適合于中國課程體系的地震工程學課程建設

李爽　翟長海

摘 要：建筑結構抗震相關方向的研究或工程設計需要有地震工程學的知識背景，地震工程學課程是土木工程專業研究生的學位課程，也是研究生階段唯一的一門涉及地震學和工程結構抗震知識的專業基礎性課程。文章通過對我國建筑結構抗震相關方向的現有課程體系和地震工程學課程國內外主要書籍特點的分析，提出了適合我國的地震工程學課程內容的建設建議。本研究可對我國高等院校和研究所中研究生地震工程學課程的建設提供參考。

關鍵詞：地震工程學；課程體系；教材；課程內容

中圖分類號：G643.2 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2018）04-0073-04

Abstract： The knowledge of earthquake engineering is needed in the study and structural design procedures relevant to seismic resistance of buildings. The course of earthquake engineering is one of the degree-required courses for the graduate students in the major of civil engineering and the only course that connected the seismology and structural engineering. Based on the discussion on several aspects， including the course architecture relevant to structural seismic design in China and the present reference books of earthquake engineering， the proper content of the course of earthquake engineering compatible to the Chinese architecture course is advised. The study provides useful reference on the construction of the earthquake engineering course in universities and institutes.

Keywords： Earthquake engineering； course architecture； textbook； course content

高等院校和研究所應充分發揮人才培養、科學研究、社會服務、文化傳承的職責，其中人才培養是這四個方面的核心，支撐著其他三個方面的順利實現。土木工程專業對學生培養的總體要求是掌握本學科的基礎理論和系統的專業知識，對本學科的技術現狀和發展趨勢有一定的了解，具有解決實際土木工程問題的綜合能力。另外，碩士生要求具有從事科學研究、獨立擔負專門技術工作的能力，博士生在以上要求基礎上需要具有創新能力。從我國現有土木工程學科的設置來看，幾乎所有高等院校均開設土木工程專業。此外，一些研究所，如中國地震局工程力學研究所和地球物理研究所、中國科學院武漢巖土力學研究所等也與土木工程專業相關，并且從事地震工程方面的研究和研究生培養。

地震工程學課程聯系著地震學和工程學兩門學科，是土木工程專業研究生的重要專業學位課之一。本研究將針對我國研究生教育中地震工程學課程的自身情況，考慮與其他相關課程銜接，對該課程的課程內容建設提出若干建議。

一、我國建筑結構抗震相關方向的課程體系

我國的課程分類較細，與建筑結構抗震相關的課程體系中包括多門課程，如建筑結構抗震設計、地下結構抗震、橋梁結構抗震、結構動力學、結構隔震與耗能減振、結構振動的智能控制等課程。大多數情況，建筑結構抗震設計課程是土木工程專業學生本科生階段均開設的課程，可作為后續課程的基礎或是后續課程的簡化版，內容涉及地震的基本知識、地震作用計算、結構抗震驗算的基本方法、常見建筑結構的抗震設計及抗震構造措施等。地下結構抗震和橋梁結構抗震可能在本科生階段或研究生階段開設，涉及內容與建筑結構抗震設計課程相似，但由于對象不同，在具體的計算方法方面有所區別。結構動力學、結構隔震與耗能減振、結構振動的智能控制均為研究生階段開設的課程。結構動力學是基本理論性課程，內容涉及結構頻率和模態的求解方法、單自由度體系和多自由度體系動力學、隨機振動理論等。結構隔震與耗能減振和結構振動的智能控制在一定程度上反映了目前的地震科技，體現了建筑結構從“硬抗”到“智能抗震”的思想，內容涉及隔震、耗能減震、振動控制的基本原理、設備、設計方法等，屬于建筑結構抗震設計的高級進階層次的學習內容，需要有相關的基礎課程的知識作為輔助。地震工程學課程的定位為專業基礎性課程，以上課程與地震工程學課程的內容有銜接和交叉，需要在課程內容設計上給予考慮。

