土木工程毕论文范文

导语：如何才能写好一篇土木工程毕论文，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：毕业论文；指导课程；土木工程

基金项目：江西科技学院校级教改课题“基于CIDO模式下《土木工程材料》课程教学改革研究”（编号：JY1504）。

1 前言

毕业论文是土木工程专业学生大学本科教育过程的最后一个环节，是对大学四年所学专业课程的全面总结，也是对之前各个教学的继续深化与拓宽[1]。毕业论文的完成情况不仅能反映出每个学生专业知识的掌握情况、科研思维的方法、写作水平的高下，也能折射出学校教育教学的质量和水平[2]。但是，在目前高校的教学实践中，大量的毕业设计出现雷同情况，学生的能力培养欠缺，出现大批毕业生面临就业压力，而设计、施工单位却寻觅不到合适人才的状况。

针对此种情况，本文从土木工程专业本科毕业论文存在问题及如何提高土木工程专业本科毕业论文质量两方面加以分析，为进一步提高《毕业论文指导》课程教学质量提供参考。

2 土木工程专业毕业设计存在问题

2.1 选题单一或脱离实际

题目决定毕业设计的内容，课程概念多、实践性强。但土木工程学院学生毕业论文题目大多集中在钢筋混凝土框架结构，预应力简支T梁上部结构设计，或者辅以施工组织设计，沉降观测等。而钢筋混凝土框架结构又以3-4层多层框架结构为主。主要是因为毕业设计要求本科生结合4年所学专业知识，所以基本以手算为主。而结构又必须考虑地震荷载作用下的内力计算，只有底部剪力法可通过手算完成。反应谱振型分解法及时程分析法均需靠电脑才能完成。只有框架结构属于剪切变形为主，符合底部剪力法的适用条件。所以这也就是毕业设计以框架结构设计为主的原因。

2.2 大多数学生专业知识没学好，毕业设计难于入手

学生基本都是根据教师提供的任务书进行结构设计并绘制施工图。但很多学生建筑图纸部分就耗费大量时间。后面的结构布置已经丧失信心，能简便则简便。

至于结构设计中的重难点，学生往往更难把握。楼板设计及次梁设计属毕业设计的次要内容。水平荷载及竖向荷载作用下内力计算是毕业设计的重点。很多学生往往对力学基础课程掌握不扎实，对于弯矩二次分配法的应用更是无从下手。

同时，荷载效应组合及梁柱截面设计通常是毕业设计的难点。如果学生能坚持手算到最后，那么内力组合也就会通过请教与自学来完成此次毕业设计任务。

2.3 施工图纸不符合现行规范标准

很多学生在进行冗长的手算完成后，往往还是对自己所做的论文题目缺乏清晰的思路。所以图纸也只是仿造同学的图纸，修改开间进深的尺寸及配筋。其中有很多不合规范之处。而毕业设计质量的关键就在于图纸的质量。

2.4 指导教师水平有待提高

指导教师的专业知识水平、论文指导能力直接影响本科毕业论文工作，从指导选题、写作到答辩，指导教师的作用至关重要。选题是毕业设计的源头，毕业论文水平的高低直接取决于选题方向。但现在许多指导教师给的选题方向偏大、任务过重，还存在偏难，或者与专业不对口的问题，超出本科生毕业设计能力水平。加之指导教师本身教学与科研任务繁重，无法分担太多精力指导学生，学生自己在摸索过程中容易犯错，致使学生在毕业设计写作过程中与指导教师沟通不畅或者教师指导不力的情况发生。

3 土木工程专业毕业设计改革建议

3.1 选题多元化。

根据指导老师的课题研究方向或是工程实际项目，或者参考学生毕业实习岗位，制定与之相适应的毕业设计题目，尽可能真题真做。同时题目难易程度也应适中，能够体现目前研究发展的主要方向及前沿问题，能够对学生知识面有所扩充。

3.2 严格要求学生并认真指导

毕业答辩前对学生进行预答辩，或者阶段性审查。及时发现学生毕业设计中的问题并督促其整改。对检查不过关或是预答辩不过关的学生，推迟其答辩时间或是取消答辩资格，整体学风起到杀一儆百的作用。

同时，指导老师也应加强督促，并定期追踪指导学生毕业设计进展情况。如果所带学生数较多，还应集中指导所有学生，并合理规划各学生进度。对设计能力较强的同学，可要求更严格后期准备推优。对进度较慢的同学加强检查力度，加大检查频率。主要教会学生理清设计思路，运用正确的设计理论及设计方法，教会学生学会参考规范及查阅相关资料能力。

3.3 参考国家标准规范制图

国家分别制定了《建筑设计制图标准》及《结构设计制图标准》，很多按自己制图习惯绘图的习惯应督促其整改。甚至有些同学动手能力较弱，对计算机的操作能力尚欠缺。教师不可能手把手进行指导，应充分发挥组员团队合作能力，采取帮扶政策，引导动手能力较强的同学帮助动手能力较弱的同学。

4 结论

目前，大学毕业生流行“毕业就失业”，主要是学生在大学四年没有学会解决实际问题的能力及创新能力。很多学生大学四年混混沌沌、迷迷茫茫中度过，平时课堂也难以集中注意力。教师应及时发现学生优势，并鼓励学生深层探究，大力培养学生创新能力，解决实际问题能力及合作交流能力。这样学生才能在毕业前的3年里学有所获，不至于毕业设计无从下手。

本文主要从3方面阐述了目前土木工程本科毕业设计所存在的问题，并提出了相应的整改建议。毕业设计是体现学生综合能力的最后环节，也 学校本科评估的主要支撑材料，学校及学生均应引起重视，并提高毕业设计完成质量。

参考文献

[1] 刘丽萍.土木工程专业毕业设计实践探索[J].安徽工业大学学报（社会科学版），2015（3）.

[2] 陈兰.土木工程专业毕业设计若干问题剖析[J].东南大学学报，2012（14）：24-27.

[3] 周红星，李兵，赵瑞芬.应用型本科院校提高学生毕业论文质量的探索[J].教育与职业，2012，（12）：177～178.

