賈傳果等

摘要：荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法作為土木工程專業(yè)平臺課程，主要介紹工程結(jié)構(gòu)所承受的各類荷載和結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本概念、結(jié)構(gòu)可靠度理論以及滿足可靠度要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。文章以JC組合規(guī)則為例，歸納了教學(xué)中存在的實際問題，并對此闡述了教學(xué)改革的必要性，提出了教學(xué)改革的具體方法。

關(guān)鍵詞：荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；可靠度理論；JC組合規(guī)則；教學(xué)改革

中圖分類號：U312 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2014）04-0092-04

1998年全國高等教育本科專業(yè)調(diào)整后，原建筑工程、交通土建、地下工程及礦山建設(shè)等專業(yè)合并為土木工程專業(yè)，在此背景下課程體系設(shè)置也作了相應(yīng)調(diào)整，增設(shè)了荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法這門專業(yè)基礎(chǔ)課。荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法側(cè)重介紹基本原理與方法，從課程內(nèi)容上分為兩個部分[1]：一是介紹工程結(jié)構(gòu)承受的各種荷載及其相應(yīng)的計算方法；二是介紹結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要概念、結(jié)構(gòu)可靠度原理以及滿足可靠度要求的設(shè)計方法。

作為一門開設(shè)時間不長、教學(xué)經(jīng)驗尚且不足的課程，荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在教學(xué)實踐和教材內(nèi)容上還存在一些問題，主要表現(xiàn)在：（1）對課程重視程度不足。荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是土木專業(yè)結(jié)構(gòu)分析類課程的基礎(chǔ)，掌握好結(jié)構(gòu)與荷載設(shè)計原理，明白可靠度、分項系數(shù)的意義，才能正確進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。然而多數(shù)學(xué)校

對此認(rèn)識不充分，教學(xué)課時安排不足，導(dǎo)致課程內(nèi)容難以講解透徹，進(jìn)而影響學(xué)習(xí)效果。有限的課時使教師對該課中的一些重要問題只能淺嘗輒止，從而導(dǎo)致學(xué)生對課程的重視程度下降，其學(xué)習(xí)積極性與主動性也隨之降低。（2）課本內(nèi)容過于繁瑣。荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計課程本身比較枯燥，學(xué)習(xí)過程中涉及的問題較多，學(xué)生難免產(chǎn)生厭學(xué)情緒。因此應(yīng)考慮到學(xué)生們的理解能力，在教材編寫過程中少一些晦澀難懂的理論，多一些簡潔易懂的實例。（3）教學(xué)方式機械化。結(jié)構(gòu)設(shè)計課程本身要求學(xué)生具有較高的實踐能力，因而教學(xué)方式不能停留在對課本概念的講解上，而應(yīng)強化運用基本理論解決問題的能力。因此，教學(xué)方式應(yīng)結(jié)合工程實例，引導(dǎo)學(xué)生變被動接受為主動學(xué)習(xí)。

不可否認(rèn)，荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法課程與土力學(xué)、水力學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、建筑結(jié)構(gòu)抗震、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、鋼結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)等課程在內(nèi)容上有重復(fù)之處，但這并不意味著該課程沒有開設(shè)的必要。相反，筆者認(rèn)為該課程包含了整個大土木工程的各類荷載，及各類土木工程都需要的設(shè)計思想和設(shè)計方法，可看作土木工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其重要性不言而喻。對于荷載部分，要強調(diào)各類荷載的相互聯(lián)系，避免過多的理論分析和公式推導(dǎo)，要讓學(xué)生從整體上認(rèn)識土木工程中所涉及的各類荷載及相應(yīng)的確定方法。針對結(jié)構(gòu)可靠度這一部分內(nèi)容在教學(xué)上存在的問題，文章以JC組合規(guī)則進(jìn)行分析論述，提出了切實可行的教學(xué)改革方案。

一、以JC組合規(guī)則為例，剖析荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法教學(xué)中的突出問題

