門重要課程。隨著超限及重要建筑的大規(guī)模建設(shè)，工程界對動力問題越來越重視，結(jié)構(gòu)動力學(xué)知識逐漸成為評價土木工程技術(shù)人員專業(yè)能力的重要指標(biāo)。

結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析在彈性抗力之外附加了與時間相關(guān)的慣性力和阻尼力，因此其求解過程比相應(yīng)靜力問題復(fù)雜得多[1]。結(jié)構(gòu)動力學(xué)涉及動力及隨機問題，具有概念多抽象、公式多冗長、求解多繁瑣的特點，傳統(tǒng)的以“課堂”“教師”“書本”為中心的“三中心”教學(xué)方式，往往不利于學(xué)生對理論知識的理解和掌握，達(dá)不到令人滿意的教學(xué)效果。如何幫助學(xué)生從本質(zhì)上理解工程問題、從而創(chuàng)新解決工程問題成為結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程教學(xué)中亟需解決的問題。

其他學(xué)科的實踐表明，走出“教師控制課堂”教學(xué)模式，采用理論結(jié)合實踐的方法，對幫助學(xué)生理解力學(xué)概念、激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣有很大促進(jìn)作用。結(jié)構(gòu)動力學(xué)不僅理論抽象難懂，在應(yīng)用方面也涉及測試技術(shù)、數(shù)學(xué)建模和數(shù)值模擬等技術(shù)性較強的工作。將結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論與實踐相結(jié)合，變靜態(tài)封閉的教學(xué)為動態(tài)開放的教學(xué)，運用“多元化”教學(xué)方法

引導(dǎo)學(xué)生“主動參與、樂于探究、勤于動手”成為結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程教師面臨的巨大挑戰(zhàn)。同濟大學(xué)土木工程學(xué)院在多年的結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程教學(xué)中，做了許多有益的嘗試。本文從課堂形式、仿真試驗、現(xiàn)場實踐等方面對結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程的“多元化”教學(xué)方法做了探討。

一、豐富課堂教學(xué)形式

（一）合理安排教學(xué)內(nèi)容

結(jié)構(gòu)動力學(xué)與工程實際有著十分密切的聯(lián)系，它在結(jié)構(gòu)工程、防災(zāi)減災(zāi)工程及防護(hù)工程、地震工程、風(fēng)工程等領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用。該課程在教學(xué)內(nèi)容上重視基礎(chǔ)理論和基本概念，同時也注重理論和概念的工程應(yīng)用，以土木工程的動力問題為依托講授結(jié)構(gòu)動力學(xué)。例如，通過單自由度體系、多自由度體系和分布參數(shù)體系的系列介紹，使學(xué)生系統(tǒng)掌握結(jié)構(gòu)動力學(xué)的基本理論和分析方法；通過結(jié)構(gòu)動力問題分析中的數(shù)值分析方法、離散化分析的系列介紹，使學(xué)生初步具備分析和解決理論和實際工程問題的能力；通過介紹若干重要的前沿研究成果，使學(xué)生能及時了解到結(jié)構(gòu)動力學(xué)研究領(lǐng)域的前沿信息。同濟大學(xué)土木工程學(xué)院的結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程共計34學(xué)時，教學(xué)進(jìn)度見表1。 （二）采用多樣化教學(xué)形式

教與學(xué)是矛盾對立統(tǒng)一的雙方，教師在教學(xué)中起主導(dǎo)作用，但教學(xué)目標(biāo)的實現(xiàn)是要通過學(xué)生來完成。在課堂上采用更為合理的“研究性學(xué)習(xí)法”，可以促進(jìn)矛盾雙方的轉(zhuǎn)化，將學(xué)生的被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化為主動求教，被動接受轉(zhuǎn)為主動探索，對培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和宏觀把握問題的能力十分有益。