[4] 刘正远，段玉玺.本科毕业论文选题质量的探索与实践[J].辽宁科技学院学报，2009，（03）.

[5]季民，马德刚.建立毕业设计管理体系提高毕业设计质量[J].中国大学教学，2007（05）.

[6] 欧孝夺.基宽口径土木工程专业毕业设计（论文）的实践与探索[J]，广西大学学报，2005（30），16～19.

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1．1毕业设计选题缺乏创新，深度不够

毕业设计选题缺乏创新体现在以下三方面:1)目前，毕业设计还以指导老师指定题目为主，这就造成了每一届毕业生的毕业设计题目相似，甚至一模一样;2)毕业设计的选题单一，教学楼、办公楼占85%以上，而住宅、工业建筑、地下工程很少涉及;3)从设计的结构形式看，均为框架结构的多层或小高层，而框架剪力墙结构、框筒结构的高层或超高层基本没有。由于设计选题缺乏创新，很多毕业设计都可以照抄参考书、教材的例题和往届毕业设计，而没有起到让毕业生独立设计、综合利用理论知识的目的。笔者翻阅了我校近5年的毕业设计，抄袭率高达60%。由于框架的多层或小高层以板—次梁—主梁—柱为传力体系，且基础都采用简单的独立基础或条形基础。这造成了设计的选题深度不够，未能利用最新的设计方法和理念。

1．2毕业设计选题脱离工程实际

一个与工程实际贴近的选题是保证毕业设计质量的前提和关键之一。然而，目前国内很多高校土木工程专业没有足够的校外实践基地，缺乏选题来源，这就导致了指导老师布置的题目以“假题假做”为主，在做的过程中忽略了很多工程实际问题。这就造成了从选题到设计再到最后的答辩都脱离了工程实际。因此目前土木工程毕业设计还停留在理论利用阶段，而不能起到培养学生利用理论知识解决工程实际问题的实践意义。

1．3管理松散

以我校为例，指导老师每周对学生集中辅导一次，缺乏严格的考勤制度，导致很多学生在整个毕业设计阶段脱离了指导老师的管理。每个指导老师指导10个～20个毕业生，在有限的时间内指导老师通常解答一些常见的问题，不能仔细检查学生的设计进度和设计过程。甚至有些学生提前到工作单位上班，把毕业设计带到工作岗位上完成，没有指导老师进行实时辅导，导致这些学生的毕业设计中存在大量的错误来不及改正。

1．4缺乏完善的答辩评审制度

完善的答辩评审制度是毕业设计质量的有效保障。然而有些高校流于形式，没有可供参考的评审制度，对设计成果把关不严，放任设计成果中存在的问题。甚至有个别高校存在指导老师个人对本组结果进行答辩评审的现象。在答辩评审中往往注重理论知识、规范规程的考察而忽视设计图纸的规范化、设计成果的可行性等工程实际考察。不能在实际工程中实施的设计对毕业生理论联系实际、工程素养的形成起不到培养意义，严重影响毕业生的培养质量。综上所述，目前高校土木工程毕业设计从选题、指导、答辩评审都脱离了工程实际，导致了毕业设计的质量不高，达不到预期的培养目标。因此土木工程毕业设计改革是当前教学改革亟待解决的一个问题。

2改革措施

2．1科学选题

科学的选题是保证毕业设计质量的前提。在选题的过程中应增加学生的主观能动性，结合自己将来的就业方向和兴趣初步确定选题方向(如结构设计、施工组织设计、概预算等方向)。指导老师提供实际工程项目或科研项目作为备选设计题目。废除当前指导老师指定学生的制度，由指导老师向所有毕业生提供备选设计题目，实行指导老师和学生的双向选择。学生选定指导老师和设计题目后根据自己的工程认识程度和兴趣与老师共同协商确定最终设计题目。毕业设计题目要包含最新的设计方法、理念或技术方法，提高毕业设计的创新性;增加毕业设计中复杂问题的处理，保证设计的深度。受毕业设计时间所限，为保证学生有充足的时间完成毕业设计，指导老师要合理安排好设计工作量。

2．2完善师资结构

由于很多博士生、研究生从高校毕业后直接进入高校工作，缺乏工程实践经验。当前的师资队伍与实践教学的要求还存在较大的差距。为解决指导老师自身实践经验不足的问题可采取以下措施:1)形成由2个～3个年轻教师和经验丰富的老教师组成的指导教师组，既能保证指导教师具备一定的工程经验又能帮助青年教师的成长;2)聘请施工单位、设计院有丰富工程经验的一线工程师指导毕业设计，这还能解决逐年扩招下师资力量不足的困难。

2．3强化管理过程

指导老师对毕业设计的具体指导过程是保证毕业设计质量的关键因素。目前很多指导老师由于承担的教学和科研任务较重而疏于管理。指导老师在设计开始前制定一个毕业设计进度计划表，严格要求学生按照进度计划表完成工作量。在每一个阶段开始之前以授课的形式对学生进行一次集中辅导，每周进行2次～3次答疑帮学生解答设计中碰到的复杂问题。在进度计划表的每一个时间节点检查每一个学生的设计进度和设计过程中存在的问题，督促学生及时完成任务和改正设计中存在的问题。此外，还要严格考核制度，要求学生执行每天定点签到制度，防止学生脱离指导老师的管理。

2．4完善毕业答辩体系

答辩是对毕业设计质量和学生综合利用理论知识解决工程实践问题的考核。完善的答辩体系能为答辩委员会老师提供答辩标准，严格把关毕业设计的质量。完善的答辩体系可以从以下几方面进行构建:1)成立由不同专长的教师、工程师共同组成的答辩委员会，且指导老师不能对本组学生答辩;2)明确答辩过程中要考察的内容，包括开题报告、计算书、图纸及实际问题的解决能力;3)确定计算书、图纸中具体考察点;4)确定各考察内容的权重，如开题报告、计算书、图纸、解决问题的能力各占10%，30%，30%，30%;5)明确计算书的格式、图纸的规范化的权重;6)制定毕业设计创新性加分策略，鼓励学生创新。

