《港口水工建筑物》课程“荷载分析”单元教学设计（大学本科四年级）

《港口水工建筑物》课程“荷载分析”单元教学设计（大学本科四年级）

一、课程导引与宏观背景

本单元“港口水工建筑物荷载分析”是港口航道与海岸工程专业本科四年级的核心必修课《港口水工建筑物》的关键组成部分。在完成前期水力学、土力学、结构力学及钢筋混凝土结构等基础课程后，本单元旨在引导学生系统掌握作用于港口水工建筑物上的各类荷载的机理、标准值计算方法及其组合规律。这是连接理论力学与工程结构设计的桥梁，是学生从理论学习迈向实际工程设计的必经之路。本单元的教学设计严格遵循以学生为中心、以成果为导向（OBE）的工程教育理念，深度融合工程教育专业认证标准，强调理论与实践的结合，培养学生解决复杂工程问题的能力。通过本单元的学习，学生应能深刻理解港口水工建筑物在全寿命周期内所面临的复杂受力环境，并具备根据现行规范进行荷载分析与组合的初步能力，为后续的毕业设计及未来的职业生涯奠定坚实基础。

二、教学内容与目标定位

（一）【核心内容】本单元教学内容紧密围绕《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）等相关行业标准展开，系统阐述各类荷载的定义、分类、标准值计算方法及最不利组合原则。具体包括：

1、永久荷载：结构自重、固定设备重、土重及由土重产生的土压力（静止、主动、被动）、预加应力、混凝土收缩及徐变影响力、固定水位的静水压力及浮力等。这部分是【基础】，理解其长期存在且几乎不变的性质是后续一切分析的前提。

2、可变荷载：堆货荷载、流动起重运输机械荷载、汽车荷载、铁路荷载、船舶荷载（系缆力、挤靠力、撞击力）、人群荷载、风荷载、波浪荷载、冰荷载、水流力、施工荷载、温度作用、可变水位的静水压力及浮力等。其中，堆货荷载、船舶荷载、波浪荷载是【重要】且【高频考点】的内容，其变异性大，是设计中的主要考量。

3、偶然荷载：地震作用、船舶意外撞击（非正常作业状态下的撞击）、爆炸力等。这部分是【热点】，尤其是在高烈度区或重要港口设计中，需重点关注。

4、荷载组合：承载能力极限状态和正常使用极限状态下的效应组合，包括基本组合、偶然组合、标准组合、频遇组合和准永久组合。这是将分散的荷载计算转化为结构设计内力的关键环节，是【非常重要】的【难点】和【核心】。

（二）教学目标设定

1、知识维度：学生能够准确复述并区分港口水工建筑物涉及的各类永久荷载、可变荷载及偶然荷载；能够清晰阐述各类荷载的产生机理、作用特点及影响因素；能够熟记《港口工程荷载规范》中主要荷载（如堆货荷载、船舶荷载、波浪力）的标准值或代表值计算方法。

2、能力维度：学生能够运用规范公式，独立完成典型码头结构（如重力式码头、高桩码头）的主要荷载计算；能够针对给定工程条件（如水位、波浪要素、船舶吨级、货种等），正确选取荷载计算参数；能够根据不同的设计状态和极限状态，正确进行荷载组合，求出最不利的荷载效应；初步具备分析复杂荷载条件下结构响应的能力。

3、素养维度：培养学生严谨求实的科学态度和一丝不苟的工程伦理意识；使学生深刻理解规范在工程实践中的指导地位，并认识到规范背后的科学原理；通过小组讨论和案例分析，锻炼团队协作与沟通表达能力；激发学生对大国重器——港口工程的自豪感和责任感。