（一）概念敘述偏淺，闡釋深度不足

結(jié)構(gòu)可靠度理論之所以難學(xué)，是因為概念抽象、計算原理復(fù)雜，因此在教學(xué)中要特別注重概念的闡釋與原理的講解。多數(shù)教材對于荷載效應(yīng)組合規(guī)則的闡述不夠詳細(xì)，僅簡單地給出了JC組合規(guī)則的基本概念，卻沒有深入分析、討論其優(yōu)缺點及其具體應(yīng)用等。實際上，JC方法是基于工程經(jīng)驗提煉出的一種組合規(guī)則，而利用隨機過程的理論對JC組合規(guī)則分析表明：多數(shù)情況下該規(guī)則都能給出比較合理的結(jié)果，同時應(yīng)用簡便，故而被應(yīng)用于工程實際。教學(xué)中對此類比較生疏的概念若不作深入闡述和原理分析，學(xué)生將難以把握和理解知識要點。

（二）相關(guān)課程脫節(jié)，知識脈絡(luò)不連貫

學(xué)習(xí)荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法需要概率論、數(shù)理統(tǒng)計、高等數(shù)學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識。該課程與前面學(xué)習(xí)的課程有間隔，各科知識容易脫節(jié)，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)有困難。另一方面教學(xué)脈絡(luò)的不連貫，使學(xué)生難以把握內(nèi)容的主次。例如：有的教材直接從結(jié)構(gòu)可靠度的基本原理跳到基于近似概率的基本表達(dá)式，中間缺少必要的知識過渡，思路不連貫讓課程內(nèi)容顯得晦澀難懂。筆者在講授荷載效應(yīng)和荷載效應(yīng)組合時，先介紹荷載效應(yīng)組合的理論方法，再介紹工程經(jīng)驗方法，最后著眼于JC組合規(guī)則進(jìn)行深入分析和案例講解。這樣不僅教學(xué)思路清晰，更容易讓學(xué)生把握重點和難點。

（三）理論與實際結(jié)合不足

荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法教學(xué)中還存在理論教學(xué)與實際應(yīng)用結(jié)合不足的問題，使學(xué)生無法從本質(zhì)上掌握課程知識，容易出現(xiàn)知其然而不知所以然的情況。JC組合規(guī)則是國際結(jié)構(gòu)安全度委員會建議的荷載效應(yīng)組合規(guī)則，規(guī)則特別強調(diào)了“各類結(jié)構(gòu)”和“各類荷載”，說明此組合規(guī)則在應(yīng)用上具有廣泛性和普遍性。它考慮了荷載在各時段不出現(xiàn)的概率，減少了模型中的參數(shù)，使分析得以簡化；另外統(tǒng)一規(guī)則由2n-1項不利組合求得的失效概率之和來估計結(jié)構(gòu)失效的概率，可考慮所有可能的不利組合，故為我國《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》所采用。鐵道部科學(xué)研究院姚明初等[2]曾運用此規(guī)則進(jìn)行荷載效應(yīng)的組合，思路清晰嚴(yán)謹(jǐn)，而且計算過程簡潔易懂。

二、以JC組合為例，闡述教學(xué)改革的實施方法

（一）學(xué)科交叉運用，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力

對于土木工程而言，各學(xué)科不是相互獨立的。學(xué)科之間不僅有特性，還有共性，利用它們的相同或相似之處，處理問題有時會變得更加容易。教學(xué)過程中強調(diào)多學(xué)科的交叉運用，既能夯實專業(yè)基礎(chǔ)，又能強化學(xué)生綜合運用知識的能力。下面以JC規(guī)則為例闡述教學(xué)中多學(xué)科交叉運用的具體體現(xiàn)。

由于荷載效應(yīng)組合在結(jié)構(gòu)可靠度分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有重要地位，上世紀(jì)70年代初有學(xué)者開展了研究，并提出了一些理論分析方法和多種實用的簡化方法[3]。1976年由六個國際組織組成的結(jié)構(gòu)安全度委員會公布了“對各類結(jié)構(gòu)和各種荷載的統(tǒng)一規(guī)則”，也就是JC組合規(guī)則。當(dāng)作用于結(jié)構(gòu)上的各環(huán)境荷載可視為相互獨立的隨機過程時，即可用JC組合方法進(jìn)行荷載效應(yīng)組合。對于JC規(guī)則有如下規(guī)定：（1）假定荷載Qi（t）是等時段的平穩(wěn)二項隨機過程；（2）荷載Qi（t）與荷載效應(yīng)i（t）滿足線性關(guān)系，即i（t）=CiQi（t）；（3）設(shè)計基準(zhǔn)期=50年；（4）互相排斥的荷載不考慮它們的組合，僅考慮在[0，]內(nèi)可能相遇的各種可變荷載的組合；（5）當(dāng)一種荷載取設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)最大荷載或時段最大荷載時，其他參與組合的荷載僅在該最大荷載持續(xù)時間內(nèi)取相對最大值，或取任意時點荷載。具體表述如下：組合時，依序取某一荷載Xi在[0，]內(nèi)的最大值，對于時段數(shù)大于ri的荷載，依序取前面荷載時段上的局部最大值，對其他荷載取相應(yīng)的瞬時值，即取不利組合項為[4]

