适合于中国课程体系的地震工程学课程建设

李爽　翟长海

摘 要：建筑结构抗震相关方向的研究或工程设计需要有地震工程学的知识背景，地震工程学课程是土木工程专业研究生的学位课程，也是研究生阶段唯一的一门涉及地震学和工程结构抗震知识的专业基础性课程。文章通过对我国建筑结构抗震相关方向的现有课程体系和地震工程学课程国内外主要书籍特点的分析，提出了适合我国的地震工程学课程内容的建设建议。本研究可对我国高等院校和研究所中研究生地震工程学课程的建设提供参考。

关键词：地震工程学；课程体系；教材；课程内容

中图分类号：G643.2 文献标志码：A 文章编号：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发挥人才培养、科学研究、社会服务、文化传承的职责，其中人才培养是这四个方面的核心，支撑着其他三个方面的顺利实现。土木工程专业对学生培养的总体要求是掌握本学科的基础理论和系统的专业知识，对本学科的技术现状和发展趋势有一定的了解，具有解决实际土木工程问题的综合能力。另外，硕士生要求具有从事科学研究、独立担负专门技术工作的能力，博士生在以上要求基础上需要具有创新能力。从我国现有土木工程学科的设置来看，几乎所有高等院校均开设土木工程专业。此外，一些研究所，如中国地震局工程力学研究所和地球物理研究所、中国科学院武汉岩土力学研究所等也与土木工程专业相关，并且从事地震工程方面的研究和研究生培养。

地震工程学课程联系着地震学和工程学两门学科，是土木工程专业研究生的重要专业学位课之一。本研究将针对我国研究生教育中地震工程学课程的自身情况，考虑与其他相关课程衔接，对该课程的课程内容建设提出若干建议。

一、我国建筑结构抗震相关方向的课程体系

我国的课程分类较细，与建筑结构抗震相关的课程体系中包括多门课程，如建筑结构抗震设计、地下结构抗震、桥梁结构抗震、结构动力学、结构隔震与耗能减振、结构振动的智能控制等课程。大多数情况，建筑结构抗震设计课程是土木工程专业学生本科生阶段均开设的课程，可作为后续课程的基础或是后续课程的简化版，内容涉及地震的基本知识、地震作用计算、结构抗震验算的基本方法、常见建筑结构的抗震设计及抗震构造措施等。地下结构抗震和桥梁结构抗震可能在本科生阶段或研究生阶段开设，涉及内容与建筑结构抗震设计课程相似，但由于对象不同，在具体的计算方法方面有所区别。结构动力学、结构隔震与耗能减振、结构振动的智能控制均为研究生阶段开设的课程。结构动力学是基本理论性课程，内容涉及结构频率和模态的求解方法、单自由度体系和多自由度体系动力学、随机振动理论等。结构隔震与耗能减振和结构振动的智能控制在一定程度上反映了目前的地震科技，体现了建筑结构从“硬抗”到“智能抗震”的思想，内容涉及隔震、耗能减震、振动控制的基本原理、设备、设计方法等，属于建筑结构抗震设计的高级进阶层次的学习内容，需要有相关的基础课程的知识作为辅助。地震工程学课程的定位为专业基础性课程，以上课程与地震工程学课程的内容有衔接和交叉，需要在课程内容设计上给予考虑。

