工程結構抗震課程實驗教學內容探討

魯亮　蘇磊　葛雪　許沛東　曹文清

摘要：工程結構抗震類課程是土木工程專業(yè)本科生的綜合性課程，教學對象為土木工程專業(yè)本科高年級學生，課程理論知識點較多，涉及結構抗震技術最新發(fā)展。受學時和教學經費限制，實驗教學一般限于梁、柱構件在拉、壓、彎、扭等荷載作用下的力學性能試驗，很少進行如結構動力特性測試、構件耗能能力測試、結構地震響應等結構動力荷載試驗。介紹了工程結構抗震類課程實驗教學現狀，分析了現有配套的實驗教學內容存在的不足，提出了開設結構抗震性能相關實驗課程、建筑和橋梁減隔震裝置力學性能實驗課程的建議，并從編寫教學大綱、實驗指導書、教學講義，編制實驗報告模版，以及教學實踐等方面進行了課程建設。通過三年的教學實踐，結合最新工程實踐和課堂教學的實驗教學內容改革取得了良好的教學效果，學生充分了解了各類減隔震裝置、最新結構設計理念和新型結構體系，得到了規(guī)范化的試驗操作技能訓練，對學生就業(yè)后快速理解工程建設程序和標準，或繼續(xù)深造打下了良好的基礎。

關鍵詞：本科教育；工程結構抗震課程；抗震實驗；實驗教學改革

中圖分類號：G642.0；TU317?文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2023）01-0198-06

工程結構抗震類課程教學對象為土木工程專業(yè)本科高年級學生，課程內容理論性較強，綜合了較多的基礎專業(yè)知識。以同濟大學為例，開設的工程結構抗震類課程有建筑結構抗震、工程結構抗震、建筑隔震與減震等［1-2］，在課堂教學中，教師通常會介紹工程抗震領域的最新研究成果，這類課對學生今后工作或進入研究生階段的學習將會起到非常重要的作用。目前工程結構抗震類課程缺乏實驗教學配套，雖然有些實驗室開設了部分抗震類實驗項目［3-4］，但是尚不能構成完整的實驗教學課程體系。

土木工程專業(yè)實驗教學教材［5-6］對各種基本實驗方法均有所介紹，但是受限于學時和教學經費，在整個本科教學環(huán)節(jié)中，學生參與的實驗項目數量少、內容簡單，一般限于梁、柱構件在拉、壓、彎、扭等荷載作用下的力學性能試驗，很少進行結構的動力荷載試驗，如結構動力特性測試、構件耗能能力測試、結構地震響應等試驗。

近年來，結構設計理念和新型結構體系得到了很大發(fā)展，有些方法和技術的工程應用已比較成熟，如基于性能的抗震設計方法、減隔震結構和震后可恢復功能的韌性結構體系等［7］。新型振動可控制的建筑和橋梁結構大量使用減隔震裝置，如橡膠支座、阻尼器等，這些新型結構與傳統(tǒng)結構的抗震理念有本質區(qū)別，需要學生在本科階段有充分的了解和認識。

土木工程專業(yè)本科畢業(yè)后分流至設計、施工等單位或進入研究生學習階段，進入土建工程相關單位的學生必定會接觸工程質量控制問題，工程質量控制與材料性能測試和產品質量檢測密切相關，需要滿足CMA（China Inspection Body and Laboratory Mandatory Approval，中國檢測機構和實驗室強制認證）、CNAS（China National Accreditation Service for Conformity Assessment，中國合格評定國家認可委員會）等質控要求，而現階段各高校本科生缺乏這方面的訓練。在研究生學習階段，相當比例論文課題需要進行試驗研究，這就需要學生在本科階段培養(yǎng)好試驗技能，為將來的深造打好基礎。

根據工程結構抗震類課程的教學內容，結合教學計劃、實驗成本和教學效果，分析結構實驗教學現狀，建議開設結構抗震性能相關實驗課程、建筑和橋梁減隔震裝置力學性能實驗課程。