多媒體教學(xué)具有獨特的優(yōu)勢，好的課件可以達(dá)到事半功倍的效果。教師課件應(yīng)簡潔明了，條理清楚，重點突出，同時圖、文、聲、像并茂，以吸引學(xué)生興趣，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情。另外，還可適當(dāng)開展一些師生互動的教學(xué)活動，比如學(xué)生分小組討論、PPT匯報等。讓學(xué)生走上講臺，不僅能開闊學(xué)生的專業(yè)視野、活躍課堂氣氛，也能使學(xué)生掌握講稿課件的制作方法，鍛煉語言表達(dá)能力，為以后課題及專業(yè)匯報奠定基礎(chǔ)[2]。

（三）結(jié)合計算機仿真技術(shù)

在當(dāng)今時代，掌握計算機編程技術(shù)及專業(yè)軟件分析和評估數(shù)值模擬結(jié)果尤為重要。結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程中，學(xué)生對大型工程的動力分析往往難以理解，實驗條件的不足和較高的實驗費用，又使得學(xué)生難以通過實驗直觀地了解結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下的反應(yīng)。課堂上向?qū)W生展示計算機仿真試驗，一方面可以幫助學(xué)生更好地理解動力學(xué)概念，從宏觀上把握問題，另一方面也能為學(xué)生應(yīng)用結(jié)構(gòu)動力學(xué)有關(guān)公式和方法編寫計算機程序、設(shè)計和分析動力問題奠定基礎(chǔ)。

ANSYS是一種大型通用有限元軟件，其界面直觀，前后處理功能強大，可以對房屋建筑、橋梁、隧道以及地下建筑物等工程結(jié)構(gòu)在各種外荷載條件下的受力、變形、穩(wěn)定性及各種動力特性做出全面分析。[3]其直觀形象的圖形顯示和快捷的建模功能可以將抽象的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為形象生動的圖形，結(jié)構(gòu)的變形、位移及應(yīng)力分布結(jié)果都能通過圖像和圖表表達(dá)出來，可視化效果優(yōu)越。在課堂上向?qū)W生展示計算機仿真試驗的分析結(jié)果及響應(yīng)動畫，可使學(xué)生對結(jié)構(gòu)動力特性及動力響應(yīng)有直觀的認(rèn)識，對結(jié)構(gòu)動力學(xué)的工程應(yīng)用有切身的體會。

本文以八層框架結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析和時程分析為例進(jìn)行介紹，結(jié)構(gòu)的ANSYS有限元模型如圖1所示。在結(jié)構(gòu)動力學(xué)理論中，多自由度體系的無阻尼自由振動運動方程可寫成為：

對實際工程問題，一般難以采用手算對上述方程進(jìn)行求解，借助計算機軟件是最有效的手段。在ANSYS提供的模態(tài)分析方法中，一般情況下可使用Block Lanczos法、Subspace法、Power Dynamic法及Reduced法等。本例采取Block Lanczos法進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性分析，得到結(jié)構(gòu)自振頻率如表2所示，各階振型如圖2～4所示。

時程分析方法是一種直接動力方法，它加速度時程直接輸入到結(jié)構(gòu)中，采用逐步積分的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動力分析，可以得到各個時刻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、位移、速度和加速度等反應(yīng)。通過時程分析，得到結(jié)構(gòu)頂層加速度時程和層間位移包絡(luò)圖，分別如圖5和圖6所示。

通過在課堂教學(xué)中演示上述案例，可使學(xué)生對結(jié)構(gòu)振型的概念有較清晰的認(rèn)識，對結(jié)構(gòu)在地震作用下的時程響應(yīng)有較宏觀的把握，對應(yīng)用結(jié)構(gòu)動力學(xué)知識解決實際工程問題有直觀的認(rèn)識。

二、引入開放性的研究課題

在課堂上引入具有一定開放度的研究課題，不僅給學(xué)生提供活學(xué)活用的空間，有利于學(xué)生加深理論認(rèn)識，而且能提高學(xué)生實際提煉問題、分析問題、解決問題的能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，對其將來從事工程設(shè)計工作和理論研究工作都有很大的幫助。