二、地震工程學國內外主要參考書籍

教材建設是課程建設和教學改革的重要組成部分，是深化教學改革、提高教學質量的重要保證。目前，國內外有若干本書籍可供課程參考，這些書籍各自有不同的特點。書籍[1]中以工程地震、結構抗震設計理論、地震工程理論（地震危險性分析、地震區劃）為主要內容。書籍[2]所包含的內容十分廣泛，包括地震學的基礎知識、地震動特性、場地地震效應與分析方法；工程結構的抗震設計原理、地震反應分析方法與試驗技術；混凝土結構、鋼結構、砌體結構房屋的抗震性能與抗震設計方法；土石壩、混凝土壩的抗震分析方法；橋梁抗震設計理論、分析方法；基礎隔震、吸振減震、耗能減震與結構控制的理論、方法與技術。書籍[3]主要內容包括地震地面運動特性、地震區劃、場地和抗震設計反應譜；結構地震反應分析的理論基礎與實用分析方法；結構抗震設計方法與抗震加固技術、結構基礎隔震和消能減震以及結構抗震試驗；各類結構的震害與抗震性能及抗震設計方法。書籍[4，5]主要內容包括地震學的基礎知識、土工方面的問題、建筑結構方面的問題、生命線工程方面的問題、地震次生災害、地震損失估計、地震保險、地震應急救援等。書籍[6]主要內容包括地震學的基本知識、結構反應的影響因素、地震動特征、結構反應計算等內容。相比其他參考書，書籍[6]內容相對精簡，比較適合于課程教學使用。

總體來講，目前可獲得的地震工程學參考書籍所包含的內容十分廣泛，書籍寫作水平也不低，但適用于研究生課堂講授的教材并不完善，主要表現為在內容上并未與已有的課程，如建筑結構抗震設計、地下結構抗震、橋梁結構抗震、結構動力學、結構隔震與耗能減振、結構振動的智能控制等進行區分，同時沒有較好的反映課程內容不同部分之間的邏輯關系及最新的研究成果，因此在教材建設上需要做進一步工作并反映在教學內容上。

三、適合我國的地震工程學課程內容

地震工程學課程涉及的內容覆蓋廣泛，廣義上說包括上述提及的各方面內容。然而，目前課程的一般教學周期為32學時，因此需要合理的規劃授課內容，做到講授地震工程學中最為重要的部分同時與其他課程不沖突、相互銜接。如上所述，目前本科生和研究生的一些其他課程，如建筑結構抗震設計、地下結構抗震、橋梁結構抗震、結構動力學、結構隔震與耗能減振、結構振動的智能控制，已經使學生掌握了一定的地震工程學方面的知識，因此地震工程學課程不應再次重復。另外，近年來發展并已被廣泛使用的結構分析方法和抗震設計方法，如Pushover分析方法、增量動力分析方法（IncrementalDynamicAnalysis）、易損性分析方法（FragilityAnalysis）、基于性態的地震工程方法（Performance-basedEarthquakeEngineeringMethodology）等在目前的參考書籍中并未涉及，需要補充到課程之中。通過考慮我國現有課程體系的設置情況以及作者對近年來本門課程的教學總結，推薦地震工程學課程按圖1所示內容進行授課。此授課內容中的第1-4部分為地震學基本知識和地震動荷載；第5部分為結構反應的一個總體說明，為第6-9部分提供知識基礎；第6和7部分為單自由度結構體系抗震分析的相關內容；第8和9部分為真實的多自由度結構體系抗震分析的相關內容；第10和11部分為地震環境分析以及代表建筑結構抗震設計未來發展方向的基于性態的地震工程方法；第12和13部分為抗震設防標準和設計規范；第14部分為與抗震相關的試驗方法的總結。下面將針對每一部分授課內容及其與課程其他部分的相互關系做詳細說明。

（一）課程導論和歷史地震回顧

授課內容：地震工程學課程所包含的授課內容，各部分課程內容之間的邏輯關系，重要歷史地震事件回顧（這些地震事件推動了地震工程學的發展，如促成在地震工程學方面最早研究的地震、提出地震發生回彈理論的地震、使人們認識到次生災害必須考慮的地震、第一次記錄到真實地震動記錄的地震、不同階段抗震設計方法對應的標志性地震事件等）。與課程其他部分關系：此部分為課程總綱，使學生了解地震工程學的發展歷程以及課程各部分的內在聯系。

