王建

摘要：

針對(duì)土木工程專業(yè)建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程教學(xué)現(xiàn)狀和課程特點(diǎn)，結(jié)合教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，探索采用加強(qiáng)課程間聯(lián)系、震害系統(tǒng)性分析、比較各國(guó)抗震設(shè)計(jì)方法和增強(qiáng)實(shí)踐環(huán)節(jié)等措施，推進(jìn)以基本概念為主導(dǎo)的教學(xué)方法，增強(qiáng)學(xué)生課程知識(shí)的系統(tǒng)性，加深學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解程度，提升建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程的教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)；教學(xué)方法；課程聯(lián)系；震害分析

中圖分類號(hào)：TU3521；G6420文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

10052909（2018）02008004

中國(guó)屬于地震多發(fā)國(guó)家，減輕地震災(zāi)害、保護(hù)人民生命安全，對(duì)保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活有著重要的作用，其中建筑結(jié)構(gòu)抗震減震是減輕地震災(zāi)害的有效技術(shù)手段。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是土木工程學(xué)科的專業(yè)課之一，是一門建立在震害調(diào)查基礎(chǔ)上的理論性與實(shí)踐性很強(qiáng)的課程[1]，該課程對(duì)培養(yǎng)抗震意識(shí)、理解抗震理念、掌握抗震設(shè)計(jì)的專門人才有重要作用，目前很多學(xué)校的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)都是必修課程。

地震具有很強(qiáng)的不確定性、結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的非線性以及地震作用屬于動(dòng)力荷載的特點(diǎn)，因此相對(duì)其他土木工程專業(yè)課程，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程理論不夠系統(tǒng)、成熟，課程實(shí)際教學(xué)效果中學(xué)生對(duì)抗震設(shè)計(jì)流程不熟練、抗震設(shè)計(jì)理念掌握得不扎實(shí)，不能靈活運(yùn)用抗震知識(shí)。在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程改革方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)提出在教學(xué)改革中要堅(jiān)持理論與實(shí)際相結(jié)合，堅(jiān)持教學(xué)、科研一體化，強(qiáng)化師資隊(duì)伍建設(shè)，注重互動(dòng)、啟發(fā)的教學(xué)方法，建立長(zhǎng)效考核機(jī)制的建議[2]。同濟(jì)大學(xué)提出形成以反應(yīng)譜理論、概念設(shè)計(jì)為主線的教學(xué)理念，并突出結(jié)構(gòu)變形能力的重要性，討論了地震震害特點(diǎn)、抗震設(shè)防原則、地震作用計(jì)算和概念設(shè)計(jì)及構(gòu)造措施等四個(gè)方面的教學(xué)要點(diǎn)[3]。湖南大學(xué)提出土木工程專業(yè)應(yīng)按照“大土木”的思想，將建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程拓展為結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程，在教材建設(shè)、課程教學(xué)等方面做出調(diào)整和改革建議[4]。武漢大學(xué)提出合

理安排教學(xué)內(nèi)容、重視理論推導(dǎo)、教學(xué)與規(guī)范相結(jié)合以及重視實(shí)踐教學(xué)的教學(xué)建議[5]。由此可見，突出“教、學(xué)、研”一體化，教學(xué)和科研緊密結(jié)合，課程教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合是建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程教學(xué)的共同認(rèn)識(shí)，同時(shí)應(yīng)充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，以達(dá)到培養(yǎng)建筑抗震綜合素質(zhì)型人才的教育目的[6]。

筆者在承擔(dān)該課程的教學(xué)過程中，根據(jù)本專業(yè)學(xué)生思維特點(diǎn)和學(xué)習(xí)情況，總結(jié)了該課程的教學(xué)過程應(yīng)主要強(qiáng)調(diào)基本概念、基本理論以及知識(shí)體系的寬度，尤其要重視與相關(guān)課程知識(shí)體系間的銜接，使學(xué)生系統(tǒng)性地掌握抗震知識(shí)。

