史勇 王利辉

[摘 要] 在建筑结构抗震设计课程教学中，多质点结构体系的抗震概念设计与计算设计是教学与学习的重点，学生对于多质点结构体系的刚性、延性、自振频率、阻尼比、振型缺乏直观的认识，进而影响了对多质点结构体系抗震设计知识的掌握。抗震设计实验教学是揭示多质点结构体系振动规律，结构抗震设计基本原理的有效手段。通过抗震设计实验课程改革，对实验方式、实验内容、实验平台、实验模型进行了重新设计，新的实验课程提高了学生的学习兴趣，对学生掌握多质点结构体系振动规律与抗震设计原理发挥了重要作用。

[关键词] 结构抗震;实验;改革

[基金项目] 2015年度内蒙古工业大学教学改革项目“建筑结构抗震设计课程实践教学内容研究与改革”（2015222）

[作者简介] 史 勇（1972—），男，内蒙古乌兰察布人，博士，内蒙古工业大学土木工程学院讲师，实验中心主任，主要从事土木工程材料研究;王利辉（1981—），男（蒙古族），内蒙古乌兰察布人，硕士，内蒙古工业大学土木工程学院讲师，实验员（通信作者），主要从事工程结构测试技术研究。

[中图分类号] G642.0   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）26-0056-04   [收稿日期] 2021-01-20

一、研究综述

我国地处世界两大地震带——环太平洋地震带和欧亚地震带的交汇处，地震活动特别是强震发生十分频繁。据统计，20世纪以来全球死亡人数超过2万的地震共有21次，在我国境内就发生了6次[1]，频繁的地震活动给我国人民的生命财产带来了巨大的损失。因此，土木工程专业规范将建筑结构抗震设计（以下简称“抗震”）课程列为高校土木工程专业建筑结构方向的一门必修课。“抗震”课程在土木工程专业课程体系中占有重要地位，通过“抗震”课程的学习，要求学生掌握建筑结构抗震概念设计的基本概念，掌握建筑结构的地震反应分析原理和抗震验算方法，了解隔震与耗能减震房屋的设计方法[2]。“抗震”课程的学习以结构力学、材料力学、建筑材料、土力学与地基基础、砌体结构、混凝土结构原理、钢结构、高层建筑设计等专业课程为先导课程，具有很强的综合性;抗震计算需要掌握高等数学偏微分方程求解知识，理论性较强。由于上述课程的特点，教师普遍反映课程难讲授，学生普遍反映课程难理解。特别是随着近年来高校教学改革，包括“抗震”在内的专业课程课时被明显压缩，使得该课程的讲授和学习难度进一步加大[3]。根据我们多年来的教学经验总结，该课程的教与学难点主要集中在三个方面。

1.抗震概念设计中的刚性、柔性与延性问题。工程界对于结构刚性和柔性的问题，一般认为刚性方案比柔性方案好。但结构抗侧移刚度過大，地震周期变短，地震作用就增大，进而要求结构具有与较大自振反应相对应的较高水平抗力，往往是以提高工程造价及降低结构延性指标为代价。因此，抗震概念设计要求刚性、柔性与延性合理匹配，而这需要非常丰富的工程经验做支撑，学生显然不具备这样的经验与知识的积累，因此，对这一问题往往感到困惑，影响了学习效果。

2.抗震计算设计中的多质点体系的自振频率与振型问题。由于地震反应的计算主要讲解振型分解反应谱法和底部剪力法两种方法，其中底部剪力法的学习以振型分解反应谱法为前提，可理解为振型分解法的简化算法。多自由度体系按照振型分解反应谱法求解结构的地震反应时，需要计算结构的各阶自振频率和振型，而学生普遍对多质点体系的自振频率与振型缺少感性认识，因而影响了对振型分解反应谱法的理解和掌握。

3.建筑构造措施中关于刚度变化、减震耗能问题。学生对于局部刚度变化对结构抗震性能影响以及减震耗能装置的作用仅限于概念认识，对其作用缺乏直观认识，更谈不上进行合理的抗震设计。而这些问题是建筑抗震设计中经常遇到并需要解决的工程问题。

综上所述，为解决上述问题，在“抗震”课程的教学环节中迫切需要一个提升学生对上述三个方面问题感性认识的教学手段。研究表明，实验教学是提高“抗震”课程中学生感性认识、辅助理论教学的理想方法[4，5]，杨予等研究了以结构模型为载体，以地震影响系数与质量函数关系为实验目标的抗震实验改革对“抗震”课程教学效果的影响。实验内容包括了模型制作、力学分析、模型实验、总结分析环节。研究表明，改革后的教学模式提高了学生学习与探索知识的兴趣，取得了有更好的教学效果[6]。夏冰华等的抗震实验教学改革研究结合全国大学生结构设计竞赛中的抗震题目，依托小型精密振动台等设备设置了开放性和创新性的抗震实验项目，研究表明，通过抗震实验教学加深了学生对理论知识的理解、提高了学生探究抗震知识的兴趣[7]。周小龙等则将虚拟实验引入课堂教学中，通过虚拟仿真方式演示特定结构在地震波作用下的响应，结合具体工程案例讲解抗震原理，取得了良好的教学效果[8]。