3结语

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关键词：地下工程；全英文教学；教学方式；考核方式

中图分类号：G642文献标志码：A文章编号：10052909（2012）06009603目前，中国以高速铁路、城市轨道交通、高层建筑和高速公路等为代表的基础设施建设正在如火如荼地进行，这就需要大批从事地下工程建设的土木工程师。在全球化的影响下，国内外大中型建设项目在勘测、设计、施工、顾问咨询和管理等领域内普遍采用全球范围内的招投标与合作方式，行业内的各种学术交流如出国进修、技术论文的发表、国际研讨会的召开也越来越频繁。麦肯锡2008年的研究表明，国际化人才的短缺已经成为中国企业适应国内挑战，实现全球抱负的最大障碍，中国高校应致力于提高学生的英语水平［1］。土木工程专业英语作为专业知识传播、交流的媒介，已成为既有土木工程专业方面知识，又具有全球视野和国际交往能力的复合型人才的必备工具。

同济大学一直注重具有国际视野的土木工程师的培养［2-3］。为了实现这一目标，同济大学在国际化办学和办学国际化方面做了大量的工作，前者旨在扩大对欧美西方国家的招生，后者旨在改变当今绝大多数本科课程仅用中文教学的现状，近来开设的英文课程地下工程（Underground　Engineering）正是同济大学推行“英文授课课程体系”中的重要一环。在学校的大力支持和授课教师的努力下，英文课程地下工程的教学取得了良好的教学效果。

同济大学为了鼓励教师用英语授课，实行英语授课获得3倍讲课津贴的政策。为了保证英语授课质量，校方专门组织考官团队，对所有申请英语授课的教师进行资格面试，最后只有1/3的申请教师获得英语授课准许，其中英文课程地下工程的讲课教授得到了评委的最高评价。学校领导高度重视英语授课，授课期间派遣了督导和专家听课，并在网站的教学专栏给出了听课后的评价、意见和建议。该课程不但得到了学生的高度认可，而且获得了督导和专家的高度评价，被称为是同济大学最精彩的英语课程，听课的学生更是给出了9.97的高分（满分为10）。一、教学方法与手段

（一）教学素材的选择

地下工程课程涵盖了地下工程的勘测、设计、施工、监理、风险管理、运营安全等内容，授课采用的PPT的素材和阅读材料均取材于国际隧道行业的主要期刊杂志、国际隧道行业会议论文集和外国名牌大学的课程教材和教案。教学素材不仅要确保课程用语的规范，而且在内容上也应能涵盖国际上最先进的地下工程技术，并能及时反映国际地下工程界最新研究成果。

要提高学生的学习兴趣，上课时就要重视师生间的互动，不能照本宣科。在每一次授课时，都提出一些后续课程内容相关的问题，让学生先思考，这对学生牢固掌握知识很有助益。为了实现基本脱稿讲课，而不是照着PPT读给学生听，教师必须充分备课。

（二）教学方式的选择

由于该课程知识面广，课程不可避免地涉及到很多专业词汇，为了使学生更好地理解讲课内容，在上课前将PPT和阅读材料发到公共邮箱，让学生课前做针对性预习。教授新的内容时，不论是PPT还是讲述，均采用英语，但对于特别难懂的教学内容，在下节课一开始时用中文作简要回顾。刚开始大部分学生不太适应全英文授课方式，希望采用双语教学，我们鼓励学生迎接挑战，渡过听力难关。过了一段时间后，学生逐渐适应了英语教学，体会到了更多的收获。期末课程教学评估时，该课程得到学生的好评。学生认为教师讲课极富热情，讲解张弛有度，既能联系工程实际又不失幽默，学生也经历了一个从不适应纯英语授课到逐渐习惯的过程。

12高等建筑教育2012年第21卷第6期

白云，等地下工程课程英语教学探讨

（三）教学效果的检验方式

检验该课程教学效果的方式主要包含大作业、课堂表现和期末考试3个途径。

大作业注重学生对隧道设计理论知识的掌握和利用英语表述公式推导过程的能力。所选作业内容为地下工程中最经典、最基本的岩石隧道弹塑性变形问题中公式的推导，推导内容涵盖弹性力学、土力学、塑性力学、高等数学等学科的知识，能反映学生的专业知识和综合能力掌握情况。作业要求提交电子版文件，且作业中的图形需自己绘制；表达方式应尽量参考借鉴英文版微积分、力学等基础学科教材公式推导的格式；另外对作业的版面设计也有一定要求。电子版经教师批改后，学生可方便地完善和改正，这样学生将来做科学研究，或从事实践工程，都能用到自己推导的公式。

给课堂表现优秀的学生适当加分。教师通过提问可以了解学生的学习效果，把握教学内容的深度。

期末考试不仅仅只是给学生一个分数，更重要的是通过期末考试，综合、全面、详细地了解英语课程地下工程的教授效果。为此，我们设计了一对一的口语面试题库，考试题目全部出自该题库。每个人的题目可能不一样，其中包含规划和设计一题、施工二选一、运营与管理一题。题目的答案基本是开放式的，主要考查学生对专业知识的理解和用英语口头表达技术观点的能力。

（四）优越的师资

对于专业英语课程而言，教师扎实的专业英语基础和丰富的工程经验同等重要，两者缺一不可。由于地下工程课程的理论性和实践性要求都很高，对教师专业知识和工程经验以及英语口语水平要求很高，真正能胜任该课程的教师为数不多。学校该课程的教师由国际隧道协会的副主席、中国特级设计施工企业的总工程师担任，他主持和参与了十多个国家的工程设计、施工、投标和项目前期研究等工作，为课程的成功提供了最有力的保障。

另外，利用国外专家来上海或者同济大学进行学术交流的机会，学院邀请隧道领域新闻报道专业门户网站TunnelTalk的主编Shani　Wallis、国际隧道协会教育与培训委员会的4位专家为学生授课，使学生有机会接触不同国家的地下工程专家、了解国外同行的最新研究成果及他们对中国基础设施建设的看法。学生对这些学术交流给予了高度评价，并希望学校多邀请国外学者前来交流。