從表1不難看出：某一荷載對應(yīng)的組合數(shù)恰好等于其前面所有組合數(shù)之和，這一規(guī)律符合計算機的二進(jìn)制規(guī)則——即從2（t）以后各荷載對應(yīng)的組合數(shù)成等比關(guān)系。這種組合規(guī)律符合計算機的求解思路，因此容易通過計算機語言編程實現(xiàn)對荷載有序組合，且當(dāng)荷載數(shù)較多時更能體現(xiàn)計算機程序計算的優(yōu)越性。

三、結(jié)語

文章以JC組合規(guī)則為例，針對課程特點和教學(xué)中存在的典型問題，提出了具體的教學(xué)改革方法。在今后的教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)不拘泥于現(xiàn)有教材的內(nèi)容，進(jìn)一步研究和深化相關(guān)理論與方法，以期讓學(xué)生更好地運用基本理論，形成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S，提升動手創(chuàng)新能力；同時也應(yīng)進(jìn)一步注意到該課程所具有的數(shù)學(xué)與力學(xué)相結(jié)合的特征，綜合利用計算機程序設(shè)計的優(yōu)勢，形成全方位、多層次、寬領(lǐng)域的教學(xué)優(yōu)化格局。

參考文獻(xiàn)：

[1]張小剛，林小嵩.適應(yīng)大土木要求的荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法知識點講解研[J].高等建筑教育，2006，15（4）：74-79.

[2]姚明初.結(jié)構(gòu)作用按“JC”和“R”組合規(guī)則組合時組合分項系數(shù)選定的 分位值法[C].全國第三屆學(xué)術(shù)交流會議，1992.

[3]周道成，段忠東，歐進(jìn)萍.建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)荷載組合的平穩(wěn)二項隨機過程方法 [J].工程力學(xué)，2007，24（4）：97-103.

[4]李繼華.建筑結(jié)構(gòu)概率極限設(shè)計[M].1版 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990：256-258.

[5]柳炳康.“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”[M].2版.湖北：武漢理工大學(xué)出版社，2012：148-150.

（編輯 梁遠(yuǎn)華）

摘要：荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法作為土木工程專業(yè)平臺課程，主要介紹工程結(jié)構(gòu)所承受的各類荷載和結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本概念、結(jié)構(gòu)可靠度理論以及滿足可靠度要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。文章以JC組合規(guī)則為例，歸納了教學(xué)中存在的實際問題，并對此闡述了教學(xué)改革的必要性，提出了教學(xué)改革的具體方法。

關(guān)鍵詞：荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；可靠度理論；JC組合規(guī)則；教學(xué)改革

中圖分類號：U312 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2014）04-0092-04

1998年全國高等教育本科專業(yè)調(diào)整后，原建筑工程、交通土建、地下工程及礦山建設(shè)等專業(yè)合并為土木工程專業(yè)，在此背景下課程體系設(shè)置也作了相應(yīng)調(diào)整，增設(shè)了荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法這門專業(yè)基礎(chǔ)課。荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法側(cè)重介紹基本原理與方法，從課程內(nèi)容上分為兩個部分[1]：一是介紹工程結(jié)構(gòu)承受的各種荷載及其相應(yīng)的計算方法；二是介紹結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要概念、結(jié)構(gòu)可靠度原理以及滿足可靠度要求的設(shè)計方法。

作為一門開設(shè)時間不長、教學(xué)經(jīng)驗尚且不足的課程，荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在教學(xué)實踐和教材內(nèi)容上還存在一些問題，主要表現(xiàn)在：（1）對課程重視程度不足。荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是土木專業(yè)結(jié)構(gòu)分析類課程的基礎(chǔ)，掌握好結(jié)構(gòu)與荷載設(shè)計原理，明白可靠度、分項系數(shù)的意義，才能正確進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。然而多數(shù)學(xué)校