三、教学重点、难点与关键

【重点】

1、各类荷载（特别是堆货荷载、船舶荷载、波浪力）的定义、分类及标准值的确定方法。

2、不同水位情况下，静水压力、浮力及波浪力的变化规律与计算。

3、荷载组合的原则、表达式及其在两种极限状态下的应用。

【难点】

1、波浪力的计算。这涉及复杂的流体力学知识，波态（立波、远破波、近破波）的判断和相应计算公式的选择对学生而言具有较大挑战性。这是【重中之重】的【难点】。

2、船舶荷载的协同作用。系缆力、挤靠力、撞击力并非孤立存在，其大小和方向受风、流、波浪及船舶操作等多种因素影响，理解其产生机理和相互影响是难点。

3、土压力的准确计算。特别是对于不同结构形式（如墙后填土形式、有无超载）和不同工况（如正常使用、地震），如何合理选用土压力理论（朗肯、库仑）和计算模式。

4、荷载组合的逻辑判断。面对众多可能同时出现的荷载，如何根据物理概念和规范要求，筛选出参与组合的荷载项，并进行最不利布置，是考验学生综合分析能力的【关键环节】。

四、教学实施过程（核心部分，详细展开）

本单元共计12学时，分四次课完成。教学过程采用“问题导入-理论解析-案例推演-软件仿真-项目实战”的螺旋式递进模式。

第一次课：荷载总论与永久荷载、堆货荷载分析（3学时）

课前预习：通过在线课程平台发布预习任务，要求学生回顾《土力学》中土压力理论、《材料力学》中基本变形，并观看一段关于繁忙集装箱码头作业的短视频，思考：这样一个巨大的结构，它每天都在承受哪些“力量”？

课堂导入（15分钟）：以某港口码头因超载导致结构破坏的事故新闻图片切入，提出问题：“是什么压垮了码头？”引导学生从感性认知上升到理性思考，引出港口水工建筑物荷载分析的重要性。强调这是确保结构安全与经济的“生命线”。

理论精讲（60分钟）：

1、荷载分类与代表值：首先系统讲授按时间变异性划分的永久、可变、偶然荷载，以及按空间位置变异性划分的固定和自由荷载。明确各种“代表值”（标准值、组合值、频遇值、准永久值）的统计学意义和在设计中的作用。这部分是【基础】，为后续所有计算奠定概念基础。

2、永久荷载详解：重点讲解结构自重的计算，强调材料容重的选用（钢筋混凝土、素混凝土、块石、浆砌石等）。深入解析不同水位条件下浮力的计算，这是水工建筑物区别于陆上建筑的显著特点。通过板书推导，演示浮力计算与结构基底应力、抗滑、抗倾稳定性的关系。指出水位的变化是影响浮力的【重要】变量。

3、堆货荷载详解：此为可变荷载中的【高频考点】。结合《荷载规范》，讲解不同货种（件杂货、散货、集装箱）对应的堆货荷载标准值的查取方法。特别强调均布荷载与点、线荷载的区别，以及堆货荷载在码头不同区域（前方作业区、后方堆场）的取值差异。引入“等效堆货荷载”的概念，处理非均布堆货情况。

案例推演（60分钟）：选取一个简化的重力式码头断面。

1、教师演示（30分钟）：给定码头断面尺寸、材料、设计高低水位，完整演示如何计算每延米码头所受的自重（包括胸墙、墙身、抛石基床）和浮力。特别注意在计算抗滑、抗倾时，浮力对不同部位的影响（如墙底浮力、墙后水位以下土体浮力的处理）。同时，给定堆货荷载标准值，演示其在码头面上的作用形式。

2、学生实操（30分钟）：提供一组新的参数（如变更墙身高度或水位），要求学生分组计算，并派代表上台板书演算过程。教师即时点评，纠正常见错误，如浮力计算范围的混淆、自重计算中遗漏构件等。通过即时反馈，强化学生对基础计算方法的掌握。

课堂小结与作业（15分钟）：总结本次课的核心知识点，强调永久荷载和堆货荷载计算的严谨性。布置作业：完成另一类似断面的荷载计算，并思考问题：“如果码头前沿有火车通过，荷载该如何考虑？”为下次课做铺垫。

第二次课：船舶荷载与流动机械荷载分析（3学时）

复习导入（10分钟）：快速回顾上节课内容，通过提问检查学生对永久荷载和堆货荷载计算的掌握情况。然后，展示一艘5万吨级散货船靠泊的图片，引出本次课主题——船舶荷载。

