沈之容， 宁帅朋

(同济大学 建筑工程系， 上海　200092)



实验课程改革

建筑结构动力特性实验课程教学设计

沈之容， 宁帅朋

(同济大学 建筑工程系， 上海200092)

建筑结构动力实验是建筑结构实验课程重要组成部分。基于门式刚架知识点贯通的理念，在实验课程教学中设计了平面刚架模型的动力特性教学实验，通过课堂教学和实践操作使学生掌握一般结构动力特性的实验方法和数据分析方法，同时引导学生结合前修专业课程“结构力学”和“工程软件应用”，分别用理论和数值分析方法获得平面刚架的动力特性，并与实验结果相互验证，学生获得新知识的同时也巩固了已学知识，达到知识的融会贯通。

结构实验； 动力特性； 平面刚架； 教学设计

近年来随着各类建筑越来越大型化、复杂化，工程设计往往要解决抗震、抗风等问题，这就需要了解和研究结构的动力特性及其在风荷载、地震作用下的动力响应。结构实验是发展结构理论和解决工程计算方法的主要手段之一，与结构理论、结构计算一样在结构工程学科发展中已成为重要的一极[1]。由于教学学时数的限制和缺少相应的动力实验教学设备，目前我校“建筑结构试验”课程大纲中未安排结构动力实验方面的教学内容，而在土木工程专业本科生教学中都会有相关课程讲授结构动力学方面的理论知识。教学计划不仅要符合当代需要，还要注意现行标准、知识更新、学科发展趋势以及与专业性内容的衔接[2]。教育部、中国工程院关于《卓越工程师教育培养计划通用标准》的通知中就指出，本科工程型人才要具有分析、提出方案并解决工程实际问题的能力，具有较强的创新意识和进行产品开发和设计、技术改造与创新的初步能力[3]，而实践教学在教育教学过程中既独立于理论教学，又与之相辅相成，共同构成大学完整的教学体系[4]，是本课程教学过程中的一个极其重要的教学环节，加强实践教学，注重学生创新精神和实践能力的培养是必不可少的，因此急需转变实验教学模式[5]，构建建筑结构动力实验的教学平台，进行演示和操作结构动力实验，为本科生提供良好的学习和实践的机会。

1　教学实验设计

目前国内开设结构动力教学实验的高校多数是以受弯构件为实验对象的[6]，而我们基于知识点贯通理念，选择了目前广泛应用于工业建筑的门式刚架为工程背景，以单跨单层平面刚架作为实验对象，自主设计了试件和实验装置，开发了刚架结构动力特性教学实验，结合建筑结构试验室现有动态信号测量仪器确定了加载和量测方法，测试其动力特性，还指导学生分别通过结构工程软件和结构动力学基本理论来分析试件的动力特性，并与实验结果进行互相验证，学生通过课堂学习和实践操作不仅能掌握结构动力特性实验测定方法，提升实践操作能力，还能巩固已学知识，使知识更有连贯性。

1.1指导思想

课程体系合理化、教学内容优化、实验研究能力强、社会适应面宽、有时代特色和社会需求基础是本次实验课程建设的基本指导思想。实验对象采用的是单跨单层平面刚架，这与我校土木工程专业之前开设的课程“建筑钢结构设计”及其课程设计中的知识点——门式刚架可以贯通。学生在上述课程中已经学习了门式刚架的设计原理、设计过程、施工图绘制等知识，在结构实验课程中可学习到通过实验方法得到其结构动力特性。通过结构实验课程的理论学习与实践，加深对门式刚架动力特性的理解，使所学知识结构更完整。

教学实验采用了基本实验和拓展实验2个层次[7-8]。基本实验针对全体学生，要求实验实施、实验分析、理论计算与数值分析由学生独立或协作来完成，达到基本教学要求。拓展实验则针对学有余力或今后有志学业深造的学生，教师指导、引导和鼓励学生自主设计实验和创新，体验创新过程，培养创新意识、综合解决问题的能力和团队合作能力，为将来的学业深造和科学研究打下基础。

1.2实验目的和原理

实验目的：掌握测定结构动力特性参数的基本原理；掌握结构动力特性实验中常用量测仪器的使用方法，了解其主要技术指标，熟悉结构动力特性实验的基本操作流程；掌握整理和分析实验数据的方法。