對此認(rèn)識不充分，教學(xué)課時安排不足，導(dǎo)致課程內(nèi)容難以講解透徹，進(jìn)而影響學(xué)習(xí)效果。有限的課時使教師對該課中的一些重要問題只能淺嘗輒止，從而導(dǎo)致學(xué)生對課程的重視程度下降，其學(xué)習(xí)積極性與主動性也隨之降低。（2）課本內(nèi)容過于繁瑣。荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計課程本身比較枯燥，學(xué)習(xí)過程中涉及的問題較多，學(xué)生難免產(chǎn)生厭學(xué)情緒。因此應(yīng)考慮到學(xué)生們的理解能力，在教材編寫過程中少一些晦澀難懂的理論，多一些簡潔易懂的實例。（3）教學(xué)方式機械化。結(jié)構(gòu)設(shè)計課程本身要求學(xué)生具有較高的實踐能力，因而教學(xué)方式不能停留在對課本概念的講解上，而應(yīng)強化運用基本理論解決問題的能力。因此，教學(xué)方式應(yīng)結(jié)合工程實例，引導(dǎo)學(xué)生變被動接受為主動學(xué)習(xí)。

不可否認(rèn)，荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法課程與土力學(xué)、水力學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、建筑結(jié)構(gòu)抗震、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、鋼結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)等課程在內(nèi)容上有重復(fù)之處，但這并不意味著該課程沒有開設(shè)的必要。相反，筆者認(rèn)為該課程包含了整個大土木工程的各類荷載，及各類土木工程都需要的設(shè)計思想和設(shè)計方法，可看作土木工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其重要性不言而喻。對于荷載部分，要強調(diào)各類荷載的相互聯(lián)系，避免過多的理論分析和公式推導(dǎo)，要讓學(xué)生從整體上認(rèn)識土木工程中所涉及的各類荷載及相應(yīng)的確定方法。針對結(jié)構(gòu)可靠度這一部分內(nèi)容在教學(xué)上存在的問題，文章以JC組合規(guī)則進(jìn)行分析論述，提出了切實可行的教學(xué)改革方案。

一、以JC組合規(guī)則為例，剖析荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法教學(xué)中的突出問題

（一）概念敘述偏淺，闡釋深度不足

結(jié)構(gòu)可靠度理論之所以難學(xué)，是因為概念抽象、計算原理復(fù)雜，因此在教學(xué)中要特別注重概念的闡釋與原理的講解。多數(shù)教材對于荷載效應(yīng)組合規(guī)則的闡述不夠詳細(xì)，僅簡單地給出了JC組合規(guī)則的基本概念，卻沒有深入分析、討論其優(yōu)缺點及其具體應(yīng)用等。實際上，JC方法是基于工程經(jīng)驗提煉出的一種組合規(guī)則，而利用隨機過程的理論對JC組合規(guī)則分析表明：多數(shù)情況下該規(guī)則都能給出比較合理的結(jié)果，同時應(yīng)用簡便，故而被應(yīng)用于工程實際。教學(xué)中對此類比較生疏的概念若不作深入闡述和原理分析，學(xué)生將難以把握和理解知識要點。

（二）相關(guān)課程脫節(jié)，知識脈絡(luò)不連貫

學(xué)習(xí)荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法需要概率論、數(shù)理統(tǒng)計、高等數(shù)學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識。該課程與前面學(xué)習(xí)的課程有間隔，各科知識容易脫節(jié)，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)有困難。另一方面教學(xué)脈絡(luò)的不連貫，使學(xué)生難以把握內(nèi)容的主次。例如：有的教材直接從結(jié)構(gòu)可靠度的基本原理跳到基于近似概率的基本表達(dá)式，中間缺少必要的知識過渡，思路不連貫讓課程內(nèi)容顯得晦澀難懂。筆者在講授荷載效應(yīng)和荷載效應(yīng)組合時，先介紹荷載效應(yīng)組合的理論方法，再介紹工程經(jīng)驗方法，最后著眼于JC組合規(guī)則進(jìn)行深入分析和案例講解。這樣不僅教學(xué)思路清晰，更容易讓學(xué)生把握重點和難點。