一、建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程現(xiàn)狀

在土木工程專業(yè)四年制本科教學(xué)中，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程通常安排在第六學(xué)期或第七學(xué)期開展，一般為32學(xué)時(shí)。該課程不僅要求學(xué)生有較好的數(shù)學(xué)（微分方程、概率論）、力學(xué)（材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)）以及動(dòng)力學(xué)（單自由度、多自由度結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析）基礎(chǔ)，而且要求學(xué)生熟知建筑材料（砌體、混凝土、鋼材）、地基基礎(chǔ)、砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)以及鋼結(jié)構(gòu)等專業(yè)課程知識(shí)。如何綜合運(yùn)用這些知識(shí)，理解掌握抗震設(shè)計(jì)理論和方法是課程學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程的教材通常包含了大量中國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[7]的條文、公式以及表格，條文涉及了許多調(diào)整系數(shù)和抗震構(gòu)造措施，內(nèi)容相對(duì)乏味且規(guī)律性不強(qiáng)。另外，由于建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程與其他課程存在聯(lián)系，檢驗(yàn)教學(xué)效果需要涉及很多其他課程的知識(shí)，過多的知識(shí)重復(fù)容易降低學(xué)生課堂注意力，且學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)掌握程度的差異影響課程教學(xué)效果。

總的來說，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程具有以下特點(diǎn)：理論難度較大、知識(shí)面廣、綜合性強(qiáng)、實(shí)踐教學(xué)少。

二、建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)教學(xué)方法探索

（一）加強(qiáng)課程間聯(lián)系，拓展知識(shí)和能力的深度和寬度

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是土木工程專業(yè)本科生階段以結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)作為主要理論基礎(chǔ)的專業(yè)課，其前繼專業(yè)基礎(chǔ)課程有理論力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和鋼結(jié)構(gòu)基本原理及設(shè)計(jì)等，它們主要以結(jié)構(gòu)的靜力分析和設(shè)計(jì)為主，與結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析有很大差別，而且在工程抗震設(shè)計(jì)實(shí)踐中仍主要采用等效靜力的設(shè)計(jì)方法。因此強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)課程與前繼專業(yè)基礎(chǔ)課程之間的聯(lián)系和區(qū)別尤為重要。

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的首要任務(wù)是確定地震作用，它與混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)流程完全相同，相當(dāng)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最不利荷載。反應(yīng)譜理論是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的核心概念，其目的就是確定結(jié)構(gòu)的地震作用，同時(shí)反應(yīng)譜理論又是結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析和等效靜力分析的聯(lián)系紐帶（如圖1所示），是與其他課程的重要區(qū)別。因此，授課老師不僅要講清楚反應(yīng)譜理論的基本概念，更要清晰闡述如何通過反應(yīng)譜理論從結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析轉(zhuǎn)換為等效靜力分析。

單條地震動(dòng)時(shí)程記錄的反應(yīng)譜曲線是通過單自由度結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程分析直接得到，規(guī)范中的設(shè)計(jì)譜是通過統(tǒng)計(jì)大量地震動(dòng)時(shí)程記錄的加速度反應(yīng)譜曲線，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行平滑處理得到。因此通過規(guī)范中的設(shè)計(jì)譜可以近似得到單自由度結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)最大恢復(fù)力，將該力作為側(cè)向荷載作用到單自由度結(jié)構(gòu)的質(zhì)點(diǎn)處進(jìn)行設(shè)計(jì)，即完成了結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析轉(zhuǎn)換為等效靜力分析的過程。

規(guī)范中的設(shè)計(jì)譜本質(zhì)上是用來預(yù)估結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)可能遭受的地震作用，在前繼課程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理和鋼結(jié)構(gòu)基本原理及設(shè)計(jì)中，荷載匯集同樣是為了確定結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的最不利荷載，其區(qū)別為恒荷載和活荷載是靜力荷載，地震作用是動(dòng)力荷載。因此，荷載匯集可以作為這些課程間的橋梁和紐帶，以荷載匯集為課程間知識(shí)聯(lián)系點(diǎn)講授反應(yīng)譜理論，一定程度上可拓展學(xué)生知識(shí)和能力的深度和寬度，加強(qiáng)課程間在培養(yǎng)學(xué)生知識(shí)、能力和素質(zhì)等方面的內(nèi)在聯(lián)系，將各門課程粘合成一個(gè)聯(lián)系緊密的整體。