基本实验中激振方法采用自由振动法，其原理是通过外力使平面刚架顶部在平面内产生侧向初位移后突然释放，或借助瞬时冲击荷载使之产生一个初速度，以激起平面刚架的自由振动。振动后其中的高阶振型由于阻尼较大，很快衰减，只剩下基本振型的自由衰减振动，从而求得平面刚架的基本频率和阻尼比。通过量测同一时刻的各点振动幅值，求得其基本振型。

拓展实验要求学生用其他激振方法来获得结构的动力特性，例如用强迫振动法来测试结构动力特性的基本参数，其原理主要是对平面刚架施加强迫振动后形成结构的共振，通过采集结构振幅和激振频率之间关系来确定结构的基本自振频率。此外可鼓励学生进行结构动力加载实验，通过查阅文献、拟定实验方案、采用不同的动力加载方式获得平面刚架的位移、速度、加速度等动力响应参数，从而培养学生探索和研究的兴趣，增强学生的动手能力和研究能力。

1.3试件、加载及测量仪器

(1) 试件。实际工程中门式刚架梁和柱采用焊接工字钢，梁柱节点采用高强度螺栓摩擦型连接，考虑到实验采用模型试件[9]，没有小规格的工字钢构件，试件刚架梁和柱采用方钢管40 mm×3 mm，材质为Q235B钢，柱高度为1.5 m，梁跨度为1 m，柱脚与实验台座用锚栓在平面内固接，梁柱节点采用对接焊缝连接替代实际工程中的螺栓连接。平面刚架试件轴线尺寸和加速度传感器布置图及实验现场照片见图1、图2。

图1　平面刚架试件轴线尺寸和加速度传感器布置图

图2　实验现场照片

(2) 数据采集系统。数据采集仪器采用DH5922N通用型动态信号测试和分析系统以及配套的DH105E型压电式加速度传感器[10]。

(3) 加载方式及数据采集。正式实验时先启动数据采集程序，在刚架梁柱节点处平面内施加2.2 mm的水平初位移后释放，试件开始自由振动，同时执行连续采集，采集时间为50 s。

1.4实验结果及分析

根据数据采集仪器得到的数据，既可以由分析系统程序分析(通过快速傅里叶变换)求得自振频率为17.09 Hz(见图3)，也可从采集的数据中截取一段，例如选取某一段时间间隔为1.76 s的30个振动周期(见图4)，可求得每个振动周期为0.0587 s，即得到自振频率为17.05 Hz，同时可求得结构阻尼比：

(1)

式中，N为周期数，a1和a2分别是截取数据中的第1和第30个周期的加速度值。

图3　频谱分析结果

图4　截取部分数据分析

1.5数值和理论分析

数值分析时可引导学生分别采用目前主流的2款结构有限元分析软件ANSYS和SAP2000对试件进行模态分析，这部分内容与学生前修的“工程软件应用”课程内容相衔接。

(1) 采用ANSYS分析刚架动力特性。ANSYS建模[11]时构件规格均与试件相同，数值模型采用Beam188单元，取钢材弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，材料本构关系为理想的弹塑性模型。ANSYS计算的平面刚架前3阶自振频率分别为：12.65 Hz(刚架平面外平动振型)、20.54 Hz(刚架平面内平动振型)和28.56 Hz(扭转振型)，其中前2阶振型见图5、图6。

图5　ANSYS分析得到的刚架一阶振型图

图6　ANSYS分析得到的刚架二阶振型图

(2) 采用SAP2000分析刚架动力特性。SAP2000建模[12]时选择的构件规格、材质也与试件相同。SAP2000计算的刚架结构前3阶自振频率分别为：12.47 Hz(刚架平面外平动振型)、20.34 Hz(刚架平面内平动振型)和27.80 Hz(扭转振型)，其中前2阶振型图见图7、图8。

图7　SAP2000分析得到的刚架一阶振型图

图8　SAP2000分析得到的刚架二阶振型图

(3) 集中质量法分析刚架动力特性。该法运用结构力学理论知识将平面刚架的连续分布质量集中在横梁处，其余位置不再存在质量，这样将无限自由度结构转化为有限自由度结构，计算简图如图9所示。用力法计算出结构在单位力作用下的弯矩图如图10所示。由刚度法计算可求得δ：

(2)