在教學(xué)中，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生圍繞一個共同的任務(wù)進(jìn)行探索，通過查閱多方面資料，進(jìn)行積極主動的學(xué)習(xí)。該方法能充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，引導(dǎo)學(xué)生在完成既定任務(wù)的同時進(jìn)行自主實踐。本文以“由El centro-NS地震波原始加速度時程記錄求相應(yīng)速度及位移時程”的任務(wù)為例作綜合介紹。

教師應(yīng)提前布置任務(wù)，并給出適當(dāng)?shù)谋尘爸R和建議。如：搜集地震動記錄并進(jìn)行數(shù)據(jù)的仿真處理是結(jié)構(gòu)抗震分析工作者的基本能力。El Centro波是1940年5月18日在美國El Centro臺站記錄的加速度時程，是第一次使用強震儀記錄到的強震記錄。El Centro波的記錄位置在地表，主要強震部分持續(xù)時間為26秒左右，記錄全部波形長為54秒；原始記錄離散加速度時間間隔為0.02秒，N-S分量、E-W分量和U-D分量加速度峰值分別為341.7gal、210.1gal和206.3gal。

學(xué)生課后參閱相關(guān)文獻(xiàn)，自主完成任務(wù)。從強震數(shù)據(jù)庫中可獲得原始El Centro-NS加速度時程，如圖7所示。通過參閱文獻(xiàn)，可知目前地震動采集的數(shù)據(jù)大都是以加速度時程的形式給出，而速度和位移時程通常由加速度積分獲得。由于受到采集儀器低頻噪聲、環(huán)境背景信號、人為處理誤差及初始加速度等的影響，由積分得到的速度和位移時程常會發(fā)生基線飄移現(xiàn)象，因此加速度記錄一般要先進(jìn)行校正。目前加速度記錄基線校正大致有基線初始化、調(diào)整加速度記錄和濾波等方法。加速度時程校正完成后，即可對其進(jìn)行數(shù)值積分，得到速度和位移時程曲線。

利用SeismoSignal軟件對El Centro-NS原始地震動記錄進(jìn)行濾波處理，并進(jìn)行積分運算，求得El Centro-NS地震波速度和位移時程，分別如圖8和圖9所示?？梢姡€校正后，在地震動末尾部分，地面運動的速度時程曲線趨于零，位移時程曲線也趨于零，即速度和位移的基線飄移現(xiàn)象基本消除。

三、課堂教學(xué)與現(xiàn)場測試相結(jié)合

結(jié)構(gòu)動力學(xué)是一門綜合性和系統(tǒng)性很強的課程，在強調(diào)基本理論的同時，有必要重視實際應(yīng)用技能的培養(yǎng)，建立與課程相配套的實踐環(huán)節(jié)?，F(xiàn)場振動測試是與科研和工程密切相關(guān)的一種專業(yè)技能。在教學(xué)過程中，通過現(xiàn)場振動測試，既能鍛煉學(xué)生使用儀器的技能，又能提高學(xué)生搜集數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和撰寫報告的能力。從教學(xué)時間、上課人數(shù)、成本費用及教學(xué)效果等多方面因素綜合考慮來看，現(xiàn)場振動測試是結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程教學(xué)中切實可行的實踐方法?，F(xiàn)場振動測試應(yīng)具備功能先進(jìn)、使用方便、價格合理的測試儀器。幾種相關(guān)測試儀器見表3。

本文以一項結(jié)構(gòu)動力特性現(xiàn)場測試實例為背景作相關(guān)介紹[5]。結(jié)構(gòu)物的自振頻率、振型、阻尼比是表征結(jié)構(gòu)動力特性的基本參數(shù)，確定這些動力特性參數(shù)，是進(jìn)行地震反應(yīng)分析的一個基本條件。本振動測試中，首先獲取一幢鋼框架結(jié)構(gòu)連廊的脈沖響應(yīng)，然后對信號進(jìn)行分析處理，以估計結(jié)構(gòu)的自振頻率。本實踐活動可使學(xué)生參與現(xiàn)場振動測試，提高其振動信號采集及信號處理的能力，加深學(xué)生對真實結(jié)構(gòu)動力特性的認(rèn)識。

