史勇 王利輝

[摘 要] 在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程教學中，多質(zhì)點結(jié)構(gòu)體系的抗震概念設(shè)計與計算設(shè)計是教學與學習的重點，學生對于多質(zhì)點結(jié)構(gòu)體系的剛性、延性、自振頻率、阻尼比、振型缺乏直觀的認識，進而影響了對多質(zhì)點結(jié)構(gòu)體系抗震設(shè)計知識的掌握?？拐鹪O(shè)計實驗教學是揭示多質(zhì)點結(jié)構(gòu)體系振動規(guī)律，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計基本原理的有效手段。通過抗震設(shè)計實驗課程改革，對實驗方式、實驗內(nèi)容、實驗平臺、實驗模型進行了重新設(shè)計，新的實驗課程提高了學生的學習興趣，對學生掌握多質(zhì)點結(jié)構(gòu)體系振動規(guī)律與抗震設(shè)計原理發(fā)揮了重要作用。

[關(guān)鍵詞] 結(jié)構(gòu)抗震;實驗;改革

[基金項目] 2015年度內(nèi)蒙古工業(yè)大學教學改革項目“建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程實踐教學內(nèi)容研究與改革”（2015222）

[作者簡介] 史 勇（1972—），男，內(nèi)蒙古烏蘭察布人，博士，內(nèi)蒙古工業(yè)大學土木工程學院講師，實驗中心主任，主要從事土木工程材料研究;王利輝（1981—），男（蒙古族），內(nèi)蒙古烏蘭察布人，碩士，內(nèi)蒙古工業(yè)大學土木工程學院講師，實驗員（通信作者），主要從事工程結(jié)構(gòu)測試技術(shù)研究。

[中圖分類號] G642.0 ? [文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）26-0056-04 ? [收稿日期] 2021-01-20

一、研究綜述

我國地處世界兩大地震帶——環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶的交匯處，地震活動特別是強震發(fā)生十分頻繁。據(jù)統(tǒng)計，20世紀以來全球死亡人數(shù)超過2萬的地震共有21次，在我國境內(nèi)就發(fā)生了6次[1]，頻繁的地震活動給我國人民的生命財產(chǎn)帶來了巨大的損失。因此，土木工程專業(yè)規(guī)范將建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計（以下簡稱“抗震”）課程列為高校土木工程專業(yè)建筑結(jié)構(gòu)方向的一門必修課?！翱拐稹闭n程在土木工程專業(yè)課程體系中占有重要地位，通過“抗震”課程的學習，要求學生掌握建筑結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計的基本概念，掌握建筑結(jié)構(gòu)的地震反應分析原理和抗震驗算方法，了解隔震與耗能減震房屋的設(shè)計方法[2]。“抗震”課程的學習以結(jié)構(gòu)力學、材料力學、建筑材料、土力學與地基基礎(chǔ)、砌體結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)原理、鋼結(jié)構(gòu)、高層建筑設(shè)計等專業(yè)課程為先導課程，具有很強的綜合性;抗震計算需要掌握高等數(shù)學偏微分方程求解知識，理論性較強。由于上述課程的特點，教師普遍反映課程難講授，學生普遍反映課程難理解。特別是隨著近年來高校教學改革，包括“抗震”在內(nèi)的專業(yè)課程課時被明顯壓縮，使得該課程的講授和學習難度進一步加大[3]。根據(jù)我們多年來的教學經(jīng)驗總結(jié)，該課程的教與學難點主要集中在三個方面。

1.抗震概念設(shè)計中的剛性、柔性與延性問題。工程界對于結(jié)構(gòu)剛性和柔性的問題，一般認為剛性方案比柔性方案好。但結(jié)構(gòu)抗側(cè)移剛度過大，地震周期變短，地震作用就增大，進而要求結(jié)構(gòu)具有與較大自振反應相對應的較高水平抗力，往往是以提高工程造價及降低結(jié)構(gòu)延性指標為代價。因此，抗震概念設(shè)計要求剛性、柔性與延性合理匹配，而這需要非常豐富的工程經(jīng)驗做支撐，學生顯然不具備這樣的經(jīng)驗與知識的積累，因此，對這一問題往往感到困惑，影響了學習效果。