理论解析（50分钟）：

1、船舶荷载概述：系统介绍系缆力、挤靠力、撞击力的定义、产生原因及作用方向。强调这些荷载的大小与船舶吨级、风速、流速、波浪以及靠泊角度密切相关。

2、系缆力计算（【高频考点】）：这是本课次的核心。详细讲解规范中系缆力标准值的计算公式，分解公式中每个参数的物理意义：船舶系缆力标准值、系缆力水平投影角、系缆力竖向倾角、系缆点数目等。重点讲解如何根据船舶吨级查表确定单根系缆的破断力和系缆力的标准值。通过图示，清晰展示系缆力在码头上的作用点及其分解到水平和竖直方向的方法。

3、挤靠力与撞击力：简述挤靠力的产生条件（通常在有系缆力但又有横风横流时）。重点讲解撞击力的两种情形：正常靠泊时的撞击力和船舶系泊在码头时由于波浪等引起的往复运动撞击力。说明两种撞击力计算模式的不同，前者通常与船舶有效撞击能量和护舷性能有关，后者则与船舶运动幅度和码头刚度有关。指出撞击力是设计橡胶护舷的【关键依据】。

案例推演（60分钟）：

1、综合案例：仍沿用上次课的重力式码头案例，但这次假定其为某散货码头，需要计算一艘给定吨级（如5万吨级）散货船产生的船舶荷载。

2、参数选取（20分钟）：教师引导学生根据船舶吨级，查阅规范表格，确定船长、型宽、吃水、系缆点数目等关键参数。然后，根据给定的当地气象水文资料（如设计风速），查表或计算风压力，进而确定系缆力水平分力。此环节着重训练学生查阅规范、选取参数的能力。

3、分组计算（40分钟）：将学生分为若干小组，分别承担系缆力、挤靠力、撞击力的计算任务。要求：

[1]各组需清晰写出所依据的规范条款和计算公式。

[2]各组需明确说明每个参数的来源（是规范查表得出，还是通过风、流力计算得出）。

[3]系缆力组需计算单根缆力及总系缆力，并给出其在码头面上的作用力分布。

[4]撞击力组需根据给定的护舷选型（或要求他们选择合适护舷），计算撞击力。

计算完成后，各组派代表汇报结果，其他组进行提问和点评。教师穿梭于各组之间，进行针对性指导，特别关注参数选取的合理性和公式应用的准确性。

引入流动机械荷载（30分钟）：在船舶荷载计算完成后，简要介绍码头前沿的流动起重机械（如门座式起重机）、流动运输机械（如牵引车、平板车）的荷载。重点讲解轮压的概念，以及如何通过轮压分布计算其对码头面板和梁的作用。通过动画演示，展示门机在不同位置作业时，对下方结构产生的不同荷载效应。指出这是可变荷载中另一个【重要】的组成部分，尤其对高桩码头影响显著。

课堂小结与作业（10分钟）：总结船舶荷载计算的完整流程和关键点。布置作业：完成给定吨位船舶在不同风速条件下的系缆力计算，并提交一份简要的计算书，要求逻辑清晰、参数有据、计算准确。

第三次课：波浪力、水流力与冰荷载分析（3学时）

问题导入（10分钟）：播放一段风暴潮期间海浪猛烈拍打防波堤的视频，提出问题：“这股看似无形的力量，究竟有多大？它是如何作用在我们的建筑物上的？”激发学生对波浪力这一【难点】的探索欲望。

理论攻坚（80分钟）：

1、波浪基础知识回顾：简要回顾《海洋学》中波浪要素（波高、周期、波长）、波态分类（深水波、浅水波、破碎波）等基本概念。强调波态判断是计算波浪力的第一步，也是至关重要的一步。

2、直墙式建筑物上的波浪力（【重中之重】的【难点】）：系统讲解立波、远破波、近破波在不同水位条件下对直墙式建筑物的作用机理和压力分布形态。详细推导和阐述《海港水文规范》中推荐的计算方法：