图9　集中质量法计算简图

图10　单位力作用下的刚架弯矩图

1.6结果对比分析

综合以上实验结果和分析得到的平面刚架基本自振频率列于表1，由于试件所受的平面内激励与第2振型方向一致，因而数值分析结果取其平面内频率作为刚架基本自振频率。

表1　各种方法得到的平面刚架基本自振频率　Hz

从表1中可看出实验结果比数值和理论分析值要偏小，分析其原因如下：

(1) 试件柱脚约束不足，无法达到完全刚接的效果，降低了刚度，使得实验结果偏小。

(2) 试件梁柱节点虽然采用对接焊接的形式，但由于试件壁较薄，振动过程中梁柱仍存在相对转角，无法达到完全刚接的效果，降低了刚度，造成实验结果偏小。

(3) 数值分析时未考虑加速度传感器产生的附加质量，由于加速传感器单重为0.165 kg，布置在梁端，客观上增大了结构质量，使得数值分析结果偏大。运用ANSYS分析加上传感器质量后的刚架得到的自振频率降低到20.2 Hz。

以上偏差原因分析在教学过程中可要求学生来进行，还可进一步指导学生改进试件及实验装置，使得实验结果和数值、理论分析更接近。

2　结语

现代结构实验的发展趋势已从粗放型研究逐渐过渡到精细化研究，这就要求有详细的实验方案和实验计划，更需要有创新性思维。本次建筑结构动力特性教学实验设计基于门式刚架知识点的贯通理念，以工程为背景，充分利用实验室现有仪器设备，针对不同层次的学生进行差异化教育，也就是因材施教，使学生除了掌握建筑结构动力特性实验的基本知识和基本技能外，还能根据设计、施工和科研任务的需要，完成一般建筑结构的动力实验设计和分析工作，为本科生将来毕业后，无论是踏上工作岗位，还是学业深造和科学研究打下良好的基础。

References)

[1] 姚振纲，刘祖华.建筑结构试验[M].上海：同济大学出版社，1996.

[2] 同济大学教学质量保证体系研究项目组.大学本科教学质量保证体系研究[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3] 教育部,中国工程院.卓越工程师教育培养计划通用标准[EB/OL].[2013-12-05].http://www.moe.gov.cn.

[4] 张忠福.建立以能力培养为中心的实践教学体系[J].实验技术与管理,2011,28(2):11-14.

[5] 黄永琴.论实验教学改革与创新人才培养[J].实验技术与管理，2001，18(4):54-56.

[6] 沈之容.浅谈建筑结构试验课程教学改革[J].教育教学论坛.2015(6):83-84.

[7] 王守信，郭 萍.高等学校实验教学分层次培养模式探讨[J].实验技术与管理,2012，29(1):23-25.

[8] 李琮琦,曹大富.建筑结构实验教学的改革与实践[J].淮海工学院学报:社会科学版,2010,8(2):122-124.

[9] 肖岩,易伟建.结构实验学的发展[J].建筑结构学报,2009,30(6):16-22.

[10] 徐教宇,陶里,张彬彬,等.结构动力性能测试技术[J].建筑科学，2011，27(增刊1):139-142.

[11] 王敏新.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[12] 北京金土木软件技术有限公司，中国建筑标准设计研究院.SAP2000中文版使用指南[M].2版.北京:人民交通出版社，2011.

Teaching design on dynamic characteristics experiment of Building Structure course

Shen Zhirong， Ning Shuaipeng

(Department of Structural Engineering， Tongji University ，Shanghai 200092，China)

The building structure dynamic experiment is an important part of Building Structure course. Based on the idea of correlating with knowledge of the portal rigid frame, the dynamic characteristics experiment of the plane rigid frame model is designed in the teaching experiment. Students can master the experiment method of the structural dynamic characteristics and data analysis method through classroom teaching and practice. The students are guided to integrate the knowledge of Structural Mechanics and Engineering Software Application courses by the theoretical and numerical analysis method to obtain the dynamic characteristics of plane rigid frame, which is compared with experimental results. The students can acquire new knowledge and also have strengthened the knowledge, to achieve digesting the knowledge.

structure experiment； dynamic characteristics；plane rigid frame；teaching design

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.056

2015- 06- 18

同济大学“第八期实验教学改革专项基金项目”(0200104268)

沈之容(1970—)，男，浙江宁波，工学博士，副教授，研究方向为钢结构教学和科研.

E-mail：shenzhirong1115@126.com

G423.07

A

1002-4956(2016)1- 0211- 04