二、地震工程学国内外主要参考书籍

教材建设是课程建设和教学改革的重要组成部分，是深化教学改革、提高教学质量的重要保证。目前，国内外有若干本书籍可供课程参考，这些书籍各自有不同的特点。书籍[1]中以工程地震、结构抗震设计理论、地震工程理论（地震危险性分析、地震区划）为主要内容。书籍[2]所包含的内容十分广泛，包括地震学的基础知识、地震动特性、场地地震效应与分析方法；工程结构的抗震设计原理、地震反应分析方法与试验技术；混凝土结构、钢结构、砌体结构房屋的抗震性能与抗震设计方法；土石坝、混凝土坝的抗震分析方法；桥梁抗震设计理论、分析方法；基础隔震、吸振减震、耗能减震与结构控制的理论、方法与技术。书籍[3]主要内容包括地震地面运动特性、地震区划、场地和抗震设计反应谱；结构地震反应分析的理论基础与实用分析方法；结构抗震设计方法与抗震加固技术、结构基础隔震和消能减震以及结构抗震试验；各类结构的震害与抗震性能及抗震设计方法。书籍[4，5]主要内容包括地震学的基础知识、土工方面的问题、建筑结构方面的问题、生命线工程方面的问题、地震次生灾害、地震损失估计、地震保险、地震应急救援等。书籍[6]主要内容包括地震学的基本知识、结构反应的影响因素、地震动特征、结构反应计算等内容。相比其他参考书，书籍[6]内容相对精简，比较适合于课程教学使用。

总体来讲，目前可获得的地震工程学参考书籍所包含的内容十分广泛，书籍写作水平也不低，但适用于研究生课堂讲授的教材并不完善，主要表现为在内容上并未与已有的课程，如建筑结构抗震设计、地下结构抗震、桥梁结构抗震、结构动力学、结构隔震与耗能减振、结构振动的智能控制等进行区分，同时没有较好的反映课程内容不同部分之间的逻辑关系及最新的研究成果，因此在教材建设上需要做进一步工作并反映在教学内容上。

三、适合我国的地震工程学课程内容

地震工程学课程涉及的内容覆盖广泛，广义上说包括上述提及的各方面内容。然而，目前课程的一般教学周期为32学时，因此需要合理的规划授课内容，做到讲授地震工程学中最为重要的部分同时与其他课程不冲突、相互衔接。如上所述，目前本科生和研究生的一些其他课程，如建筑结构抗震设计、地下结构抗震、桥梁结构抗震、结构动力学、结构隔震与耗能减振、结构振动的智能控制，已经使学生掌握了一定的地震工程学方面的知识，因此地震工程学课程不应再次重复。另外，近年来发展并已被广泛使用的结构分析方法和抗震设计方法，如Pushover分析方法、增量动力分析方法（IncrementalDynamicAnalysis）、易损性分析方法（FragilityAnalysis）、基于性态的地震工程方法（Performance-basedEarthquakeEngineeringMethodology）等在目前的参考书籍中并未涉及，需要补充到课程之中。通过考虑我国现有课程体系的设置情况以及作者对近年来本门课程的教学总结，推荐地震工程学课程按图1所示内容进行授课。此授课内容中的第1-4部分为地震学基本知识和地震动荷载；第5部分为结构反应的一个总体说明，为第6-9部分提供知识基础；第6和7部分为单自由度结构体系抗震分析的相关内容；第8和9部分为真实的多自由度结构体系抗震分析的相关内容；第10和11部分为地震环境分析以及代表建筑结构抗震设计未来发展方向的基于性态的地震工程方法；第12和13部分为抗震设防标准和设计规范；第14部分为与抗震相关的试验方法的总结。下面将针对每一部分授课内容及其与课程其他部分的相互关系做详细说明。

（一）课程导论和历史地震回顾

授课内容：地震工程学课程所包含的授课内容，各部分课程内容之间的逻辑关系，重要历史地震事件回顾（这些地震事件推动了地震工程学的发展，如促成在地震工程学方面最早研究的地震、提出地震发生回弹理论的地震、使人们认识到次生灾害必须考虑的地震、第一次记录到真实地震动记录的地震、不同阶段抗震设计方法对应的标志性地震事件等）。与课程其他部分关系：此部分为课程总纲，使学生了解地震工程学的发展历程以及课程各部分的内在联系。

（二）地震和结构抗震基本知识

授课内容：地震成因，断层，地震波，地震动，烈度，震级，大震级饱和现象，地震重现期，不同抗震设计理论的特点简介（静力抗震设计方法、反应谱抗震设计方法、动力抗震设计方法、基于性态的抗震设计方法）。与课程其他部分关系：是后续课程的基础，其中不同抗震设计理论的特点简介的相关内容使用了课程第1部分中历史地震回顾中的相关内容。