（二）重視震害系統(tǒng)性分析，點(diǎn)面結(jié)合形成知識(shí)體系

地震給人類帶來災(zāi)難的同時(shí)也給人類呈現(xiàn)出寶貴的抗震資料，抗震設(shè)計(jì)理論是在大量實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)的基礎(chǔ)上發(fā)展的，幾乎每經(jīng)歷一次大地震，都將呈現(xiàn)出未曾顯現(xiàn)或重視的震害現(xiàn)象，抗震設(shè)計(jì)理論就會(huì)隨之得到發(fā)展。由于地震的隨機(jī)性和結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的滯回非線性，抗震設(shè)計(jì)理論經(jīng)過一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，仍未形成系統(tǒng)成熟的理論。結(jié)構(gòu)的震害，尤其是砌體結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的震害還不能準(zhǔn)確解釋。因此，歷史上成熟的震害經(jīng)驗(yàn)就顯得尤為寶貴，了解抗震設(shè)計(jì)理論的發(fā)展史將有助于加深學(xué)生對(duì)抗震理論的認(rèn)識(shí)，拓展學(xué)生知識(shí)面。

例如，2008年汶川8.0級(jí)特大地震和2010年玉樹71級(jí)地震中，中小學(xué)校舍建筑破壞較為嚴(yán)重，并導(dǎo)致許多中小學(xué)生傷亡。根據(jù)2010年玉樹地震震害調(diào)查資料，中小學(xué)校舍建筑是所有調(diào)查建筑物中破壞最嚴(yán)重的建筑類型，嚴(yán)重破壞和倒塌的占76%，其中倒塌占21%。汶川地震中鋼筋混凝土框架校舍建筑的震害現(xiàn)象為：框架柱震害明顯比框架梁嚴(yán)重，不符合一般框架結(jié)構(gòu)“強(qiáng)柱弱梁”原則，而且結(jié)構(gòu)底層柱頂破壞比柱腳嚴(yán)重。通過震害照片、數(shù)值模擬分析結(jié)果系統(tǒng)闡述這一震害，指出震害的原因和解決方案：必須提高校舍建筑的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，深化落實(shí)“強(qiáng)柱弱梁”的抗震措施，對(duì)學(xué)生產(chǎn)生知識(shí)點(diǎn)“爆炸沖擊”，讓學(xué)生從震害分析中獲取抗震知識(shí)，牢固掌握結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)理念。

（三）比較各國(guó)抗震設(shè)計(jì)方法，強(qiáng)化抗震設(shè)計(jì)思想

中國(guó)抗震規(guī)范采用兩階段設(shè)計(jì)方法來實(shí)現(xiàn)“小震不壞，中震可修，大震不倒”的三個(gè)水準(zhǔn)基本設(shè)防目標(biāo)，大部分結(jié)構(gòu)只需要進(jìn)行第一階段設(shè)計(jì)，即采用小震的地震作用進(jìn)行截面承載力驗(yàn)算和彈性層間位移驗(yàn)算；通過抗震措施來實(shí)現(xiàn)第二和第三水準(zhǔn)的性能要求。日本建筑基準(zhǔn)法規(guī)定了兩個(gè)水準(zhǔn)的抗震設(shè)計(jì)，第一水準(zhǔn)相當(dāng)于中國(guó)的中震水平，按照容許應(yīng)力驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈性強(qiáng)度；第二水準(zhǔn)相當(dāng)于中國(guó)的大震水平，進(jìn)行結(jié)構(gòu)層間變形、極限層剪力、剛度率和偏心率驗(yàn)算。美國(guó)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范按照設(shè)計(jì)地震（相當(dāng)于中國(guó)的中震水平）進(jìn)行結(jié)構(gòu)的抗震承載力驗(yàn)算和變形驗(yàn)算，通過選擇結(jié)構(gòu)的不同延性等級(jí)來滿足相應(yīng)設(shè)防水準(zhǔn)的要求，采用結(jié)構(gòu)反應(yīng)調(diào)整系數(shù)R來折減彈性地震作用，從而考慮結(jié)構(gòu)的彈塑性變形能力對(duì)彈性反應(yīng)譜進(jìn)行折減。