一、結構實驗教學現狀

（一）動力荷載實驗項目數量不足

土木工程類專業(yè)本科階段配合課堂教學設置了相應的實驗教學內容，如配合材料力學、結構力學、混凝土結構基本原理、鋼結構基本原理等課程，設置了等強度梁實驗、鋼桁架靜載試驗項目，以及混凝土結構基本原理實驗、鋼結構基本原理實驗和結構防災實驗等實驗課程，有的高校在本科階段還專門開設了建筑結構試驗或工程結構試驗等實驗課程。

根據加載方式或荷載性質，試驗方法分為單調靜載試驗、低周反復加載試驗、擬動力試驗、振動臺試驗和結構動力特性測試等［5］，給本科生演示或操作的實驗項目多數為單調靜載試驗，地震作用為動力荷載，試驗加載方法應為低周反復加載試驗、擬動力試驗、振動臺試驗、結構動力特性測試等，現有的實驗教學內容與工程結構抗震類課程脫節(jié)，急需補充［8］。

（二）缺乏整體結構抗震性能實驗項目

結構實驗對象包括構件、節(jié)點、多節(jié)點組合和整體結構等，但是工程結構抗震研究的最終對象還是整體結構。目前本科階段的實驗對象多為構件，如梁、柱、板、墻等構件在拉、壓、彎、扭等荷載作用下的力學性能試驗，限于實驗條件，多數實驗室僅開展了梁的抗彎、抗剪、抗扭，以及柱的豎向承壓、鋼構件穩(wěn)定性等實驗項目，為配合混凝土結構基本原理實驗、鋼結構基本原理實驗課堂教學，某實驗室所開設的構件類實驗項目［9］如表1所示。由此可以看出，以構件為對象的靜載或穩(wěn)定性能實驗項目比較完備，但是本科階段很少開展與抗震性能相關的柱、墻等抗側力承載性能試驗。

整體結構抗震試驗的內容主要包括結構動力特性測試和地震作用下結構動力響應，其中地震作用下結構動力響應試驗的加載設備一般為模擬地震振動臺，由于試件制作、試驗實施成本較高，故沒有為本科生開設。

（三）實驗教學內容與工程實踐及科研試驗脫節(jié)

材料力學、結構力學、混凝土結構基本原理等課程屬于經典課程，教學內容長期不變，而隨著抗震設計理念、技術的發(fā)展，以及各種新型控制類結構體系的出現，成熟的設計方法會被引入工程結構抗震類課程教材，即使教材中沒有，部分教師也會在課堂中予以介紹。抗震新技術將會引起學生的極大學習興趣，但是教學中予以深入探討、現場觀摩或實物展示的機會不多，增加一些反映學科前沿領域研究成果的實驗項目，可以使學生及時了解本門學科的最新動態(tài)和發(fā)展方向。

目前，各大高校都在開展卓越工程師培養(yǎng)，大學生走上工作崗位后能否快速進入角色，很大程度上取決本科學習階段的培訓?，F在較多的建筑工程和橋梁工程采用減隔震裝置來控制結構在地震作用和風荷載下的振動響應，比如超高層結構抗風用的TMD和阻尼器裝置、橋梁的減隔震橡膠支座、隔震建筑的隔震橡膠支座和阻尼器的聯合應用等。結構振動控制分為主動控制、被動控制和混合控制等，其中被動控制技術已比較成熟，各種類型阻尼器和橡膠支座已在工程中成熟應用，比如黏滯阻尼器、黏彈性阻尼器、金屬屈曲阻尼器、防屈曲約束支撐等，并形成了一系列的設計規(guī)范、產品標準和應用技術規(guī)程［10-11］。這些新技術和新產品需要通過實物實驗的方式灌輸給本科生。此外，在土建過程中，需要進行大量的材料和產品性能檢測，包括現場測試和實驗室試驗，這些檢測工作要符合國際通行規(guī)則及國家規(guī)范要求，甚至美國、歐盟等一些標準要求，比如CMA、CNAS測試要求等。對于這些規(guī)范性的管理要求，需要對本科生進行這方面的基礎訓練。