（二）地震和結構抗震基本知識

授課內容：地震成因，斷層，地震波，地震動，烈度，震級，大震級飽和現象，地震重現期，不同抗震設計理論的特點簡介（靜力抗震設計方法、反應譜抗震設計方法、動力抗震設計方法、基于性態的抗震設計方法）。與課程其他部分關系：是后續課程的基礎，其中不同抗震設計理論的特點簡介的相關內容使用了課程第1部分中歷史地震回顧中的相關內容。

（三）地震動的觀測和記錄處理

授課內容：臺站，臺陣，臺網，地震動記錄如何獲得，基線漂移，記錄文件的閱讀。與課程其他部分關系：在學生掌握課程第2部分的知識后，進一步在此本部分掌握作為結構地震反應計算時輸入荷載的地震動記錄的獲取和處理方法，地震動記錄在課程后續部分中均有使用。

（四）地震動特征和地震動衰減

授課內容：地震動參數，地震動參數衰減關系，影響地震動的各種效應（破裂方向性效應、滑沖效應、超剪切破裂效應、上盤效應、地殼波導效應、沉積盆地效應，等）。與課程其他部分關系：將第3部分內容中的地震動記錄時程曲線使用參數化描述，這些參數在課程后續內容中均有使用。地震動參數衰減關系對第12和13部分有支撐作用。

（五）影響結構反應的重要參數

授課內容：結構剛度，結構強度，結構延性，基于強度的設計思想，基于延性的設計思想，結構整體及層的屈服變形和極限變形的確定方法，地震作用的特點，構件水平設計和結構整體抗震安全性的關系。與課程其他部分關系：與第4部分作用類似，只是介紹的參數均為與建筑結構自身有關的，這些參數在課程后續部分中均有使用。

（六）單自由度結構的地震反應

授課內容：荷載插值法（適用于結構彈性反應分析），彈性反應譜和設計譜（與結構所受地震作用的關系、譜的影響因素、標準化反應譜、擬反應譜），針對單自由度結構的中心差分方法和Newmark方法（適用于結構彈性和非彈性反應分析），人造和數值模擬地震動。與課程其他部分關系：單自由度反應的計算方法是課程第7部分非彈性反應譜計算的基礎，彈性反應譜和設計譜在課程后續部分中均有使用。

（七）結構的非彈性地震反應譜

授課內容：等延性非彈性反應譜及比譜，等強度非彈性反應譜及比譜，非彈性反應譜的計算，非彈性反應譜的應用范圍，非彈性反應譜的影響因素，非彈性譜和彈性反應譜的關系，非彈性設計譜。與課程其他部分關系：使用了課程第6部分的內容，非彈性反應譜在課程第6和11部分均有使用。

（八）地震反應分析：動力方法

授課內容：針對真實的多自由度結構情況，僅適用于線彈性分析的振型分解法及振型分解反應譜法，線彈性分析和非線性分析都適用的中心差分法和Newmark法，使用有限元方法進行結構時程分析的流程（包括地震動記錄的選擇和調幅、有限元建模、結構質量矩陣M/阻尼矩陣C/剛度矩陣K的建立和更新、非線性方程的求解方法），多維地震動輸入的情況，多次分析結果的分析方法（包括中國、美國結構抗震設計規范中推薦的方法，增量動力分析方法等）。與課程其他部分關系：此部分的方法在課程第10和11部分均有使用。

（九）地震反應分析：靜力方法（非線性靜力）

授課內容：Pushover方法的用途，Pushover方法中需求譜和能力譜的建立，性態點的迭代求解方法，MPA（ModifiedPushoverAnalysis）方法的思想，使用一次Pushover分析代替一次非線性時程分析進而獲得增量動力分析結果的思想。與課程其他部分關系：此部分的方法是與第8部分相比屬于并行的兩種方法，但可大量節省計算量，此部分的方法在課程第10和11部分均有使用。

（十）地震危險性和結構易損性

授課內容：確定性地震危險性分析方法和概率地震危險性分析方法，結構易損性的常用計算方法，Vulnerability易損性曲線和Fragility易損性曲線的區別。與課程其他部分關系：地震危險性分析從概率的角度解釋了課程第2部分中所講授的地震發生大小的可能性以及第3和4部分中地震動參數出現不同強度的可能性，地震危險性和結構易損性在課程第11部分有使用。