（三）地震动的观测和记录处理

授课内容：台站，台阵，台网，地震动记录如何获得，基线漂移，记录文件的阅读。与课程其他部分关系：在学生掌握课程第2部分的知识后，进一步在此本部分掌握作为结构地震反应计算时输入荷载的地震动记录的获取和处理方法，地震动记录在课程后续部分中均有使用。

（四）地震动特征和地震动衰减

授课内容：地震动参数，地震动参数衰减关系，影响地震动的各种效应（破裂方向性效应、滑冲效应、超剪切破裂效应、上盘效应、地壳波导效应、沉积盆地效应，等）。与课程其他部分关系：将第3部分内容中的地震动记录时程曲线使用参数化描述，这些参数在课程后续内容中均有使用。地震动参数衰减关系对第12和13部分有支撑作用。

（五）影响结构反应的重要参数

授课内容：结构刚度，结构强度，结构延性，基于强度的设计思想，基于延性的设计思想，结构整体及层的屈服变形和极限变形的确定方法，地震作用的特点，构件水平设计和结构整体抗震安全性的关系。与课程其他部分关系：与第4部分作用类似，只是介绍的参数均为与建筑结构自身有关的，这些参数在课程后续部分中均有使用。

（六）单自由度结构的地震反应

授课内容：荷载插值法（适用于结构弹性反应分析），弹性反应谱和设计谱（与结构所受地震作用的关系、谱的影响因素、标准化反应谱、拟反应谱），针对单自由度结构的中心差分方法和Newmark方法（适用于结构弹性和非弹性反应分析），人造和数值模拟地震动。与课程其他部分关系：单自由度反应的计算方法是课程第7部分非弹性反应谱计算的基础，弹性反应谱和设计谱在课程后续部分中均有使用。

（七）结构的非弹性地震反应谱

授课内容：等延性非弹性反应谱及比谱，等强度非弹性反应谱及比谱，非弹性反应谱的计算，非弹性反应谱的应用范围，非弹性反应谱的影响因素，非弹性谱和弹性反应谱的关系，非弹性设计谱。与课程其他部分关系：使用了课程第6部分的内容，非弹性反应谱在课程第6和11部分均有使用。

（八）地震反应分析：动力方法

授课内容：针对真实的多自由度结构情况，仅适用于线弹性分析的振型分解法及振型分解反应谱法，线弹性分析和非线性分析都适用的中心差分法和Newmark法，使用有限元方法进行结构时程分析的流程（包括地震动记录的选择和调幅、有限元建模、结构质量矩阵M/阻尼矩阵C/刚度矩陣K的建立和更新、非线性方程的求解方法），多维地震动输入的情况，多次分析结果的分析方法（包括中国、美国结构抗震设计规范中推荐的方法，增量动力分析方法等）。与课程其他部分关系：此部分的方法在课程第10和11部分均有使用。

（九）地震反应分析：静力方法（非线性静力）

授课内容：Pushover方法的用途，Pushover方法中需求谱和能力谱的建立，性态点的迭代求解方法，MPA（ModifiedPushoverAnalysis）方法的思想，使用一次Pushover分析代替一次非线性时程分析进而获得增量动力分析结果的思想。与课程其他部分关系：此部分的方法是与第8部分相比属于并行的两种方法，但可大量节省计算量，此部分的方法在课程第10和11部分均有使用。

（十）地震危险性和结构易损性

授课内容：确定性地震危险性分析方法和概率地震危险性分析方法，结构易损性的常用计算方法，Vulnerability易损性曲线和Fragility易损性曲线的区别。与课程其他部分关系：地震危险性分析从概率的角度解释了课程第2部分中所讲授的地震发生大小的可能性以及第3和4部分中地震动参数出现不同强度的可能性，地震危险性和结构易损性在课程第11部分有使用。