通過橫向?qū)Ρ戎?、日、美抗震設(shè)計(jì)方法的異同，突出抗震設(shè)計(jì)的核心理念和中國(guó)抗震設(shè)計(jì)方法的特點(diǎn)。中國(guó)第二水準(zhǔn)和第三水準(zhǔn)抗震目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)屬于定性設(shè)計(jì)，雖然簡(jiǎn)化了計(jì)算過程，表面上降低了運(yùn)用設(shè)計(jì)方法的難度，但要求更深入地理解和掌握，務(wù)必強(qiáng)調(diào)第二水準(zhǔn)和第三水準(zhǔn)是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的重中之重，是保護(hù)結(jié)構(gòu)抗震安全性的關(guān)鍵手段。通過對(duì)比各國(guó)抗震設(shè)計(jì)方法可以有助于學(xué)生理解、掌握抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，更好地理解、運(yùn)用中國(guó)的抗震設(shè)計(jì)方法。建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)巧妙地順應(yīng)自然、適應(yīng)自然，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)體系、關(guān)鍵構(gòu)件的塑性變形和耗能能力，才是降低地震災(zāi)害損失最有效的手段。

（四）加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)，全方位體驗(yàn)抗震知識(shí)

學(xué)生對(duì)地震的認(rèn)識(shí)主要通過教材和教學(xué)PPT，渠道相對(duì)單一，教學(xué)手段應(yīng)充分利用網(wǎng)絡(luò)資源和實(shí)驗(yàn)室資源。首先，讓學(xué)生觀看地震視頻形成視覺沖擊，如觀看美國(guó)國(guó)家地理頻道出品的《終極災(zāi)難·地震》片段，宏觀感受地震對(duì)地球、大地、結(jié)構(gòu)、室內(nèi)物品的影響；觀看日本E-Defense振動(dòng)臺(tái)的足尺結(jié)構(gòu)試驗(yàn)錄像，細(xì)致觀察結(jié)構(gòu)在地震作用下的振動(dòng)、變形以及破壞情況。然后，利用實(shí)驗(yàn)室中模擬地震振動(dòng)臺(tái)真實(shí)再現(xiàn)地震過程，讓學(xué)生如身臨其境般感受地震，以及讓學(xué)生觀看結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的靜力推覆試驗(yàn)，了解結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)的基本情況。通過上述途徑讓學(xué)生全面了解地震、認(rèn)識(shí)結(jié)構(gòu)在地震下破壞情況，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)于抗震知識(shí)的興趣和好奇心，以便帶著問題在課堂上學(xué)習(xí)抗震知識(shí)。

三、結(jié)語

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)目前上沒有統(tǒng)一的課程體系和教學(xué)大綱，但結(jié)構(gòu)抗震問題受到越來越多的關(guān)注，該課程對(duì)培養(yǎng)合格的土木工程專業(yè)人才顯得尤為重要。文章總結(jié)了幾點(diǎn)教學(xué)方法和經(jīng)驗(yàn)，在今后的教學(xué)實(shí)踐中仍將繼續(xù)探索完善，總體來說該課程應(yīng)重視與其他課程的聯(lián)系，強(qiáng)調(diào)震害經(jīng)驗(yàn)及其與各知識(shí)點(diǎn)的聯(lián)系，了解各國(guó)抗震設(shè)計(jì)方法并能靈活運(yùn)用。因此，該課程應(yīng)繼續(xù)倡導(dǎo)“以基本概念為主”的教學(xué)理念，以反應(yīng)譜理論和構(gòu)件延性為主線，通過震害分析的點(diǎn)面結(jié)合開展課堂教學(xué)，多啟發(fā)學(xué)生思考，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)好奇心，增強(qiáng)學(xué)習(xí)積極性，達(dá)到提高教學(xué)質(zhì)量的目的。參考文獻(xiàn)：

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Abstract：

Based on the characteristics of the seismic design of building course and teaching experience， several methods are proposed for the colleagues， such as enhancing the integrity of courses， analyzing seismic damage，comparing seismic design methods， and increasing practice. All of trails are aiming to further enhance the teaching of fundamental concepts， develop the systematicness and understanding of seismic knowledge， and improve teaching effectiveness.

Keywords： seismic design of building； teaching method； course integrity； analyzing seismic damage

（編輯胡玥）