榮學(xué)亮 郭進(jìn) 王慧東 趙品

摘要：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是土木工程專業(yè)研究生的一門核心課程，本文從教學(xué)目的、教學(xué)條件、教學(xué)方法等幾方面探討了如何加強(qiáng)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)核心課程的建設(shè)。提出了結(jié)合課程特色和學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀，完善結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的教學(xué)計(jì)劃，緊跟“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”領(lǐng)域的發(fā)展歷程，不斷充實(shí)授課內(nèi)容。加強(qiáng)理論與實(shí)踐的結(jié)合，在課堂教學(xué)中增加討論課和專題講座，發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，豐富課下活動(dòng)。使學(xué)生既能掌握扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，又能和工程實(shí)踐聯(lián)系起來，解決工程問題。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)；案例教學(xué)法；單自由度體系

中圖分類號(hào)：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）23-0203-02

結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是一門研究結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性及其在動(dòng)力荷載作用下的動(dòng)力反應(yīng)分析原理和方法的一門理論和技術(shù)學(xué)科。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)著重研究結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)力載荷的響應(yīng)，它不僅是結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)、抗爆分析以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制、健康監(jiān)測等課題研究的基礎(chǔ)，也是土木工程從業(yè)人員需要掌握的重要專業(yè)知識(shí)，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)已成為土木工程專業(yè)的一門重要課程。隨著超限及重要建筑的大規(guī)模建設(shè)，工程界對(duì)動(dòng)力問題越來越重視，結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)知識(shí)逐漸成為評(píng)價(jià)土木工程技術(shù)人員專業(yè)能力的重要指標(biāo)。筆者承擔(dān)了石家莊鐵道大學(xué)土木工程專業(yè)研究生結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程的教學(xué)工作。通過這兩年的教學(xué)經(jīng)歷，加深了對(duì)這本課程的認(rèn)識(shí)，同時(shí)在教學(xué)內(nèi)容和方法上通過研究生核心課程的建設(shè)，開展了一些教學(xué)方法改進(jìn)工作。

一、教學(xué)目的和內(nèi)容

通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生熟練掌握使用達(dá)朗貝爾原理、虛位移原理、勢能駐值原理、Larange方程、Hamilton原理建立單自由度體系、連續(xù)體系及多自由度體系數(shù)學(xué)模型的原理；掌握線性問題的單自由度體系、多自由度體系及連續(xù)體系的動(dòng)力特性的分析方法；掌握單自由度體系、多自由度體系及連續(xù)體系在特殊激勵(lì)下的動(dòng)力反應(yīng)的分析方法；了解對(duì)多自由度體系分析的數(shù)值方法，為工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問題的有限元分析方法準(zhǔn)備理論基礎(chǔ)。

二、教學(xué)條件建設(shè)

1.教材的使用與建設(shè)。（1）選用優(yōu)秀教材：我們選用了R.克拉夫、J.彭津主編的《結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)》（第二版（修訂版））。該書是美國加利福尼亞大學(xué)（伯克利分校）研究生結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程的基本教材之一，主要介紹結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本理論和抗震結(jié)構(gòu)計(jì)算理論，其主要特點(diǎn)是內(nèi)容新穎。該書著重于基本原理、方法的闡述，雖然作者也列舉了許多例題，當(dāng)相對(duì)來說理論性較強(qiáng)，對(duì)相對(duì)基礎(chǔ)不是太好的初學(xué)者，可能覺得稍微難懂一點(diǎn)，但是如果借助教師之力一旦入門之后，定會(huì)覺得從該書獲益良多。（2）對(duì)照其他教學(xué)參考資料與研究成果，以取長補(bǔ)短（備有6種主要參考書，并提供了相應(yīng)的電子版文本）。

2.擴(kuò)充性資料的建設(shè)與使用。課程內(nèi)容新穎。緊跟根據(jù)“結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)”領(lǐng)域的發(fā)展歷程，不斷充實(shí)授課內(nèi)容，引入最新的研究成果，使學(xué)生能夠了解最前沿的研究動(dòng)態(tài)。