（三）理論與實際結(jié)合不足

荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法教學(xué)中還存在理論教學(xué)與實際應(yīng)用結(jié)合不足的問題，使學(xué)生無法從本質(zhì)上掌握課程知識，容易出現(xiàn)知其然而不知所以然的情況。JC組合規(guī)則是國際結(jié)構(gòu)安全度委員會建議的荷載效應(yīng)組合規(guī)則，規(guī)則特別強調(diào)了“各類結(jié)構(gòu)”和“各類荷載”，說明此組合規(guī)則在應(yīng)用上具有廣泛性和普遍性。它考慮了荷載在各時段不出現(xiàn)的概率，減少了模型中的參數(shù)，使分析得以簡化；另外統(tǒng)一規(guī)則由2n-1項不利組合求得的失效概率之和來估計結(jié)構(gòu)失效的概率，可考慮所有可能的不利組合，故為我國《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》所采用。鐵道部科學(xué)研究院姚明初等[2]曾運用此規(guī)則進(jìn)行荷載效應(yīng)的組合，思路清晰嚴(yán)謹(jǐn)，而且計算過程簡潔易懂。

二、以JC組合為例，闡述教學(xué)改革的實施方法

（一）學(xué)科交叉運用，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力

對于土木工程而言，各學(xué)科不是相互獨立的。學(xué)科之間不僅有特性，還有共性，利用它們的相同或相似之處，處理問題有時會變得更加容易。教學(xué)過程中強調(diào)多學(xué)科的交叉運用，既能夯實專業(yè)基礎(chǔ)，又能強化學(xué)生綜合運用知識的能力。下面以JC規(guī)則為例闡述教學(xué)中多學(xué)科交叉運用的具體體現(xiàn)。

由于荷載效應(yīng)組合在結(jié)構(gòu)可靠度分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有重要地位，上世紀(jì)70年代初有學(xué)者開展了研究，并提出了一些理論分析方法和多種實用的簡化方法[3]。1976年由六個國際組織組成的結(jié)構(gòu)安全度委員會公布了“對各類結(jié)構(gòu)和各種荷載的統(tǒng)一規(guī)則”，也就是JC組合規(guī)則。當(dāng)作用于結(jié)構(gòu)上的各環(huán)境荷載可視為相互獨立的隨機過程時，即可用JC組合方法進(jìn)行荷載效應(yīng)組合。對于JC規(guī)則有如下規(guī)定：（1）假定荷載Qi（t）是等時段的平穩(wěn)二項隨機過程；（2）荷載Qi（t）與荷載效應(yīng)i（t）滿足線性關(guān)系，即i（t）=CiQi（t）；（3）設(shè)計基準(zhǔn)期=50年；（4）互相排斥的荷載不考慮它們的組合，僅考慮在[0，]內(nèi)可能相遇的各種可變荷載的組合；（5）當(dāng)一種荷載取設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)最大荷載或時段最大荷載時，其他參與組合的荷載僅在該最大荷載持續(xù)時間內(nèi)取相對最大值，或取任意時點荷載。具體表述如下：組合時，依序取某一荷載Xi在[0，]內(nèi)的最大值，對于時段數(shù)大于ri的荷載，依序取前面荷載時段上的局部最大值，對其他荷載取相應(yīng)的瞬時值，即取不利組合項為[4]

從表1不難看出：某一荷載對應(yīng)的組合數(shù)恰好等于其前面所有組合數(shù)之和，這一規(guī)律符合計算機的二進(jìn)制規(guī)則——即從2（t）以后各荷載對應(yīng)的組合數(shù)成等比關(guān)系。這種組合規(guī)律符合計算機的求解思路，因此容易通過計算機語言編程實現(xiàn)對荷載有序組合，且當(dāng)荷載數(shù)較多時更能體現(xiàn)計算機程序計算的優(yōu)越性。

三、結(jié)語

文章以JC組合規(guī)則為例，針對課程特點和教學(xué)中存在的典型問題，提出了具體的教學(xué)改革方法。在今后的教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)不拘泥于現(xiàn)有教材的內(nèi)容，進(jìn)一步研究和深化相關(guān)理論與方法，以期讓學(xué)生更好地運用基本理論，形成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S，提升動手創(chuàng)新能力；同時也應(yīng)進(jìn)一步注意到該課程所具有的數(shù)學(xué)與力學(xué)相結(jié)合的特征，綜合利用計算機程序設(shè)計的優(yōu)勢，形成全方位、多層次、寬領(lǐng)域的教學(xué)優(yōu)化格局。

參考文獻(xiàn)：

[1]張小剛，林小嵩.適應(yīng)大土木要求的荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法知識點講解研[J].高等建筑教育，2006，15（4）：74-79.