二、经验与体会

（一）高质量的教学素材和活跃的课堂气氛

该课程选用的高质量的PPT和阅读资料为学生提供了原汁原味的专业英语，对学生学习效果的提高起到事半功倍的作用；活跃的课堂气氛提升了学生学习兴趣和参与课程教学的热情，进而促进学生理解专业知识，从而使师生教学相长，共同进步。

（二）与时俱进的答疑方式

由于该课程面向不同年级、不同专业和不同班级，教师将问题集中在特定时间、特定地点给予解答的传统答疑方式未必适用。根据当今学生习惯和频繁地使用网络渠道的特点，我们建立了QQ群，在QQ群里上传PPT和辅助阅读材料方便学生下载，学生也可即时在群里提出问题。教授和助教会每天检查学生的疑问，并给予解答。事实证明，这种方式取得了十分理想的教学效果。

（三）灵活的考核方式

学生的作业可以在学期当中任意时间提交，较早提交作业有助于教师发现和改正推导过程中存在的问题，并针对作业中普遍存在的问题进行指正与评讲。教师对学生每个阶段提交的作业都给予评价，最终的成绩取决于学生最后提交的版本。这有利于鼓励学生不断提高自己、不断追求完美。期末考试采用英语面试的方式，提高学生英语口头表达能力。

（四）严明的纪律

学校规定无故旷课超过2/3的学生不能参加考试。由于本次课程包括少数留学生，对待留学生一定要一视同仁，不能区别对待，不能让他们觉得随便混一下就能拿到学分，这对他们自己、对学校都是极端不负责任的。对有缺席记录的学生根据缺席次数适当扣分。

三、建议

（一）更合适的开课时机

该课程设置在秋季，主要针对大三和大四的学生。大三上学期的学生由于刚刚开始学习土力学和弹性力学，没有接触塑性力学，这给他们学习地下结构设计带来了不少困难；而大四的学生忙于找工作或考研，同样压力比较大。因此，建议将地下工程课程安排在春季学期开设，主要针对大三下学期的学生，而内容方面很好地将弹性力学、土力学等基础课程做了反馈，有助于学生夯实基础，同时又能为学生进一步学习地下建筑结构、地下建筑施工、岩体力学等专业课程做铺垫，很好地完成基础课程到专业课程的衔接。

（二）设立专家临时讲学基金

虽然同济大学目前有光华基金等多种基金支持国际交流，但这些基金一般需要至少半年以上的申请时间。而很多国际知名专家来上海的信息往往是临时获知的，在这时要求他们顺便讲学的成本往往是很低的，一般只负责食宿和市内交通费即可。因此，建议学校设立专家临时讲学基金。

（三）大学应逐步建立英语课程教学链

对于工科大学，学校应逐步建立起英语课程链，以便国外留学生和国内英语基础较好的学生能用英语修完主要课程。

（四）根据学生的英语能力分班实施英语课程教学

由于教师在授课时无法兼顾不同的学生要求，学生的英语水平参差不齐将会影响英语教学效果，因此建议根据学生的英语水平分班实施英语课程教学。

四、结语

开设土木工程专业的英语教学课程，是培养学生具有国际化视野和国际交往能力的有效手段。文章结合笔者所授的英文课程地下工程的教学经验和体会，提出了工科大学采用英语教学的建议，可为其他类似课程的开设提供参考。

参考文献：

［1］　Lane　K，　Pollner　F.　How　to　address　China’s　growing　talent　shortage［J］.　The　McKinsey　Quarterly，2008（3）：32-40.

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关键词:地铁;地下结构;土-结构动力相互作用;地震反应;抗震设计

引言

随着城市化的发展，城市交通状况及环境条件日趋恶化，交通的拥挤和效率低下成为各大城市的通病，人们逐渐认识到发展以地下铁道为骨干的大运量快速公共交通系统是解决问题的重要途径[1]。实践证明，地铁以其快速、高效、清洁的特点，在世界上大多数经济发达地区大城市的客运交通中发挥着不可替代的作用，比如东京、莫斯科、伦敦等[1]。近年来，我国的地铁建设也得到了迅猛的发展。以北京为例，目前地铁线路总长114km(包括地面轨道线路)，按照《北京奥运行动规划》，到2008年运营里程将达到202km，长远规划总里程超过600km。另外，上海、广州、深圳、南京、杭州、沈阳等大城市也正在或者即将建设地铁或轻轨。可以说，我国已经进入了地铁工程建设的黄金时代。

地铁工程是生命线工程的重要组成部分，其抗震问题已经成为城市工程抗震和防灾减灾研究的重要组成部分。美国、日本等国家都曾经对地铁等地下结构的抗震设计理论进行了研究，提出了一些实用的抗震设计方法[2-5]。但我国在这一领域的研究相对滞后[5-6]。迄今为止，我国还没有独立的地下结构抗震设计规范，GB50157—92《地下铁道设计规范》和GB50157—2003《地铁设计规范》对地铁的抗震设计都只给出了极为笼统的规定，其原因主要是研究工作开展不够，对地下结构抗震设计方法缺乏系统研究。长期以来，地铁结构的抗震设计基本是参照GBJ111—87《铁路工程抗震设计规范》中有关隧道部分的条文和GB50011—2001《建筑抗震设计规范》，采用地震系数法进行的。地震系数法用于地下结构抗震计算时具有明显的缺陷，比如按照地震系数法，作用在地下结构的水平惯性力随埋深的增加而增加，这与实际情况明显不符。出现这一局面的原因与人们对地下结构震害的认识不无关系。客观地讲，地下结构由于受到地层的约束，加之城市隧道大多采用抗震性能较好的整体现浇钢筋混凝土结构及能够适应地层变形的装配式圆形结构，震害明显低于地上结构[6]。高烈度地震区内的城市地铁大规模建设是在近20多年才出现的，大多数还没有经过大地震的检验，因此灾难性的震害记录不多，于是人们普遍认为地下结构在地震作用下所受破坏程度远比地上结构轻。但在1995年日本阪神大地震中，神户市地铁车站及区间隧道遭到严重破坏的事实给这种传统观念带来了巨大的冲击，引起了众多地震工作者的极大重视[7-9]。阪神地震清楚地表明，在地层可能发生较大变形和位移的部位，地铁等地下结构可能会出现严重的震害，因此对其抗震问题应给予高度重视。