[1]立波压力：重点讲解森弗罗公式及其适用条件，分析波峰和波谷时刻墙面上压力分布图的特点。通过板书，一步步推导最大压强和总水平力的计算公式。

[2]远破波压力：介绍其计算方法，强调其与立波压力的区别在于波浪未破碎，压力分布形态不同。

[3]近破波压力：这是最复杂的情况，介绍其经验公式和动水压力的概念。通过动画和数值模拟结果，直观展示近破波瞬间巨大的冲击力。

3、斜坡式建筑物上的波浪力：简述波浪在斜坡上的爬高和越浪量计算，这是防波堤设计的核心。重点介绍影响爬高的因素（坡度、坡面糙率、波向等）和相应的经验公式。

4、水流力与冰荷载：简要介绍水流力（拖曳力）的计算公式，强调流速和水流方向的影响。针对北方港口，介绍冰荷载的基本概念，包括静冰压力（因温度变化冰体膨胀对结构产生的作用）和动冰压力（流冰对结构的撞击力）。指出这是特定地区必须考虑的【重要】荷载。

仿真演示与计算（50分钟）：

1、数值模拟演示（20分钟）：利用ANSYSFluent或Flow-3D等商业软件，提前准备好一个波浪与直墙相互作用的数值模拟算例。在课堂上动态演示波浪传播、变形直至冲击墙面的全过程，并将模拟得到的墙面压力分布时程与规范理论计算结果进行对比。这种可视化手段能极大帮助学生理解抽象的波浪力学概念和压力分布规律。

2、简化计算练习（30分钟）：给定一组典型的波浪要素（波高H、周期T、水深d）和结构断面，要求学生：

[1]首先判断该波浪属于立波、远破波还是近破波。

[2]然后选择正确的规范公式，计算在波峰作用下，作用在直墙上的波浪力总水平力和倾覆力矩。

[3]教师提供电子计算表格或允许学生使用计算器，重点考察学生对波态判断和公式选择的准确性，而非繁琐的数值计算。

课堂小结与拓展（10分钟）：总结波浪力计算的复杂性及其对港口工程设计的重要性。推荐几篇关于波浪与结构相互作用的前沿研究论文，鼓励学有余力的同学拓展阅读，了解最新的数值模拟方法和物理模型试验技术。

第四次课：荷载组合原理与综合应用（3学时）

复习与情景导入（15分钟）：快速回顾前三节课所学的各类荷载。然后，构建一个完整的工程情景：某新建5万吨级重力式集装箱码头，需进行结构设计。提问：“现在我们已经掌握了各种‘力’的计算方法，但它们是同时发生的吗？设计时应该考虑哪些力的组合，才能保证结构既安全又经济？”引出本单元的核心和终点——荷载组合。

理论精讲（60分钟）：

1、荷载组合的极限状态设计理念：再次强调承载能力极限状态（安全性）和正常使用极限状态（适用性、耐久性）的区别。阐明荷载组合是为了找出对结构最不利的荷载效应组合，以满足不同极限状态的要求。

2、荷载组合表达式（【核心】、【难点】、【高频考点】）：系统讲解《港口工程结构可靠度设计统一标准》和《荷载规范》中规定的荷载效应组合表达式。

[1]承载能力极限状态基本组合：用于持久设计状况或短暂设计状况。公式为γ0S(γGGk,γQ1Q1k,ψcjγQjQjk)等。详细解释各分项系数（结构重要性系数γ0、永久荷载分项系数γG、可变荷载分项系数γQ）和组合系数ψc的物理意义和取值原则。特别强调主导可变荷载Q1的选取原则——通常取效应最大的那个可变荷载作为主导荷载。

[2]承载能力极限状态偶然组合：用于偶然设计状况（如地震、爆炸）。公式为γ0S(γGGk,Ad,ψf1Q1k,ψfjQjk)等。解释偶然荷载Ad代表值通常取标准值，其他可变荷载采用频遇值或准永久值。