[2]姚明初.結(jié)構(gòu)作用按“JC”和“R”組合規(guī)則組合時組合分項系數(shù)選定的 分位值法[C].全國第三屆學(xué)術(shù)交流會議，1992.

[3]周道成，段忠東，歐進(jìn)萍.建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)荷載組合的平穩(wěn)二項隨機過程方法 [J].工程力學(xué)，2007，24（4）：97-103.

[4]李繼華.建筑結(jié)構(gòu)概率極限設(shè)計[M].1版 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990：256-258.

[5]柳炳康.“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”[M].2版.湖北：武漢理工大學(xué)出版社，2012：148-150.

（編輯 梁遠(yuǎn)華）

摘要：荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法作為土木工程專業(yè)平臺課程，主要介紹工程結(jié)構(gòu)所承受的各類荷載和結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本概念、結(jié)構(gòu)可靠度理論以及滿足可靠度要求的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。文章以JC組合規(guī)則為例，歸納了教學(xué)中存在的實際問題，并對此闡述了教學(xué)改革的必要性，提出了教學(xué)改革的具體方法。

關(guān)鍵詞：荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法；可靠度理論；JC組合規(guī)則；教學(xué)改革

中圖分類號：U312 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1005-2909（2014）04-0092-04

1998年全國高等教育本科專業(yè)調(diào)整后，原建筑工程、交通土建、地下工程及礦山建設(shè)等專業(yè)合并為土木工程專業(yè)，在此背景下課程體系設(shè)置也作了相應(yīng)調(diào)整，增設(shè)了荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法這門專業(yè)基礎(chǔ)課。荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法側(cè)重介紹基本原理與方法，從課程內(nèi)容上分為兩個部分[1]：一是介紹工程結(jié)構(gòu)承受的各種荷載及其相應(yīng)的計算方法；二是介紹結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要概念、結(jié)構(gòu)可靠度原理以及滿足可靠度要求的設(shè)計方法。

作為一門開設(shè)時間不長、教學(xué)經(jīng)驗尚且不足的課程，荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在教學(xué)實踐和教材內(nèi)容上還存在一些問題，主要表現(xiàn)在：（1）對課程重視程度不足。荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是土木專業(yè)結(jié)構(gòu)分析類課程的基礎(chǔ)，掌握好結(jié)構(gòu)與荷載設(shè)計原理，明白可靠度、分項系數(shù)的意義，才能正確進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。然而多數(shù)學(xué)校

對此認(rèn)識不充分，教學(xué)課時安排不足，導(dǎo)致課程內(nèi)容難以講解透徹，進(jìn)而影響學(xué)習(xí)效果。有限的課時使教師對該課中的一些重要問題只能淺嘗輒止，從而導(dǎo)致學(xué)生對課程的重視程度下降，其學(xué)習(xí)積極性與主動性也隨之降低。（2）課本內(nèi)容過于繁瑣。荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計課程本身比較枯燥，學(xué)習(xí)過程中涉及的問題較多，學(xué)生難免產(chǎn)生厭學(xué)情緒。因此應(yīng)考慮到學(xué)生們的理解能力，在教材編寫過程中少一些晦澀難懂的理論，多一些簡潔易懂的實例。（3）教學(xué)方式機械化。結(jié)構(gòu)設(shè)計課程本身要求學(xué)生具有較高的實踐能力，因而教學(xué)方式不能停留在對課本概念的講解上，而應(yīng)強化運用基本理論解決問題的能力。因此，教學(xué)方式應(yīng)結(jié)合工程實例，引導(dǎo)學(xué)生變被動接受為主動學(xué)習(xí)。