目前研究地下结构抗震性能的主要途径有:原型观测、模型试验和数值模拟。由于问题的极其复杂性，目前还没有哪一种手段能够完全实现对地下结构动力反应进行全面而真实的解释和模拟。一般是通过原型观测和模型试验结果来部分的或定性的再现实际现象、解释物理机制、推断变化过程、总结特性规律和分析灾变后果，在此基础上建立合理的能够反映实际动力相互作用规律的数理分析模型，发展相应的数值分析方法;再通过模型试验和原型观测结果加以验证。然后对不同抗震设计方案进行计算分析，尽可能地再现和模拟其实际动力反应，研究其抗震性能，提出相应的抗震对策。这是研究和评价地下结构抗震性能的较为合理的有效途径。

阪神地震后，我国对地铁等地下结构的抗震问题进行了一系列的研究[10-23]，但仍然缺少实质性进展。为改变目前我国在这一研究领域中的落后局面，需要在理论分析、数值模拟和模型试验等方面开展更为深入的工作，系统地研究地铁车站及区间隧道等的地震反应，以图在抗震分析及设计方法与理论基础方面有实质性的突破。目前我国地铁抗震分析及设计中存在诸多问题尚待深入研究，其中目前迫切需要解决的关键问题主要体现在以下5个方面。

1土-结构动力相互作用分析模型

强地震作用下，地下结构与地基介质可能呈现明显的非线性、弹塑性状态，地下结构与地基之间的接触面还可能出现局部滑移、脱离等非连续变形现象，除此之外，地铁地下结构-地基动力相互作用分析模型还应该合理考虑地基半无限性的影响。因此，一个合理的地下结构分析模型既要考虑对半无限地基的模拟，还必须全面考虑4种非线性因素:结构材料非线性、结构-地基动态接触非线性、近场地基非线性与远场地基非线性。目前对包括钢筋混凝土等在内的结构材料非线性性质的研究相对成熟;结构-地基动态接触非线性的研究也已经取得较大进展[24-25];针对地基半无限性及远场地基特性的模拟问题已经发展了多种动力人工边界[26-29];关于土的非线性问题(尤其是动力非线性问题)的研究更是发展出几十种动力非线性本构模型[30]，目前虽然没有任何一个模型具有广泛的适用性，但针对具体的问题也不乏有合理而实用的选择。上述问题的研究已经取得了相当丰富的成果，但是如何根据这些研究成果构造合理的地铁地下结构地震反应分析模型还需要进行深入的研究和探讨。

对地铁车站及区间隧道等地下结构来说，周围地基特性对结构地震反应及破坏特征的影响显著。在地震反应过程中，周围地基尤其是上覆土层的重力效应对结构地震反应会产生不容忽视的影响。如何合理地反映地基的静力效应及地基半无限性的影响是一个比较重要的问题。这一问题的解决涉及到动力人工边界及静力人工边界的合理确定和设置。由于目前已有的动力人工边界一般不适用于地下结构-地基系统的静力分析，因而普遍的解决办法是针对静力问题和动力问题采用不同的人工边界。对于静力问题，采用固定人工边界或其他静力边界(边界元或无穷元)，而动力问题则采用动力人工边界，这导致形成了两个不同的分析模型。针对不同模型，首先分析静力问题，然后基于静力分析结果进行动力分析，最后将两种分析结果进行组合。这种做法不仅麻烦，也不能很好地反映地下结构周围地基的重力效应对非线性结构地震反应的影响。因而有必要发展一种对静力分析和动力分析均能适用的静-动力统一人工边界，并提出直接在静-动力统一人工边界上实现地震波场的输入方法。基于静-动力统一人工边界建立一个可考虑上覆土层的重力效应、实现强地震动有效输入、合理反映结构材料非线性、结构-地基动接触非线性、近场地基非线性与远场地基非线性等影响因素的理论分析模型是完善地下结构静力分析及地震反应分析的合理途径。

2土-结构动力相互作用分析的快速高效算法

求解土-结构动力相互作用问题的方法可以分为解析法、半解析法和数值法等[2，31]。由于地下结构的复杂性，解析法和半解析法的使用受到限制，而数值方法的使用最为广泛。在众多数值方法中，有限元法由于具有灵活方便、适应性强的优点，得到了广泛的应用。当采用有限元法结合人工边界对强地震作用下的土-结构开放系统进行整体分析时，由于系统非线性的影响，必需采用时域逐步积分算法完成计算，当所研究问题的尺度大、力学模型的自由度多时，其分析计算工作量巨大。地铁地下结构构造复杂，往往又处在一个复杂的地震动场中，虽然目前由于分析手段的限制或出于简单满足工程设计目的考虑，常常采用切片的二维计算模型进行抗震分析，但为更深入研究和了解地铁地下结构的地震反应规律、分析不同地震动场的综合影响，采用地铁地下结构三维整体模型进行研究还是必需的。

有限元离散模型中单元尺寸的大小与地震波及传播介质的性质有关。对于位于土中，特别是软土中的地下结构进行地震反应分析时，为对土中地震波的传播有足够的模拟精度，往往需要采用尺寸足够小的单元，导致离散模型单元数目很多。地铁地下车站的长度一般超过100m，甚至达200m，因而地铁车站-地基系统计算分析模型尺度很大，尤其是需要同时研究地铁车站与区间隧道连接处等震害易发生部位的地震反应及破坏规律时，计算模型的尺度将更大。在强地震作用下，地铁地下结构-地基系统的非线性动力行为不可避免。虽然通过引入人工边界可以选取相对较小的计算区域，但是三维非线性动力分析模型(模型尺寸取决于地下结构的尺寸)的采用仍然决定了巨大的计算工作量。因而进一步发展快速高效的计算方法以更有效地降低计算工作量，成为地铁地下结构-地基系统非线性动力相互作用分析模型的推广应用所需要解决的关键问题之一。