[3]正常使用极限状态组合：包括标准组合（用于抗裂、裂缝宽度验算）、频遇组合（用于变形验算）和准永久组合（用于考虑长期效应的影响）。解释每种组合对应的荷载代表值选取（标准值、频遇值、准永久值）及其适用场合。

3、荷载的最不利布置：结合流动机械荷载和堆货荷载的空间可变性，讲解如何通过影响线或荷载布置方式来寻找最不利荷载效应。例如，门机荷载在梁上的最不利位置，堆货荷载在连续板上的最不利布置模式等。

项目实战：荷载组合综合案例分析（60分钟）：

1、任务发布：以第一次课引入的重力式码头断面为基础，本次课将其置于一个完整的码头结构（如一个码头分段，包含底板、胸墙、卸荷板等）中。提供完整的工程资料：结构尺寸、材料、水文条件（水位、波浪要素）、使用条件（堆货荷载、船舶吨级、门机型号）等。

2、分组任务（全班分为两大组，每组再细分为计算组和审核组）：

[1]第一大组：负责承载能力极限状态下的荷载组合计算。需要分别计算结构在“极端高水位+波浪力+堆货荷载+系缆力”（主导可变荷载需判断）、“设计低水位+土压力+堆货荷载+门机荷载”等多种工况下的荷载效应（弯矩、剪力、轴力）总值。要求明确写出每种组合中，各项荷载的分项系数和组合系数。

[2]第二大组：负责正常使用极限状态下的荷载组合计算。分别计算标准组合、频遇组合、准永久组合下的荷载效应值。重点在于正确选用荷载的频遇值系数ψf和准永久值系数ψq。

3、成果汇报与交叉评审（30分钟）：各组完成计算后，制作PPT或直接在黑板上展示计算过程和结果。两大组之间进行交叉提问和评审。例如，第一大组可以质疑第二大组在准永久组合中对堆货荷载取值的合理性；第二大组可以询问第一大组在基本组合中为何选取某可变荷载为主导荷载。这种对抗式研讨能极大深化学生对组合原则的理解。

教师点评与总结（15分钟）：教师对各组的计算过程和结果进行专业点评，指出共性问题，解答疑难杂症。最后，以流程图形式（在板书中画出）系统总结整个荷载分析的全过程：从工程条件分析、荷载分类与计算、到基于极限状态的组合、最终得到设计内力。再次强调，荷载分析的最终目的是服务于结构设计，必须深刻理解“荷载-结构-安全”的内在逻辑关系。

课后拓展：布置一项综合课程作业：要求学生独立完成一个完整的小型码头结构（如一个靠船墩）的荷载计算书。计算书需包含所有可能出现的荷载计算过程，并按两种极限状态进行不少于5种工况的荷载组合。鼓励学生使用Excel或MathCAD等工具进行编程计算，提高效率和准确性。该项作业将作为本单元学习效果的重要评价依据。

五、教学资源与评价体系

（一）教学资源

1、核心教材：选用国家级规划教材《港口水工建筑物》。

2、规范标准：《港口工程荷载规范》（JTS144-1-2010）、《海港水文规范》（JTS145-2-2013）等现行行业标准，确保教学内容与工程实践无缝对接。

3、数字化资源：建设有在线课程平台，提供预习视频、课件、规范电子版、计算示例、数值模拟动画视频等。引入虚拟仿真实验平台，让学生在虚拟环境中进行荷载的交互式布置和计算。

4、案例库：收集整理国内外典型港口工程的荷载计算案例，包括成功案例和事故案例，作为课堂讨论和分析的材料。

（二）教学评价

采用形成性评价与终结性评价相结合的多元化评价体系：

1、形成性评价（占50%）：

[1]课堂参与度（10%）：包括课堂提问回答、小组讨论表现。

[2]课后作业（20%）：每次课后的计算作业，重点考察对基本概念和计算方法的掌握。

[3]小组项目（20%）：第四次课的小组实战项目完成情况，重点考察团队协