本科畢業(yè)后，部分學生會進入研究生階段的學習，碩士論文和博士論文的課題研究需要進行試驗，試驗課題來自于科研課題或實際工程，研究過程具有一定的難度，很多學生缺乏基本的試驗技能和動手能力。能在本科階段通過實驗教學為學生提供鍛煉機會，這將對研究生階段的學習大有幫助。

（四）實體實驗與虛擬仿真實驗的教學配合尚不緊密

近年來，國家提出建設虛擬仿真實驗教學工程，根據《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》（教高廳〔2017〕4號），到2020年全國認定1 000余項示范性虛擬仿真實驗教學項目，目的是將實驗教學信息化作為高等教育系統(tǒng)性變革的內生變量，以高質量實驗教學助推教學質量，助力高等教育強國建設［12］。借助計算機信息技術等發(fā)展虛擬仿真實驗無疑是土木工程實驗教學改革的重要內容。

實物實驗教學和虛擬仿真實驗教學各自的優(yōu)缺點很明顯，但通過教學規(guī)劃，兩者之間可以密切配合，實現優(yōu)勢互補，達到最佳的教學效果。虛擬仿真實驗在安全性、經濟性、時間性、復雜性等方面比實物實驗有很大優(yōu)勢，但是實物實驗具有的真實體驗感是虛擬仿真實驗無法具備的，同時實物實驗可發(fā)揮團隊協作精神，在實驗結果與理論分析結果有較大誤差或實驗失敗時能增強學生的思辨分析能力。

大力發(fā)展虛擬仿真實驗的同時，堅持“能實不虛、虛實互補和虛實結合”的原則，對實驗項目統(tǒng)籌規(guī)劃，合理安排虛擬仿真實驗和實物實驗的具體項目，進行實驗虛擬化需求論證和與實體實驗之間的關系論證［13］。

二、新增抗震類實驗教學內容建議

增加土木工程抗震類課程的實驗教學內容非常必要，但是新增實驗教學內容需要進行頂層設計：（1）整體教學計劃安排，包括學時、教學大綱等；（2）理論教學章節(jié)與實驗項目的銜接；（3）實驗室資源配套，包括實驗設備、實驗技術人員、教學經費等。根據作者實驗教學經驗，建議按照先試點后落實、先簡單后復雜的原則循序漸進地完善實驗教學內容，優(yōu)化試驗過程。建議開設結構抗震性能相關實驗、建筑和橋梁減隔震裝置力學性能實驗兩大類與工程結構抗震類課程相關的實驗教學課程，并分別設置實驗子項目。

（一）結構抗震性能相關實驗

與結構抗震性能相關的實驗一般包括構件的力學性能試驗、結構地震響應實驗和結構動力特性測試等內容。這里所述的構件，指的是在地震作用下的抗側力構件，構件受到的荷載為有豎向軸壓的水平反復荷載，常規(guī)試件為框架柱和抗震墻。結構動力特性測試方法一般采用：（1）原型結構采用地脈動法；（2）振動臺模型采用白噪聲激勵法；（3）簡單演示模型可采用“張拉突卸法”，即初位移法。

多數高校土木院系還沒有裝備大型模擬地震振動臺，大型振動臺實驗成本高、準備時間長，不適合本科生教學，可采用小型教學用振動臺進行實驗，試件可采用重復使用的鋼結構。如果配置小型減隔震裝置，還可以采用振動臺進行結構振動控制實驗。一般小型教學用振動臺實驗如圖1。

考慮實驗成本、課時安排等因素，建議結構抗震性能相關實驗的教學內容如表2所示。

以上項目的實驗報告還應包括實驗數據處理、與理論分析結果的對比、課后思考題等內容。有條件的實驗室可針對有興趣和有需求的學生，開出擬動力實驗或混合模擬實驗項目。

（二）建筑和橋梁減隔震裝置力學性能實驗

減隔震裝置在工程中的應用越來越多，包括各種橡膠支座、圓形黏滯阻尼器、黏滯阻尼墻、黏彈性阻尼器、防屈曲約束支撐、金屬摩擦阻尼器、摩擦擺隔震支座、軟鋼彎曲阻尼器、軟鋼剪切阻尼器等，這些裝置均有產品性能標準及應用技術規(guī)程，工程應用時所需測試的力學參數比較多。實驗教學無需也無法對所有產品、所有力學參數進行實驗，依據實驗室設備條件，可選擇能重復使用或加工成本低的試件進行教學實驗，表3列出了四種減隔震裝置力學性能實驗項目。