（十一）基于性態的地震工程方法

授課內容：第一代基于性態地震工程方法，第二代基于性態地震工程方法，使用全概率方法對地震后果進行分析的思想（即地震危險性分析、結構反應分析、結構易損性分析、經濟損失分析4個前后承接的步驟）。與課程其他部分關系：此部分是本課程前序內容第1至10部分的集成，后續課程為工程應用所需的標準、規范和用于科學研究和工程應用的試驗方法。

（十二）設計地震和抗震設防標準

授課內容：主要針對我國情況，包括抗震設防烈度，建筑類別，三水準兩階段抗震設計方法，大震、中震、小震的地面峰值加速度統計關系，烈度概率密度函數曲線的獲得方法，小震設計、中震設防、大震檢驗的設計思想。與課程其他部分關系：此部分為第13部分中國抗震規范中相關內容的理論基礎。

（十三）中、美抗震設計規范對比

授課內容：中國建筑結構抗震設計規范和美國建筑結構抗震設計規范各自的發展歷程，兩國規范在地震危險性規定、建筑場地分類方法、結構地震作用計算方法、結構抗震驗算方法等方面的區別。與課程其他部分關系：此部分內容是直接針對建筑結構抗震設計的條款做介紹，基本原理來自于課程的第1至12部分的內容。

（十四）結構抗震的相關試驗方法

授課內容：往復荷載擬靜力抗震試驗、擬動力抗震試驗、地震模擬振動臺試驗、子結構抗震試驗。與課程其他部分關系：試驗設計和驗證中使用了課程第3和第8部分的內容。

以上課程內容安排可以與我國現行課程體系實現內容上的互補及相互支持，具體關系見圖2所示。對于本科生的建筑結構抗震設計、地下結構抗震、橋梁結構抗震課程，研究生的結構動力學、結構隔震與耗能減振、結構振動的智能控制課程，在內容上不重復，地震工程學課程以研究生的結構動力學課程中的理論為部分前修課程知識，為本科生相關課程提供了理論上的解釋和進一步深化，為研究生的后續的“智能抗震”相關課程提供了理論基礎和高等的分析方法。本文建議的地震工程學課程內容可以在32學時內講完，并可以體現地震工程研究領域的核心知識，同時包含了近十余年來已經被廣泛使用的分析和設計理論。以上課程內容可以結合多種方式來講授，比如以線上教學為主的慕課[7]和以線下教學為主的翻轉課堂[8]等。

四、結束語

地震工程學課程是土木工程專業研究生的主要專業課之一，尤其對于從事與地震研究有關的學生，對其研究生階段的科研和今后的工作都有重要的影響。結合我國高等院校和研究所中土木工程專業課程體系的設置情況、國內外現有主要參考書籍的情況，對適合我國課程體系的研究生地震工程學課程的授課內容建設提出了建議。建議的授課內容可實現與本科生和研究生階段的其他相關課程的內容上互補，體現地震工程研究領域的核心知識，涵蓋近十余年來已經被廣泛使用的分析和設計理論。建議的授課內容考慮了課程各部分之間的邏輯關系，更適合學生理解和接受地震工程學的知識。另外，目前國內關于地震工程學的參考書籍偏少，僅有的參考書籍作為課程教材尚存在一定的局限性，地震工程學課程經典中文參考教材的建設也是值得關注和需要盡快解決的問題。

參考文獻：

[1]胡聿賢.地震工程學（第2版）[M].北京：地震出版社，2006.

[2]李宏男.地震工程學[M].北京：機械工業出版社，2013.

[3]沈聚敏，周錫元，高小旺，等.抗震工程學（第2版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[4]ChenWC， ScawthornC. Earthquake Engineering Handbook[M]. USA：CRC Press LLC， 2002.

[5]Betbeder-MatibetJ. Seismic Engineering[M].USA： John Wiley and Sons Ltd，2008.

[6]ElnashaiAS， SarnoLD. Fundamentals of Earthquake Engineering[M]. USA： John Wiley and Sons Ltd， 2008.

[7]尹達.“慕課現象”的本質闡釋、現實反思與未來展望[J].電子化教育研究，2015，5：59-63.

[8]趙興龍.翻轉課堂中知識內化過程及教學模式設計[J].現代遠程教育研究，2014，2：55-61.