不可否認(rèn)，荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法課程與土力學(xué)、水力學(xué)、流體力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、建筑結(jié)構(gòu)抗震、混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計原理、鋼結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)等課程在內(nèi)容上有重復(fù)之處，但這并不意味著該課程沒有開設(shè)的必要。相反，筆者認(rèn)為該課程包含了整個大土木工程的各類荷載，及各類土木工程都需要的設(shè)計思想和設(shè)計方法，可看作土木工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，其重要性不言而喻。對于荷載部分，要強調(diào)各類荷載的相互聯(lián)系，避免過多的理論分析和公式推導(dǎo)，要讓學(xué)生從整體上認(rèn)識土木工程中所涉及的各類荷載及相應(yīng)的確定方法。針對結(jié)構(gòu)可靠度這一部分內(nèi)容在教學(xué)上存在的問題，文章以JC組合規(guī)則進(jìn)行分析論述，提出了切實可行的教學(xué)改革方案。

一、以JC組合規(guī)則為例，剖析荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法教學(xué)中的突出問題

（一）概念敘述偏淺，闡釋深度不足

結(jié)構(gòu)可靠度理論之所以難學(xué)，是因為概念抽象、計算原理復(fù)雜，因此在教學(xué)中要特別注重概念的闡釋與原理的講解。多數(shù)教材對于荷載效應(yīng)組合規(guī)則的闡述不夠詳細(xì)，僅簡單地給出了JC組合規(guī)則的基本概念，卻沒有深入分析、討論其優(yōu)缺點及其具體應(yīng)用等。實際上，JC方法是基于工程經(jīng)驗提煉出的一種組合規(guī)則，而利用隨機過程的理論對JC組合規(guī)則分析表明：多數(shù)情況下該規(guī)則都能給出比較合理的結(jié)果，同時應(yīng)用簡便，故而被應(yīng)用于工程實際。教學(xué)中對此類比較生疏的概念若不作深入闡述和原理分析，學(xué)生將難以把握和理解知識要點。

（二）相關(guān)課程脫節(jié)，知識脈絡(luò)不連貫

學(xué)習(xí)荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法需要概率論、數(shù)理統(tǒng)計、高等數(shù)學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等方面的基礎(chǔ)知識。該課程與前面學(xué)習(xí)的課程有間隔，各科知識容易脫節(jié)，從而導(dǎo)致學(xué)習(xí)有困難。另一方面教學(xué)脈絡(luò)的不連貫，使學(xué)生難以把握內(nèi)容的主次。例如：有的教材直接從結(jié)構(gòu)可靠度的基本原理跳到基于近似概率的基本表達(dá)式，中間缺少必要的知識過渡，思路不連貫讓課程內(nèi)容顯得晦澀難懂。筆者在講授荷載效應(yīng)和荷載效應(yīng)組合時，先介紹荷載效應(yīng)組合的理論方法，再介紹工程經(jīng)驗方法，最后著眼于JC組合規(guī)則進(jìn)行深入分析和案例講解。這樣不僅教學(xué)思路清晰，更容易讓學(xué)生把握重點和難點。

（三）理論與實際結(jié)合不足

荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法教學(xué)中還存在理論教學(xué)與實際應(yīng)用結(jié)合不足的問題，使學(xué)生無法從本質(zhì)上掌握課程知識，容易出現(xiàn)知其然而不知所以然的情況。JC組合規(guī)則是國際結(jié)構(gòu)安全度委員會建議的荷載效應(yīng)組合規(guī)則，規(guī)則特別強調(diào)了“各類結(jié)構(gòu)”和“各類荷載”，說明此組合規(guī)則在應(yīng)用上具有廣泛性和普遍性。它考慮了荷載在各時段不出現(xiàn)的概率，減少了模型中的參數(shù)，使分析得以簡化；另外統(tǒng)一規(guī)則由2n-1項不利組合求得的失效概率之和來估計結(jié)構(gòu)失效的概率，可考慮所有可能的不利組合，故為我國《建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》所采用。鐵道部科學(xué)研究院姚明初等[2]曾運用此規(guī)則進(jìn)行荷載效應(yīng)的組合，思路清晰嚴(yán)謹(jǐn)，而且計算過程簡潔易懂。