二、当前“抗震”课程实验教学中存在的问题与改革思路

上述研究对“抗震”课程的实践教学内容与方法进行了广泛探索，取得了一些有益的经验与成果，但是由于各高校的实验条件与学生学习情况差别较大，同时受到课时、实验条件等限制，需要结合自身条件探索适合本校特点的“抗震”课程实践教学模式。具体以我校“抗震”课程实践教学活动来说，主要存在以下两方面问题：（1）实验课时少。新修订的培养方案调整中将“抗震”课程总学时从40学时压缩到32学时。其中课内实验压缩到2课时，在如此少的课时内难以完成从结构设计、力学分析到模型制作、加载测试、分析总结这样一个完整的实验流程。（2）实验条件有限。受经费限制，缺少小型精密振动台等用于抗震实验教学的设备，实验经费也不足以支持购买多台市场上主流的小型精密振动台，而为了保证学生分组开展实验的要求，需要准备不低于5台套实验设备。针对上述问题，我们本着以学生为中心的工程教育认证理念，紧紧抓住课程核心知识点与学生学习中的难点问题、适当简化实验流程的改革思路，对“抗震”课程实验进行了全面的革新。

三、实验教学改革内容

（一）实验内容

根据课程要求与课时现状设计了实验内容。由于课程中要求学习多质点结构体系抗震计算设计，因此，实验内容需采用多质点结构体系抗震性能实验，但是多质点结构体系的抗震实验复杂程度和难度均较高，同时，实验教学环节还必须包括实验硬件平台的讲解与学习，数据采集、分析软件的讲解与学习，模型设计与组装，实验分析与总结四部分内容，在通常情况下，完成以上环节的实验内容需要8课时左右。但是新版大纲给实验仅分配了2学时，如何在如此短的课时内完成实验内容是一个难题。为此，围绕核心知識点与教学难点，通过适当简化实验流程设计了新版抗震实验内容，即以一个安装调试好的七层钢框架为基本框架模型，由各组学生独立设计的抗震、减震方案，即通过在基本模型上加装刚性斜撑来改变局部刚度，加装阻尼器来改变模型的阻尼比，接着通过激振法测量并分析加装前、后模型的前三阶自振频率、振型、阻尼比的变化情况，然后通过振动台施加与模型前三阶相同的简谐振动使其发生共振，对自振频率、振型、阻尼比进行验证，最后分析总结所设计模型与基本模型在抗震、减震性能上的差异，通过这一过程学习结构抗震设计中的多质点结构体系的自振频率、振型、阻尼比、刚性与柔性的匹配、减震耗能装置的作用原理等知识点。具体实验内容包括课内必做实验和开放性实验两个项目。其中课内必做实验2学时，是全体学生必须完成的实验;开放性实验4学时，为课外实验，面向希望深入研究和学习结构抗震知识的学生。

课内必做实验名称为“钢框架模型自振频率测试分析”。实验内容为：①测试基本框架模型的前三阶自振频率与阻尼比，然后开动振动台，使其按照模型的前三阶自振频率振动，即使模型发生共振，观察模型在共振时的反应。②学生自行设计抗震和减震方案，并按照设计方案在基本框架模型上安装相应的刚性斜撑或阻尼、耗能元件，然后测试模型的前三阶基频与阻尼比，接着启动振动台，使其按照模型的前三阶自振频率振动，使模型发生共振，观察加装了抗震、阻尼、耗能元件的模型在共振时的反应。③分析基本模型与自主设计抗震减震模型振动参数的差异，评价抗震减震方案的优劣。通过上述实验内容，可以使学生获得多质点框架模型自振频率、阻尼比的直观认识，认识刚性斜撑、阻尼、耗能元件对结构刚度、抗震减震性能的作用，加强对不同抗震、减震方案的理解。

开放性实验名称为“钢框架模型振型测试分析”。要求学生完成①框架模型的建模;②基本框架模型的振型分析;③自主设计抗震减震模型的振型分析;④通过振型分析比较不同抗震、减震方案的优劣。通过实验，学生可以学习到局部刚度变化对多质点结构体系振动响应的影响，掌握通过振型分析比较不同抗震、减震方案优劣的能力。