3.實(shí)踐性教學(xué)環(huán)境。以學(xué)生為本，強(qiáng)化學(xué)生的實(shí)踐，提高學(xué)生分析問題、解決問題的能力。通過討論課、專題講座等環(huán)節(jié)，加深了學(xué)生對(duì)基本理論的認(rèn)識(shí)，與工程實(shí)踐聯(lián)系起來，能夠解決實(shí)際問題。

4.網(wǎng)絡(luò)型教學(xué)環(huán)境。（1）部分教學(xué)資源上網(wǎng)，包括教學(xué)大綱、教學(xué)筆記、教學(xué)日歷、習(xí)題、課件、期刊網(wǎng)上下載的學(xué)生論文等，使學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)自主學(xué)習(xí)。（2）進(jìn)行網(wǎng)上輔導(dǎo)與答疑。（3）建立qq群和微信群，使學(xué)生可以充分發(fā)表自己的學(xué)術(shù)見解。

三、教學(xué)方法與教學(xué)手段

1.教學(xué)方法。教學(xué)方法的多樣化和教學(xué)手段的現(xiàn)代化：積極采用現(xiàn)代教育方法和手段，在課程教學(xué)時(shí)理論聯(lián)系實(shí)際，教師在講授時(shí)，運(yùn)用多媒體課件、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源等現(xiàn)代化手段，將結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)基本理論，制作教學(xué)圖片、錄像等多媒體課件資料，適時(shí)示范，使枯燥乏味的專業(yè)基礎(chǔ)課生動(dòng)具體，提高了課堂教學(xué)效果，建立了現(xiàn)代教育方法和手段的新的教學(xué)模式。

2.實(shí)施計(jì)劃。（1）做好文獻(xiàn)資料收集和調(diào)研工作：了解結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)最前沿的研究動(dòng)態(tài)，對(duì)國內(nèi)其他高校土木工程專業(yè)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)授課內(nèi)容，教學(xué)方法、教學(xué)條件進(jìn)行調(diào)研，結(jié)合本校特色和學(xué)科發(fā)展現(xiàn)狀，完善結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的教學(xué)計(jì)劃。（2）加強(qiáng)實(shí)踐學(xué)習(xí)，完善課堂內(nèi)容。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是一門土木工程專業(yè)重要的基礎(chǔ)課程，是結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng)、抗爆分析以及結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制、健康監(jiān)測等課題研究的基礎(chǔ)，為了加強(qiáng)理論與實(shí)踐的集合，在課堂教學(xué)中增加專題講座，加強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)識(shí)。（3）發(fā)揮學(xué)生主觀能動(dòng)性，豐富課下活動(dòng)。單自由度體系是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程的基礎(chǔ)部分，為了加強(qiáng)學(xué)生對(duì)這部分內(nèi)容的理解，布置課下作業(yè)，由學(xué)生組成若干個(gè)小組，每個(gè)小組選擇一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，制作成動(dòng)畫形式。