3地铁地下结构地震破坏模式和抗震性能的评估方法

动力时程分析方法作为一种可靠的分析手段适用于深入研究地铁等地下结构抗震理论，而对于评估地下结构承载力极限状态和进行常规的地铁地下工程抗震设计，还需要发展简便和实用的分析方法。借鉴目前建筑结构的抗震设计方法，发展新的评估地铁地下结构地震破坏模式及抗震性能的方法是很有意义的。我国GB50011—2001《建筑抗震设计规范》规定建筑抗震设计需要进行大震作用下结构的弹塑性变形验算，对于地铁地下结构尤其是地铁车站结构来说，大震作用下的弹塑性变形验算无疑也是必要的。目前常用的弹塑性分析方法包括静力增量分析法、动力时程分析法和静力弹塑性分析方法(Push-over方法)。静力增量分析法相对简单，但没有考虑到地震作用与结构自振特性之间的密切关系。动力时程分析法由于能够计算地震反应过程中各时刻结构的内力和变形状态，给出结构开裂和屈服的顺序，发现应力和塑性变形集中的部位，从而可以判明结构的屈服机制、薄弱环节及可能的破坏类型，结果也较为准确，但其计算工作量大，计算结果受地震波选取的影响，用于常规的抗震设计还有一定的困难。相对上述两种方法来说，Push-over分析方法是一种新的结构抗震分析方法，这种方法既比较简单，又可以比较准确地评估地震作用下结构的反应情况，因而得到了广泛的研究和应用[32-35]。由于地下结构与地上结构地震反应规律和特点并不完全相同，因此到目前为止，适用于建筑结构抗震分析的Push-over方法还无法应用于地铁车站等地下结构的抗震设计。另外，由于受到周围地基约束，地下结构的变形形式不同于地上结构。相对地上结构来说，地下结构在整体发生较小变形时局部的内力可能会很大，因此也不能简单地套用地上结构变形的极限值推算地下结构在中震或大震作用下的极限状态，必须进行深入的理论分析和试验研究，了解地铁车站等地下结构的内力-变形规律及破坏模式，并在此基础上提出地铁地下结构抗震性能定量化评价指标体系。因此需要发展一种能够适应于地铁地下结构的Push-over分析方法，考虑地下结构受周围地基约束的特点，提出地下结构基于位移的抗震分析及设计方法，以突破现有承载力设计方法的限制，从而使地铁车站等地下结构的抗震设计更为合理和简便。

4地铁地下结构的抗震构造措施[36]

目前我国对地铁车站及区间隧道等地下结构抗震设计中结构构件应采用的抗震构造措施还缺乏统一认识。一种观点认为单建的地下结构由于受到地层的约束，地震时构件不大可能出现交变内力，无须特别考虑抗震构造措施;当地下结构与地面建、构筑物合建时，才需按地面结构的抗震要求考虑构造措施。另一种观点认为基本可以照搬地面民用建筑结构的要求，例如，抗震设防烈度7度的城市，即按8度采取相应构造措施，并将抗震等级提高一级。比较看来，这两种观点都有一定的片面性，前者完全忽视了地震对单建地下结构可能造成的破坏;后者又完全把地下结构等同于地上结构。实际上应该区别不同的围岩条件和施工方法，根据地下结构在地震作用下的受力和破坏特点有针对性地采取抗震措施。抗震构造措施是提高罕遇地震时结构整体抗震能力、保证其实现预期设防目标、延迟结构破坏的重要手段，它可以充分发掘结构的潜力，在一定条件下，比单纯依靠提高设防标准来增强抗震能力更为经济合理。这方面工作的重点应放在改善薄弱部件的受力和提高结构构件的延性及耗能能力上。有关地铁工程抗震构造方面存在的其他问题还很多，如抗震缝的设置原则和方法，后砌的内部承重结构和非承重隔墙的抗震构造要求等。

5地铁区间隧道穿越地震断层的设计方案及工程措施

目前GB50011—2001《建筑抗震设计规范》规定，建筑物选址应避开地震活断层，以防止地震时断层运动而引起的破坏。对于地上单建的建筑结构，这一方法是可行的。地铁地下车站作为地铁系统中的关键枢纽，也可以通过合理的选址方案，避开地震活断层。但是地铁线路走向基本上取决于交通功能的要求，因此地铁区间隧道穿越地震断层有时是不可避免的。目前对埋地管线等小断面地下管道跨越断层时的抗震设计方法已经有所研究[17，37-39]，但是地铁隧道无论是在结构尺寸上还是在结构构造和材料性质上与小断面地下管线均有所不同，目前对诸如地铁区间隧道等大断面隧道跨越地震断层的抗震问题还缺乏研究，虽然很多地铁隧道在跨越地震活断层时不得不采取特殊的设计方案和工程措施，但还缺乏针对这些设计方案和工程措施的系统理论分析。

我国在十五期间将投资27亿元人民币建设“中国数字地震观测网络”[40]，地震活断层探测系统是其中重要的组成部分。这表明目前我国对大城市地震断层问题已经给予了足够重视，很多重要城市已经针对地下断层开始了勘探和研究工作，其中对地震活断层可能引发的地震及可能造成的破坏是重点考虑和研究的对象。随着对北京等重大城市地下地震断层勘探工作的开展和对地震断层活动性的掌握，针对地铁区间隧道等地下隧道跨越地震活断层时的抗震设计及工程措施将是抗震工作者和工程设计人员不得不面对和需要解决的实际问题。

6结语

地铁地下结构是重要的生命线工程，造价高，使用周期长，一旦发生破坏，修复困难，直接和间接经济损失巨大。目前我国地铁建设已经进入，其中很多地铁工程建设在高烈度地区，同时我国缺少完善的地铁地下结构抗震分析方法和有效的抗震构造措施，因而开展深入系统的理论分析、试验研究及数值模拟，发展合理而可靠的地下结构抗震设计理论和方法，完善地下结构抗震构造措施，确定优良的地下结构抗震体系，均具有重要的科学意义同时具有重要的工程应用价值。

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篇5

[关键词]大跨度悬索桥 地震响应 行波效应

中图分类号：U448.25；U441.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）14-0339-02

