關(guān)于清華校園建筑震害預(yù)測程序及在土木工程教學(xué)中的應(yīng)用研究分析
1引言
建筑結(jié)構(gòu)抗震分析是土木工程專業(yè)教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。一方面，它涵蓋地震工程、抗震工程、結(jié)構(gòu)動力學(xué)等多種專業(yè)知識，內(nèi)容豐富，綜合性強(qiáng);另一方面，實(shí)際教學(xué)過程中，這些知識通常是在幾門獨(dú)立的專業(yè)課程中分別教授的，學(xué)生不易整體把握所學(xué)知識。在這種傳統(tǒng)的教學(xué)方法下，學(xué)生能較好地掌握各門課程的基礎(chǔ)知識和理論方法，但缺乏一個(gè)綜合平臺幫助學(xué)生融會理解、實(shí)際運(yùn)用這些分散的知識。
其實(shí)，大學(xué)校園本身便是一個(gè)合適的綜合平臺，可以提供開展科學(xué)探究所需的各種基本教學(xué)資源，從這個(gè)角度來說，校園是一個(gè)鮮活的實(shí)驗(yàn)室�！靶@實(shí)驗(yàn)室”(Campus As Laboratory, CAL)這個(gè)概念，最初由普林斯頓大學(xué)于2011年提出。具體到建筑結(jié)構(gòu)抗震分析，特別是區(qū)域建筑抗震分析來說，大學(xué)校園建筑不僅結(jié)構(gòu)類型多樣、跨越年代廣泛，提供了豐富全面的研究對象，而且數(shù)據(jù)資料容易獲取，甚至還能獲得部分建筑的設(shè)計(jì)詳圖，有利于建立結(jié)構(gòu)分析模型。
“清華校園建筑震害預(yù)測程序”就是清華大學(xué)“校園實(shí)驗(yàn)室”項(xiàng)目的成果之一。該程序以清華大學(xué)校園建筑為研究對象，以身邊的科學(xué)間題為切入點(diǎn)，較之相對枯燥的書本知識，貼近生活的案例更易激發(fā)學(xué)生的探索熱情。同時(shí)，學(xué)生可利用該程序直觀地理解、鞏固并綜合運(yùn)用所學(xué)知識，提高實(shí)踐和創(chuàng)新能力，甚至以此為平臺進(jìn)行更深入的研究探索。此程序可以用于《土木工程概論》、《結(jié)構(gòu)動力學(xué)》、《抗震工程概論》、《防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)》等課程的輔助教學(xué)。
2清華校園建筑震害預(yù)測程序
“清華校園建筑震害預(yù)測程序”(以下簡稱“震害預(yù)測程序”)，由清華大學(xué)土木工程系開發(fā)完成。通過網(wǎng)絡(luò)搜索以及實(shí)地調(diào)研等方法，收集了清華大學(xué)絕大部分校園建筑的坐標(biāo)、層數(shù)、層高、建造及加固年代、結(jié)構(gòu)類型等基本宏觀信息。利用這些信息，為各個(gè)建筑生成相應(yīng)的剪切層模型，在用戶選定的地震動下，對這些校園建筑進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，并直觀地展示整個(gè)清華校園建筑在地震作用下的響應(yīng)和破壞狀況。
依據(jù)輸入文件中提供的結(jié)構(gòu)層數(shù)等宏觀信息，基于美國Hazus軟件的調(diào)查統(tǒng)計(jì)和該程序開發(fā)者的研究工作，計(jì)算得到結(jié)構(gòu)的各階周期、各層層間骨架線和滯回參數(shù)以及各個(gè)破壞狀態(tài)對應(yīng)的層間位移角限值等，建立剪切層模型，從而在指定的地震動作用下，進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，得到結(jié)構(gòu)的時(shí)程響應(yīng)。
該程序包含以下功能模塊:建筑結(jié)構(gòu)信息的讀取與編輯、地震波的可視化選擇與反應(yīng)譜的生成、清華校園建筑在地震作用下的響應(yīng)分析計(jì)算、以及結(jié)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)程和破壞情況的直觀展示等。由于各個(gè)模塊都具有豐富的表格、曲線甚至是動畫功能，能直觀、生動地呈現(xiàn)從模型建立到結(jié)果顯示等整個(gè)震害分析過程，加之所選擇的分析對象是學(xué)生所熟悉的校園建筑，因此該程序可為結(jié)構(gòu)動力學(xué)、地震工程等多個(gè)土木工程專業(yè)學(xué)科的教學(xué)提供幫助:不僅能使相關(guān)專業(yè)知識更形象、易于學(xué)生接受和理解，同時(shí)還能為感興趣的學(xué)生進(jìn)行諸如地震損失評估等更深入的研究提供一個(gè)基礎(chǔ)平臺。