2.抗震計算設(shè)計中的多質(zhì)點體系的自振頻率與振型問題。由于地震反應的計算主要講解振型分解反應譜法和底部剪力法兩種方法，其中底部剪力法的學習以振型分解反應譜法為前提，可理解為振型分解法的簡化算法。多自由度體系按照振型分解反應譜法求解結(jié)構(gòu)的地震反應時，需要計算結(jié)構(gòu)的各階自振頻率和振型，而學生普遍對多質(zhì)點體系的自振頻率與振型缺少感性認識，因而影響了對振型分解反應譜法的理解和掌握。

3.建筑構(gòu)造措施中關(guān)于剛度變化、減震耗能問題。學生對于局部剛度變化對結(jié)構(gòu)抗震性能影響以及減震耗能裝置的作用僅限于概念認識，對其作用缺乏直觀認識，更談不上進行合理的抗震設(shè)計。而這些問題是建筑抗震設(shè)計中經(jīng)常遇到并需要解決的工程問題。

綜上所述，為解決上述問題，在“抗震”課程的教學環(huán)節(jié)中迫切需要一個提升學生對上述三個方面問題感性認識的教學手段。研究表明，實驗教學是提高“抗震”課程中學生感性認識、輔助理論教學的理想方法[4，5]，楊予等研究了以結(jié)構(gòu)模型為載體，以地震影響系數(shù)與質(zhì)量函數(shù)關(guān)系為實驗目標的抗震實驗改革對“抗震”課程教學效果的影響。實驗內(nèi)容包括了模型制作、力學分析、模型實驗、總結(jié)分析環(huán)節(jié)。研究表明，改革后的教學模式提高了學生學習與探索知識的興趣，取得了有更好的教學效果[6]。夏冰華等的抗震實驗教學改革研究結(jié)合全國大學生結(jié)構(gòu)設(shè)計競賽中的抗震題目，依托小型精密振動臺等設(shè)備設(shè)置了開放性和創(chuàng)新性的抗震實驗項目，研究表明，通過抗震實驗教學加深了學生對理論知識的理解、提高了學生探究抗震知識的興趣[7]。周小龍等則將虛擬實驗引入課堂教學中，通過虛擬仿真方式演示特定結(jié)構(gòu)在地震波作用下的響應，結(jié)合具體工程案例講解抗震原理，取得了良好的教學效果[8]。

二、當前“抗震”課程實驗教學中存在的問題與改革思路

上述研究對“抗震”課程的實踐教學內(nèi)容與方法進行了廣泛探索，取得了一些有益的經(jīng)驗與成果，但是由于各高校的實驗條件與學生學習情況差別較大，同時受到課時、實驗條件等限制，需要結(jié)合自身條件探索適合本校特點的“抗震”課程實踐教學模式。具體以我?！翱拐稹闭n程實踐教學活動來說，主要存在以下兩方面問題：（1）實驗課時少。新修訂的培養(yǎng)方案調(diào)整中將“抗震”課程總學時從40學時壓縮到32學時。其中課內(nèi)實驗壓縮到2課時，在如此少的課時內(nèi)難以完成從結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學分析到模型制作、加載測試、分析總結(jié)這樣一個完整的實驗流程。（2）實驗條件有限。受經(jīng)費限制，缺少小型精密振動臺等用于抗震實驗教學的設(shè)備，實驗經(jīng)費也不足以支持購買多臺市場上主流的小型精密振動臺，而為了保證學生分組開展實驗的要求，需要準備不低于5臺套實驗設(shè)備。針對上述問題，我們本著以學生為中心的工程教育認證理念，緊緊抓住課程核心知識點與學生學習中的難點問題、適當簡化實驗流程的改革思路，對“抗震”課程實驗進行了全面的革新。