1、引言

1.1、研究背景

1940年Tacoma Narrows Bridge由于风振导致垮塌，引起了工程界对桥梁振动问题的关注。由此，对大跨度桥梁，尤其是悬索桥振动理论的研究成为大跨度桥梁设计、分析与计算必不可少的一部分。引起桥梁振动的因素是多方面的，主要有风荷载作用、地震荷载作用以及移动偏载作用。桥梁振动的类型主要包括有竖向垂直振动、横向扭转振动及侧向振动。

地震动是通过波的形式将荷载由桥梁的基础传给上部结构的。由于地震波具有一定的波长，在空间传播需要一定的时间。因此，空间距离较远的桥塔所承受的地震动显然是不同的。由于时间差会导致地震波传播的相位差，其不同的程度随着跨度的增加而增加。这一效应一般被称为地震的行波效应。对于大跨度悬索桥的地震响应，应该考虑行波效应的影响。悬索桥是由柔性的主缆和加劲梁构成的结构，研究行波效应对其地震响应的影响对于分析大跨度悬索桥在强震情况下的行为以及改进设计具有重要意义。目前，对多塔多主跨悬索桥考虑行波效应的研究较少。各研究者采用的理论模型和分析方法也不同。已有的研究结果还不足以得到一致的结论，因此有必要对此进行更细致深入的研究。

自上世纪90年代以来，我国大跨度悬索桥的建设发展突飞猛进。目前我国绝大多数悬索桥都要进行抗震设计，其中具有代表性的8座悬索桥所在区地震烈度如下表：

从表中可以看出，这几座代表性桥梁所在地震烈度均不小于6级，地震烈度较高，因此对大跨度悬索桥地震响应研究是十分有必要的。

2、国外的研究历史和现状

国外对悬索桥振动问题的重视源于塔科马桥（Tocoma Narrows Bridge）风振导致垮塌事件。1941年，Rannie和Karman，在利用气动理论和航空学的基础上，导出了不可拉伸三跨悬索桥在垂直平面内的自振频率和振型。后来，Vincent将其结果作了一定的推广，并考虑了缆索的弹性对三跨缆索在垂直方向对称的影响。1941年到1943年，Steinman导出了计算悬索桥在垂直面内和扭转振动的频率和模态的简化公式。这种简化公式具有较高的准确性和有效性，但局限在于不能求解更为复杂的悬索桥振动模态。1949年，Pugsley提出了均匀悬挂的悬索桥在垂直平面内振动的自然频率的半经验理论公式。并对垂跨比在1：10到1：4之间的悬索桥进行了试验，验证了他提出的公式。1950年Bleich提出悬索桥挠度理论计算需要考虑恒载引起的索的垂度效应和主缆的非线，通过求解线性化微分方程来研究悬索桥的垂直和扭转自动振动。Rayleigh-Ritz提出一个近似求解方法，然而，程序只适用于求解最低的几个振动模态。Steinman 于1959年引入了大量的简化公式用于估算自振频率和相关的振动模态，包括悬索桥的垂直和扭转振动。1952年，Pugsley通过计算荷载下缆索抵抗重力所做的功讨论了不可拉伸的重缆索的重力刚度，并比较了其基于能量的处理方法和传统的线性挠度理论的不同及其联系。1957年Silverman研究了悬索桥侧向振动特性。他基于傅立叶级数提出了一个用于计算自振频率的公式，然而，他在悬吊结构和主缆的耦合作用方面的假设是令人怀疑的。1958年， Selberg 发现Silverman给出的运动方程存在问题，并修正了运动方程，考虑了悬吊结构和主缆的相互作用，基于傅立叶级数得到了自振频率的计算公式。1969年Tezcan和Cherry考虑由于悬索桥挠度很大，应考虑其几何非线，并对此提出了利用切线刚度矩阵的非线性静态分析的迭代方法，并将悬索桥理想化为三维集中质量系统，在三向正交地震波的作用下产生水平、垂直和扭转振动。他们的研究为后来的悬索桥非线性研究奠定了基础。1976 年，Abdel-Ghaffar基于线性化挠度理论和有限元法提出了一种分析悬索桥动力特性的方法。采用这种方法可以得到垂直方向的自振频率和振型。1976年， Abdel-Ghaffar应用有限元方法和数字计算机技术对悬索桥的侧向振动进行了研究。 该研究基于有限元离散化技术，并应用矩阵分析求解。 通过数值算例，Abdel-Ghaffar证明了他的方法是计算频率和模态的最简单并且最实用的方法。1979年Abdel-Ghaffar建立了悬索桥的详细分析模型，其研究提供了悬索桥自由振动特征。他的研究考虑了悬索桥的三维动态响应，包括不同方向响应之间耦合反应。Abdel-Ghaffar采用整体自由振动分析模型来研究悬索桥自由振动的特征和模态。1983年Abdel-Ghaffar和Rubin研究了悬索桥大振幅非线性自由垂直扭曲振动耦合振动的影响，并使用使用连续介质方法，进行了非线性耦合方程的近似求解。1985年Abdel-Ghaffar和 Scanlon通过实验研究悬索桥的动力反应，其研究了线性恒载组合下悬索桥的动力响应，并得到了悬索桥多阶自由振动模态。

在悬索桥离散分析的早期研究成果中，Poskitt和Tezcan提出有限元建模和数值计算程序等必须保留结构所有的突出特征，还要保证其反应的计算能够通过分析和计算机设备实现。1960年代初期，Konnish，Yamada ，Takaoka借助计算机建立了三跨悬索桥模型，将悬索桥模型抽象成质量和弹簧，采用线性理论，考虑了悬吊结构、缆索以及桥塔的振动。通过计算机分析了三跨悬索桥的振动特性以及地震响应。1991 Abdel-Ghaffar， A. M.， and Nazmy年悬索桥中引起几何非线性的因素有：主缆的垂度、大变形，轴向力和弯矩与桥梁刚度的耦合作用。悬索桥有限元模型中常采用梁和桁架单元的2维和3维模型。