3清華校園建筑震害預(yù)測程序在土木工程專業(yè)學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用
3.1結(jié)構(gòu)抗震工程
“震害預(yù)測程序”的建筑結(jié)構(gòu)信息讀取與編輯模塊，包含剪切層模型、結(jié)構(gòu)層間滯回關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)及對應(yīng)的層間位移角限值等結(jié)構(gòu)抗震工程專業(yè)知識，可用于輔助其教學(xué)工作。輸入或修改結(jié)構(gòu)的層數(shù)、結(jié)構(gòu)類型、建設(shè)年代等信息，該程序會白動計(jì)算層間滯回參數(shù)等的取值。其中，對于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，采用修正的Clough層間滯回模型進(jìn)行模擬;對于鋼結(jié)構(gòu)，采用理想彈塑性模型模擬;而其它以剪切變形為主的結(jié)構(gòu)，則使用捏攏模型作為滯回規(guī)則。同時(shí)，也可以手動修改這些取值，程序會實(shí)時(shí)更新對應(yīng)的滯回曲線的形狀。
以上功能有助于學(xué)生理解層間滯回參數(shù)的概念和意義，探討不同結(jié)構(gòu)類型的層間滯回特點(diǎn)。結(jié)合“震害預(yù)測程序”的分析計(jì)算和結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)展示，可以進(jìn)一步探究不同結(jié)構(gòu)類型、滯回性能等因素對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。
3.2結(jié)構(gòu)動力學(xué)
“震害預(yù)測程序”提供對剪切層模型的周期和振型計(jì)算功能。例如，一個(gè)四層結(jié)構(gòu)的頻率和一階振型。調(diào)整阻尼比等參數(shù)，并重新計(jì)算，可以分析各個(gè)參數(shù)對結(jié)構(gòu)頻率和振型的影響，加深認(rèn)識多白由度體系的白振規(guī)律;選擇不同的校園建筑，可以對比不同類型建筑的結(jié)構(gòu)動力學(xué)性質(zhì)差異。學(xué)生還可利用程序所提供的結(jié)果與白己手算的結(jié)果進(jìn)行對比，進(jìn)一步鞏固課程中所學(xué)的知識。
3.3地震工程概論
地震動的主要特性可由反應(yīng)譜和加速度時(shí)程曲線等加以刻畫。一般的教學(xué)通常側(cè)重于講解反應(yīng)譜的概念、利用加速度時(shí)程計(jì)算反應(yīng)譜的原理、以及根據(jù)規(guī)范反應(yīng)譜進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的方法步驟等。學(xué)生可以根據(jù)相關(guān)公式和中國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)的規(guī)定掌握簡單的結(jié)構(gòu)地震作用的計(jì)算，但不易直觀地認(rèn)識普通反應(yīng)譜與規(guī)范給出的設(shè)計(jì)反映譜的區(qū)別、基本烈度與超越概率對規(guī)范反應(yīng)譜形狀的影響等。
“震害預(yù)測程序”中地震波可視化選擇與反應(yīng)譜生成模塊所提供的功能。將其用于地震工程概論的課程教學(xué)，可以清晰地展現(xiàn)幾個(gè)著名地震波的時(shí)程曲線，并方便地生成指定峰值加速度(PGA)下這些加速度時(shí)程曲線對應(yīng)的反應(yīng)譜。將反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜繪制在同一區(qū)域，可以對比二者的區(qū)別與聯(lián)系，體現(xiàn)規(guī)范反應(yīng)譜的特點(diǎn):它是為方便工程計(jì)算而進(jìn)行的簡化處理方法。此外，8度罕遇地震對應(yīng)的規(guī)范反應(yīng)譜與PGA為0.4g的加速度時(shí)程對應(yīng)的反應(yīng)譜相比，其最大反應(yīng)比較接近，這類對比有利于幫助學(xué)生理解抗震設(shè)防烈度和設(shè)計(jì)基本地震加速度的對應(yīng)關(guān)系。
3.4防震減災(zāi)