（十一）基于性态的地震工程方法

授课内容：第一代基于性态地震工程方法，第二代基于性态地震工程方法，使用全概率方法对地震后果进行分析的思想（即地震危险性分析、结构反应分析、结构易损性分析、经济损失分析4个前后承接的步骤）。与课程其他部分关系：此部分是本课程前序内容第1至10部分的集成，后续课程为工程应用所需的标准、规范和用于科学研究和工程应用的试验方法。

（十二）设计地震和抗震设防标准

授课内容：主要针对我国情况，包括抗震设防烈度，建筑类别，三水准两阶段抗震设计方法，大震、中震、小震的地面峰值加速度统计关系，烈度概率密度函数曲线的获得方法，小震设计、中震设防、大震检验的设计思想。与课程其他部分关系：此部分为第13部分中国抗震规范中相关内容的理论基础。

（十三）中、美抗震设计规范对比

授课内容：中国建筑结构抗震设计规范和美国建筑结构抗震设计规范各自的发展历程，两国规范在地震危险性规定、建筑场地分类方法、结构地震作用计算方法、结构抗震验算方法等方面的区别。与课程其他部分关系：此部分内容是直接针对建筑结构抗震设计的条款做介绍，基本原理来自于课程的第1至12部分的内容。

（十四）结构抗震的相关试验方法

授课内容：往复荷载拟静力抗震试验、拟动力抗震试验、地震模拟振动台试验、子结构抗震试验。与课程其他部分关系：试验设计和验证中使用了课程第3和第8部分的内容。

以上课程内容安排可以与我国现行课程体系实现内容上的互补及相互支持，具体关系见图2所示。对于本科生的建筑结构抗震设计、地下结构抗震、桥梁结构抗震课程，研究生的结构动力学、结构隔震与耗能减振、结构振动的智能控制课程，在内容上不重复，地震工程学课程以研究生的结构动力学课程中的理论为部分前修课程知识，为本科生相关课程提供了理论上的解释和进一步深化，为研究生的后续的“智能抗震”相关课程提供了理论基础和高等的分析方法。本文建议的地震工程学课程内容可以在32学时内讲完，并可以体现地震工程研究领域的核心知识，同时包含了近十余年来已经被广泛使用的分析和设计理论。以上课程内容可以结合多种方式来讲授，比如以线上教学为主的慕课[7]和以线下教学为主的翻转课堂[8]等。

四、结束语

地震工程学课程是土木工程专业研究生的主要专业课之一，尤其对于从事与地震研究有关的学生，对其研究生阶段的科研和今后的工作都有重要的影响。结合我国高等院校和研究所中土木工程专业课程体系的设置情况、国内外现有主要参考书籍的情况，对适合我国课程体系的研究生地震工程学课程的授课内容建设提出了建议。建议的授课内容可实现与本科生和研究生阶段的其他相关课程的内容上互补，体现地震工程研究领域的核心知识，涵盖近十余年来已经被广泛使用的分析和设计理论。建议的授课内容考虑了课程各部分之间的逻辑关系，更适合学生理解和接受地震工程学的知识。另外，目前国内关于地震工程学的参考书籍偏少，仅有的参考书籍作为课程教材尚存在一定的局限性，地震工程学课程经典中文参考教材的建设也是值得关注和需要尽快解决的问题。

参考文献：

[1]胡聿贤.地震工程学（第2版）[M].北京：地震出版社，2006.

[2]李宏男.地震工程学[M].北京：机械工业出版社，2013.

[3]沈聚敏，周锡元，高小旺，等.抗震工程学（第2版）[M].北京：中国建筑工业出版社，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]尹达.“慕課现象”的本质阐释、现实反思与未来展望[J].电子化教育研究，2015，5：59-63.

[8]赵兴龙.翻转课堂中知识内化过程及教学模式设计[J].现代远程教育研究，2014，2：55-61.