1965-1996年Bogdanoff， Goldbeg 和Schiff等初步研究了地震波的传播对桥梁地震响应的影响。1999年Wang发现，地震波的行波效应比地震波的不连续性更重要，而且忽略这个因素带来的误差在相对位移的估计方面小于15%。大多数研究主要集中在地震一致激励下的桥梁弹性和非线，几乎没有人关注地震波传播的特征。1988年Tzanetos和2003年Wang研究了行波效应对于对称和不对称桥结构的非弹性反应产生的影响，得出结论对于地震动的传播应予以特殊考虑，因为它们可能会以更高的振动模态反应出来。1990年Nazamy和Abdel-Ghaffar在考虑了几何非线性和多点非一致激励的条件下，对大跨度斜拉桥动力响应问题进行研究。地震动输入数据采用1979年EI Centro地震波数据。 并得出了以下结论，几何非线性和多点激励对大跨度桥梁地震响应的影响是重大的。1993年Clough和Penzien提出桥梁在地震动非一致激励下的响应包括惯性力导致的动态分量和由于相邻支点不同导致的伪静态分量。1996年考虑地震动的空间效应对大跨度桥梁影响的影响，Harichandran、Hawwari 和Sweidan 基于金门大桥采用一个非常简单的二维有限元模型，研究考虑行波效应下大跨度悬索桥地震响应问题。在其研究中，利用了由Harichandran和Vanmarcke于1985年建立的随机地震动数据。并得出结论，采用一致激励将导致悬索桥地震响应偏小，随着悬索桥跨度的增加采用多点激励更为准确。低频输入地面运动被确定为产生中大跨结构最不利反应的主要来源，其中结构和地震主频率接近而产生的共振现象也尤为突出。对大跨度悬索桥三维非线性计算分析的研究较为有限。

3、国内的研究历史和现状

1985年林家浩[1][2][3]提出了虚拟激励法，为大跨度桥梁多点激励地震分析提供了一个有效的方法；1995年李建俊、林家浩[4][5]等基于虚拟激励法研究了大跨度复杂结构的空间部分相干多点激励平稳随机地震响应；1996年王淑波[6]博士也基于虚拟激励原理提出了HOC系列反应谱组合方法来研究一致激励、行波输入以及任意相干激励等多种地震输入情况。1994年胡世德、范立础[7]研究了在考虑相位差时江阴长江公路大桥的地震反应，研究表明：相位差虽能增大地震响应但影响程度很小，主要是由于结构的整体刚度较小，从而拟静力分量的参与所导致的总反应增长幅度相对来说较小。2007年张行[8]研究行波效应对一座主跨900m的悬索桥动力响应影响，并得出行波效应对索塔的位移有较大影响。2010年陈海波[9]在对一座三主塔四跨悬索桥进行分析后，波速对加劲梁跨中的竖向挠度影响较大，但主塔的水平位移的变化幅度受行波效应影响较小。2003年张亚辉[10]对香港青马大桥进行研究后表明，行波效应对内力影响较大，但随着波速的增大，内力可能变大也可能变小。2005年丰硕[11]等研究了某构想中的3000米主跨悬索桥，其得出考虑行波效应后，桥梁的内力并没有大的变化幅度。2009年龙晓鸿、李黎等[12]分析主跨900米的四渡河桥，在纵向和竖向地震组合作用下，多点激励下结构内力明显增大，但行波输入则与一致输入结果相差不大，而在横向和竖向组合时则影响较小。2010年焦常科、李爱群、操礼林、王浩[13]利用Abaqus建立泰州长江大桥，研究行波效应对三塔悬索桥的影响，得出行波效应对三塔悬索桥动力响应的影响，具有一定的波动性，认为研究行波效应对三塔悬索桥影响中，准确的模型、合适的地震波、合适的视波速尤为重要。

1936年土与结构相互作用的得到研究，由于土结构相互作用中土体材料的复杂性、离散性使得其相互作用变得错综复杂，需要作各种假设、简化方法，得到的反应结果不尽相同。因此，目前土一结相互作用的有关理论与实际工程的应用之间尚处于研究阶段。丰硕和郑史雄[14]的研究土结构相互作用，得出考虑相互作用后，桥梁结构的内力会变小。土与结构的相互作用对结构的响应的影响并没有定论，这便使得该问题的研究具有双重意义：一是遭遇地震时的安全性；二是设计的经济性。

4、存在的问题和将来的研究方向

大跨度悬索桥的地震响应方面的研究在过去几十年已经得到长足的发展，但仍存在一些问题亟待解决。

（1） 地震动的输入问题。这是大跨度悬索桥地震响应分析中最基础、最重要的问题。目前人们对大跨度悬索桥上部结构的分析已经趋于成熟，而地震动的输入却存在较大的误差和不确定性。因此对于地震动的输入问题，应当进一步研究并加以解决。

（2） 土―桥梁结构的相互作用问题。目前国内外对土和桥梁结构相互作用问题的研究比较少，而且起步比较晚。目前模型大多数将土对结构的作用以弹簧的形式来模拟，而并没有考虑土对桥梁结构产生的非线性作用，不够准确。需要对土桥梁结构相互作用进一步研究，并采用新的模型来模拟土―桥梁结构之间的联系。

（3） 需要提出较为简单的工程应用计算方法。目前的计算方法都比较繁琐，只适合用于研究工作，若要将这些纳入规范还需做更深入的工作。

（4） 目前关于结构多点激励响应的分析大部分是基于线弹性理论的，多点激励对结构弹塑性反应，减、隔振结构还需进行进一步研究。

5、结论

目前，对悬索桥分析所采用的传统模型在边界条件上不够精确，需要做一定的改进，并未考虑主缆鞍座处的滑移，锚碇的具体模拟方式。加劲梁采用梁单元模拟误差小，速度高，而采用板单元精度高，但计算量大，速度慢，较少采用。

对行波效应地震波的计算主要采用时域分析、频域分析、随机振动法，时域分析采用较多。对于模型各个支承处输入地震波随机性较大，没有统一的标准。

对于土―桥梁相互作用，国外一般采用阻尼弹簧模拟其之间的作用。但这种模拟方式，弹簧阻尼的参数的选择、布置方式对桥梁的影响需要进一步研究。

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