現(xiàn)場測試儀器為美國凱尼公司生產(chǎn)的Basalt 型數(shù)字記錄器。該儀器適用范圍廣，可以用于自由場、強震臺網(wǎng)、公路鐵路、水庫電站等多通道監(jiān)測。測試對象為同濟大學(xué)某幢教學(xué)樓的鋼結(jié)構(gòu)連廊。連廊實物如圖10所示。

在實踐教學(xué)中，學(xué)生首先在教師的指導(dǎo)下制定測試方案，然后在預(yù)定的測點放置強震儀進(jìn)行信號采集。本次測試設(shè)置儀器的采樣頻率為200Hz，采樣時間為100s。由學(xué)生查閱文獻(xiàn)書籍自主完成對測試信號的數(shù)據(jù)處理。本測試考慮到儀器在測試過程中會受到電壓及環(huán)境溫度的影響而產(chǎn)生“趨勢項”（即信號幅值不在零線附近波動），故通過三次多項式擬合的方式對原始信號做了處理，以去除趨勢項。原始信號與處理后的信號如圖11和圖12所示。測試過程中常會受到人員走動等環(huán)境干擾，故在分析過程中對信號做了濾波處理。對去噪處理后的信號進(jìn)行傅里葉變換得到傅里葉幅值譜，如圖13所示。通過傅里葉幅值譜，可以初步判定結(jié)構(gòu)的前三階頻率分別為6.75Hz、10Hz、13Hz。

通過該實踐教學(xué)，學(xué)生對振動測試儀器的使用有了一定掌握，對濾波、FFT變換等信號處理方法有了初步的了解，對結(jié)構(gòu)動力特性和頻域分析方法有了更全面的認(rèn)識。

四、結(jié)語

本文探討了結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程打破傳統(tǒng)模式、開展多元化教學(xué)的方法。結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程課堂教學(xué)仍是主體部分，教師應(yīng)合理安排課程內(nèi)容及進(jìn)度，結(jié)合多媒體課件、PPT匯報、計算機仿真實驗等方法，引導(dǎo)

學(xué)生深入理解和掌握理論知識，改善課堂教學(xué)效果。同時，在課程教學(xué)中應(yīng)引入開放性課題，培養(yǎng)學(xué)生獨立思考和解決問題的能力，引導(dǎo)學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變?yōu)橹鲃忧蠼?。另外，在課程實踐中應(yīng)制定切實可行的實施方案。本文探索了一種將課堂理論教學(xué)與現(xiàn)場測試相結(jié)合的實踐方式，并對具體環(huán)節(jié)做了介紹。即以三維框架結(jié)構(gòu)的ANSYS數(shù)值試驗、地震動加速度時程的獲取與處理、結(jié)構(gòu)動力特性的現(xiàn)場測試為例，從課堂教學(xué)、研究性學(xué)習(xí)、課外實踐等方面探討了結(jié)構(gòu)動力學(xué)課程的多元化教學(xué)方法。參考文獻(xiàn)：

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Abstract：

We discussed a diversified teaching method in structural dynamics course. By introducing the ANSYS numerical experiment applied on a threedimensional frame structure， the process method of ground motion acceleration records and the field test of obtaining structures dynamic characteristics， we presented a method of improving the classroom effect and practice activities. The research shows that the diversified teaching method， in which a series of classroom teaching methods are used and a field test is practiced， can effectively motivate students， help them understand the corresponding theory concepts， and improve their innovation ability simultaneously.

Keywords： structural dynamics； teaching methods； diversity； theory and practice； teaching research

（編輯王宣）