四、專題講座

1.現(xiàn)場動(dòng)力特性實(shí)測。結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)是一門專業(yè)基礎(chǔ)理論課程，內(nèi)容煩瑣復(fù)雜，需要學(xué)生具備扎實(shí)的數(shù)學(xué)、力學(xué)等方面的知識(shí)，而且抽象不具體。因此，為了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使學(xué)生加深對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)課程的認(rèn)識(shí)，我們在講解到單自由度體系阻尼振動(dòng)時(shí)，專門進(jìn)行了一次橋梁荷載試驗(yàn)現(xiàn)場動(dòng)力特性實(shí)測的專題講座。以吉林松原二莫互通四跨鋼—混凝土組合連續(xù)梁為工程實(shí)例，詳細(xì)了該橋進(jìn)行動(dòng)力荷載試驗(yàn)的目的、內(nèi)容和方法。（1）動(dòng)力試驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)康模簶蛄鹤哉裉匦耘c橋梁結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量及其分布有關(guān)，它能從整體上反映橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)。通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的檢測，能從整體上把握橋梁結(jié)構(gòu)的運(yùn)營狀態(tài)。（2）動(dòng)力試驗(yàn)內(nèi)容：橋梁動(dòng)載試驗(yàn)主要完成以下兩方面內(nèi)容：①脈動(dòng)試驗(yàn)：在中跨跨中設(shè)置加速度傳感器，進(jìn)行振動(dòng)信號(hào)采集，可獲得主梁的振動(dòng)頻率；這些頻率可用于結(jié)構(gòu)的參數(shù)分析，進(jìn)一步確定結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布情況。②無障礙行車試驗(yàn)：行車狀態(tài)下，在主梁上安放拾振器，記錄結(jié)構(gòu)在不同車速下的振動(dòng)響應(yīng)，可以得到車輛對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)，并獲得最不利的行車車速。（3）試驗(yàn)結(jié)果。①脈動(dòng)試驗(yàn)：采用脈動(dòng)法通過大利的IBIS-S（形監(jiān)測系統(tǒng)）測量結(jié)構(gòu)的自振特性，圖1測試分析所得的結(jié)構(gòu)頻譜分析圖。測點(diǎn)為中跨跨中，通過頻譜分析圖可以得到結(jié)構(gòu)的基頻，匯總結(jié)果見表1。由表1可知，意大利的IBIS-S（形監(jiān)測系統(tǒng)）測量得到的橋梁基頻分別為2.52，理論計(jì)算得到的橋梁基頻為2.17Hz，與實(shí)測頻率相比偏小，說明結(jié)構(gòu)實(shí)際剛度稍大于計(jì)算值，滿足要求。②無障礙行車試驗(yàn)：無障礙行車試驗(yàn)主要用來檢驗(yàn)橋梁結(jié)構(gòu)在行車狀態(tài)下的動(dòng)力響應(yīng)，測試結(jié)構(gòu)的沖擊系數(shù)和阻尼比等參數(shù)。意大利IBIS-S（形監(jiān)測系統(tǒng)）采用地面雷達(dá)干涉測量技術(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程測試，儀器架設(shè)在邊跨跨中正下方，車速10km/h時(shí)的測試結(jié)果見下圖2所示。根據(jù)實(shí)測得到的動(dòng)撓度曲線圖，從曲線上讀取在動(dòng)荷載作用下最大動(dòng)撓度和其平均值就可以得到橋梁的沖擊系數(shù)，不同車速及不同行駛方向的沖擊系數(shù)表2中。③阻尼比。采用意大利IBIS-S根據(jù)無障礙行車試驗(yàn)跑車余振波動(dòng)，采用波形法可以粗略的計(jì)算結(jié)構(gòu)的阻尼比，測得余振波形圖見圖3。

按照波形阻尼法由實(shí)測波形圖可計(jì)算得結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.0112。一般混凝土橋梁結(jié)構(gòu)阻尼比（0.01～0.08）范圍內(nèi)，可以認(rèn)為該橋的阻尼比相對(duì)較小，反映出鋼—混凝土組合梁橋的動(dòng)力特性，振動(dòng)衰減要慢于一般的混凝土橋梁。

2.抗震入門介紹。在課程講到多自由度體系時(shí)，增加了一次抗震入門介紹的專題講座，介紹了地震動(dòng)多維輸入和多點(diǎn)動(dòng)輸入問題。

五、教學(xué)效果

通過這門課程的學(xué)習(xí)加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的這門課程的認(rèn)識(shí)，使學(xué)生既掌握了扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，又能和工程實(shí)踐聯(lián)系起來，解決工程問題。（1）學(xué)生學(xué)習(xí)興趣濃厚，思維靈活，對(duì)問題有自己的見解。（2）善于思考，勇于質(zhì)疑。課堂氣氛活躍，學(xué)生們均有所收獲。（3）結(jié)合課堂教學(xué)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、分析和解決問題等能力與綜合素質(zhì)得到提高和加強(qiáng)。（4）課堂教學(xué)效率達(dá)到較好水平。

參考文獻(xiàn)：

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