以上項目的實驗報告還應包括實驗數據處理、與理論分析結果的對比分析、裝置力學性能的評判等內容。實驗教學中需要著重介紹各類減隔震裝置的力學參數，以及各類減隔震裝置改變結構動力特性和消耗地震能量的方式。

減隔震裝置力學性能實驗一般需要采用電液伺服加載系統(tǒng)和專門的加載裝置，可依據實驗室資源選擇實驗對象和測試參數，有條件的實驗室可在實驗教學的同時展示各類減隔震裝置。對未列入實物實驗的減隔震裝置，也可以通過虛擬仿真實驗的演示來介紹其力學性能。

（三）教學計劃安排建議

實驗教學需要配合具體的課堂教學來安排教學計劃，表4為某高校建筑結構抗震設計課程教學計劃，以及建議配合的實驗教學內容和學時。

三、結語

為配合工程結構抗震類本科生課程的課堂教學，需要增加實驗教學內容與之配套，有益之處在于：（1）有利于學生對課本知識的理解；（2）加深了解專業(yè)發(fā)展前沿，避免與工程實踐脫節(jié)；（3）提升實驗技能，為研究生階段的科研試驗打好基礎。

實驗教學內容的設置需要滿足培養(yǎng)計劃的整體安排，需要教學管理人員進行頂層設計，實驗技術人員有責任推動此項工作，可以先行先試。

成熟有效的教學內容和手段需要在教學實踐中不斷提升，作者所在實驗室積極進行實驗課程框架的搭建，如編寫實驗大綱、實驗指導書、實驗報告等，并積極付諸教學實踐，不斷

與同行展開交流探討，以期提升工程結構抗震課程實驗教學效果。

參考文獻：

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Discussion on experiment teaching content of engineering structure seismic courses

LU Liang， SU Lei， GE Xue， XU Peidong， CAO Wenqing

（College of Civil Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， P. R. China）

Abstract： The seismic courses of engineering structure are comprehensive professional courses of civil engineering. The teaching object is the senior undergraduate students majoring in civil engineering. There are many theoretical points in these courses， involving the latest development of structural seismic technology. Limited to class hours and teaching funds， experimental teaching is generally limited to the mechanical property experiment of beam and column members under tension， compression， bending， torsion and other loads. Structural dynamic experiments are rarely conducted， such as structural dynamic characteristics test， component energy dissipation capacity test， structural seismic responses， and other experiments. This paper introduces the present situation of the experimental teaching of engineering structure seismic courses， analyzes on the shortcomings of the existing experimental teaching contents， puts forward some suggestions on setting up the experimental courses related to structural seismic performance， and the experimental courses of mechanical properties of building and bridge seismic isolation devices， and carries out the course building from the aspects of compiling the teaching syllabus， experimental instructions， teaching handouts， preparing the template of experimental reports， and teaching practice. Through three years of teaching practice， combined with the latest engineering practice and classroom teaching， reform of the experimental teaching has achieved good teaching effect. Students have fully understood all kinds of seismic reduction and isolation devices， the newest structural design concepts and new structural systems， and have received standardized experimental operation skills training. This has laid a good foundation for students to quickly understand engineering construction procedures and standards after employment， or to continue their further study.

Key words：undergraduate education; engineering structure seismic course; seismic experiment; experiment teaching reform

（責任編輯 梁遠華）

修回日期：2021-03-12

基金項目：同濟大學第十五期實驗教學改革專項基金項目（0200104459）

作者簡介：魯亮（1969—），男，同濟大學土木工程學院結構防災減災工程系副教授，博士，主要從事工程結構抗震、試驗技術研究，（E-mail）95010@#edu.cn。