（二）振动实验台与基础框架模型

振动实验台的功能要能够提供至少覆盖模型前三阶自振频率的简谐振动，因此其频率和震动强度应能够方便地进行调节，为此选用了一种电磁激励振动台进行改造。该振动台可提供0～100Hz的简谐振动，振动强度可在0%～100%间调整。在此振动台上安装了边长300mm铝合金板作为模型固定平台，铝合金板上以25mm为模数打M5孔以便于固定模型。

基本框架模型为7层钢模型，为尽量与真实结构具有相似的振动参数，通过反复试验，最终选定框架柱为宽10mm、厚1mm钢带，梁板构件则采用厚度1mm钢板弯制，框架柱通过点焊与梁板构件连接，每层楼板上安装500g钢制配重。每层框架内预留了用于固定刚性斜撑和阻尼元件的支座。振动台和基本框架模型如图1-a所示。

（三）刚性斜撑与阻尼、耗能元件

根据试验要求选择了一种可调节长度的铝合金杆作为刚性斜撑元件;液压阻尼器采用一种车辆模型专用减震器进行改造，将减震器的弹簧与两端万向节拆除即获得了微型液压阻尼器，每个阻尼器内部注阻尼油1.5ml;耗能器为一无盖方盒，内置直径5mm钢珠500g，实验中可替换掉任意一层的配重。刚性斜撑和阻尼器可通过螺栓与模型上的支座连接，耗能器通过螺栓固定在模型顶部或任一层楼板上。图1-b为刚性斜撑与液压阻尼器、图1-c为耗能器实物照片。

（四）采集分析软硬件系统。

实验数据的采集与分析软件采用江苏东华测试技术股份有限公司的DHAS动态测试分析系统，硬件为东华DH5929型动态应变仪，加速度传感器采用东华DH302型电容式加速度传感器，模型的每层楼板上安装一个加速度传感器，每个模型安装7个。准备就绪的实验装置如图2所示。

四、改革成果与总结

通过实验改革，学生对结构抗震知识的学习兴趣明显提高，对课程讲授中遇到的知识难点有了直观的认识，对知识的掌握明显提升，学习成绩获得了比较显著的提高。学生对“抗震”实验课的反馈良好。我们设计的实验模型与平台具有很强的扩展性，可以在此基础上开发出很多新的实验内容，如对于抗震方案中过阻尼、临界阻尼、欠阻尼的实验，鞭梢效应的实验等。一些参观了本实验平台的兄弟院校也对其产生了浓厚的兴趣，纷纷索取实验资料。本项基于工程教育认证理念的建筑结构抗震设计课程实验改革取得了良好的成果，改革思路对于土木工程专业其他专业实验改革也具有一定的借鉴价值。

参考文献

[1]王显利.工程结构抗震设计[M].北京：机械工业出版社，2015.

[2]王社良.建筑结构抗震设计[M].第4版.武汉：武汉理工大学出版社，2011.

[3]袁志仁，孙维东，张自荣.《建筑结构抗震设计》课程授课中的难点及对策[J].长春工程学院学报（社会科学版），2009，10（2）：95-96+99.

[4]胡晓斌，徐礼华.建筑结构抗震设计课程教学实践的几点思考[J].高等建筑教育，2015，24（5）：120-122.

[5]王建强，曾力，赵湘育.建筑结构抗震设计教学探索[J].高等建筑教育，2010，19（2）：122-124.

[6]楊予，傅军.工程结构抗震课程实验设计[J].实验技术与管理，2011，28（2）：45-47+51.

[7]夏冰华，刘远才.建筑结构抗震设计课程中实验教学的改革与实践——以西南林业大学为例[J].西部素质教育，2016，2（21）：88-89.

[8]周小龙，刘章军，卢海林，等.工程案例与虚拟实验在建筑结构抗震课程教学中的应用[J].高等建筑教育，2020，29（5）：149-155.

Experiment Reform of Building Structure Seismic Design Course

SHI Yong， WANG Li-hui

（School of Civil Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia 010051， China）

Abstract： In the teaching of the course of Building Structure Seismic Design Course， multi-particle aseismic concept design and calculation of structural system is to the focus of teaching and learning. Students often lack intuitive understanding for multiple particle structure rigidity， ductility， natural frequency， damping ratio and mode， which affects the students grasp of the multiple particle structure seismic design knowledge. Experiment teaching of seismic design is an effective means to reveal the vibration law of multi-particle structure system and the basic principles of structural seismic design. Through the reform of the experiment course of seismic design， the experiment method， experiment content， experiment platform and experiment model were redesigned. The new experiment course improved students interest in learning and played an important role in students mastering the vibration law of multi-particle structure system and the principles of seismic design.

Key words： seismic structure; experiment; reform