在給定地震動和PGA的條件下，“震害預(yù)測程序”可進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析，并能在分析結(jié)束后，直觀地呈現(xiàn)校園建筑的樓層位移響應(yīng)時(shí)程、詳細(xì)信息和最終破壞情況。
在防震減災(zāi)教學(xué)過程中，“震害預(yù)測程序”可以有以下應(yīng)用:
1)比較分析不同結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)。
該程序中建立了清華大學(xué)校園中600多棟建筑的模型，不僅包含鋼筋混凝土框架、鋼框架、框架剪力墻、砌體結(jié)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)類型，而且包括不同年代、不同高度的`結(jié)構(gòu)。在給定地震動作用下，可以比較分析這些不同類型的結(jié)構(gòu)在地震作用下的響應(yīng)特點(diǎn)，使學(xué)生加深對地震作用的認(rèn)識。例如，觀察整個(gè)校園的破壞和倒塌情況可知，一般砌體結(jié)構(gòu)和建筑年代較早的結(jié)構(gòu)破壞較嚴(yán)重。
2)比較不同地震波對結(jié)構(gòu)的作用。
一方面，學(xué)生可以選擇并觀察漢川波等幾條典型地震波對結(jié)構(gòu)的作用，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣;另一方面，還可以對比不同地震波對結(jié)構(gòu)的作用，通過觀察這些地震波對應(yīng)的反應(yīng)譜的特點(diǎn)，可以體會反應(yīng)譜的物理意義。例如，反應(yīng)譜峰值對應(yīng)的周期較短的地震波，對低層結(jié)構(gòu)等周期較短的結(jié)構(gòu)破壞性更大;反應(yīng)譜峰值對應(yīng)的周期較長的地震波，則對中高層結(jié)構(gòu)等周期較長的結(jié)構(gòu)破壞性更大。
3)展開更深入的探索研究。
“震害預(yù)測程序”還為學(xué)生展開更深入的探索提供了平臺。例如，可以通過收集校園建筑的財(cái)產(chǎn)、人員分布情況等信息，并添加到“震害預(yù)測程序”中，從而探索校園建筑地震損失評估方法;可以將校園道路抽象成無向圖等適當(dāng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用圖論中的Dijkstra算法考慮人群的疏散交通需求，綜合“震害預(yù)測程序”計(jì)算得到的建筑破壞與倒塌情況，進(jìn)行震后應(yīng)急疏散的研究等。學(xué)生可以充分利用熟悉的校園環(huán)境，采集所需數(shù)據(jù)，整合至“震害預(yù)測程序”中，進(jìn)行各種有意義的學(xué)習(xí)探索，更好地掌握和運(yùn)用防震減災(zāi)知識。
4結(jié)論與展望
本文介紹了“清華校園震害預(yù)測程序”的主要功能，并結(jié)合現(xiàn)有土木工程教學(xué)中存在的難點(diǎn)及間題，分析了該程序在結(jié)構(gòu)抗震工程、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、地震工程以及防震減災(zāi)等課程教學(xué)中的作用和價(jià)值。該程序結(jié)合校園實(shí)驗(yàn)室的概念，提供學(xué)生所熟悉的校園建筑作為研究對象，不僅能激發(fā)學(xué)習(xí)熱情，加深對相關(guān)課程知識的理解，更能為學(xué)生的科研與創(chuàng)新提供一個(gè)很好的平臺。可以用于《土木工程概論》、《結(jié)構(gòu)動力學(xué)》、《抗震工程概論》、《防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)》等課程的輔助教學(xué)。
目前，“震害預(yù)測程序”暫時(shí)無法考慮不同位置的結(jié)構(gòu)作用不同的地震動，也不包含建筑的財(cái)產(chǎn)、人員分布情況等信息，無法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)損失評估。因此，該程序的開發(fā)人員和感興趣的學(xué)生可以在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展其功能，使之能考慮多點(diǎn)地震動輸入和地震經(jīng)濟(jì)損失評估等問題。
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