二、以JC組合為例，闡述教學(xué)改革的實施方法

（一）學(xué)科交叉運用，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力

對于土木工程而言，各學(xué)科不是相互獨立的。學(xué)科之間不僅有特性，還有共性，利用它們的相同或相似之處，處理問題有時會變得更加容易。教學(xué)過程中強調(diào)多學(xué)科的交叉運用，既能夯實專業(yè)基礎(chǔ)，又能強化學(xué)生綜合運用知識的能力。下面以JC規(guī)則為例闡述教學(xué)中多學(xué)科交叉運用的具體體現(xiàn)。

由于荷載效應(yīng)組合在結(jié)構(gòu)可靠度分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計中具有重要地位，上世紀(jì)70年代初有學(xué)者開展了研究，并提出了一些理論分析方法和多種實用的簡化方法[3]。1976年由六個國際組織組成的結(jié)構(gòu)安全度委員會公布了“對各類結(jié)構(gòu)和各種荷載的統(tǒng)一規(guī)則”，也就是JC組合規(guī)則。當(dāng)作用于結(jié)構(gòu)上的各環(huán)境荷載可視為相互獨立的隨機過程時，即可用JC組合方法進(jìn)行荷載效應(yīng)組合。對于JC規(guī)則有如下規(guī)定：（1）假定荷載Qi（t）是等時段的平穩(wěn)二項隨機過程；（2）荷載Qi（t）與荷載效應(yīng)i（t）滿足線性關(guān)系，即i（t）=CiQi（t）；（3）設(shè)計基準(zhǔn)期=50年；（4）互相排斥的荷載不考慮它們的組合，僅考慮在[0，]內(nèi)可能相遇的各種可變荷載的組合；（5）當(dāng)一種荷載取設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)最大荷載或時段最大荷載時，其他參與組合的荷載僅在該最大荷載持續(xù)時間內(nèi)取相對最大值，或取任意時點荷載。具體表述如下：組合時，依序取某一荷載Xi在[0，]內(nèi)的最大值，對于時段數(shù)大于ri的荷載，依序取前面荷載時段上的局部最大值，對其他荷載取相應(yīng)的瞬時值，即取不利組合項為[4]

從表1不難看出：某一荷載對應(yīng)的組合數(shù)恰好等于其前面所有組合數(shù)之和，這一規(guī)律符合計算機的二進(jìn)制規(guī)則——即從2（t）以后各荷載對應(yīng)的組合數(shù)成等比關(guān)系。這種組合規(guī)律符合計算機的求解思路，因此容易通過計算機語言編程實現(xiàn)對荷載有序組合，且當(dāng)荷載數(shù)較多時更能體現(xiàn)計算機程序計算的優(yōu)越性。

三、結(jié)語

文章以JC組合規(guī)則為例，針對課程特點和教學(xué)中存在的典型問題，提出了具體的教學(xué)改革方法。在今后的教學(xué)過程中，教師應(yīng)當(dāng)不拘泥于現(xiàn)有教材的內(nèi)容，進(jìn)一步研究和深化相關(guān)理論與方法，以期讓學(xué)生更好地運用基本理論，形成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S，提升動手創(chuàng)新能力；同時也應(yīng)進(jìn)一步注意到該課程所具有的數(shù)學(xué)與力學(xué)相結(jié)合的特征，綜合利用計算機程序設(shè)計的優(yōu)勢，形成全方位、多層次、寬領(lǐng)域的教學(xué)優(yōu)化格局。

參考文獻(xiàn)：

[1]張小剛，林小嵩.適應(yīng)大土木要求的荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法知識點講解研[J].高等建筑教育，2006，15（4）：74-79.

[2]姚明初.結(jié)構(gòu)作用按“JC”和“R”組合規(guī)則組合時組合分項系數(shù)選定的 分位值法[C].全國第三屆學(xué)術(shù)交流會議，1992.

[3]周道成，段忠東，歐進(jìn)萍.建筑結(jié)構(gòu)相關(guān)荷載組合的平穩(wěn)二項隨機過程方法 [J].工程力學(xué)，2007，24（4）：97-103.

[4]李繼華.建筑結(jié)構(gòu)概率極限設(shè)計[M].1版 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1990：256-258.

[5]柳炳康.“荷載與結(jié)構(gòu)設(shè)計方法”[M].2版.湖北：武漢理工大學(xué)出版社，2012：148-150.

（編輯 梁遠(yuǎn)華）