適合于中國課程體系的地震工程學(xué)課程建設(shè)

李爽　翟長海

摘 要：建筑結(jié)構(gòu)抗震相關(guān)方向的研究或工程設(shè)計需要有地震工程學(xué)的知識背景，地震工程學(xué)課程是土木工程專業(yè)研究生的學(xué)位課程，也是研究生階段唯一的一門涉及地震學(xué)和工程結(jié)構(gòu)抗震知識的專業(yè)基礎(chǔ)性課程。文章通過對我國建筑結(jié)構(gòu)抗震相關(guān)方向的現(xiàn)有課程體系和地震工程學(xué)課程國內(nèi)外主要書籍特點的分析，提出了適合我國的地震工程學(xué)課程內(nèi)容的建設(shè)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(xué)課程的建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：地震工程學(xué)；課程體系；教材；課程內(nèi)容

中圖分類號：G643.2 文獻標(biāo)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(yīng)充分發(fā)揮人才培養(yǎng)、科學(xué)研究、社會服務(wù)、文化傳承的職責(zé)，其中人才培養(yǎng)是這四個方面的核心，支撐著其他三個方面的順利實現(xiàn)。土木工程專業(yè)對學(xué)生培養(yǎng)的總體要求是掌握本學(xué)科的基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)的專業(yè)知識，對本學(xué)科的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)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(xué)研究、獨立擔(dān)負(fù)專門技術(shù)工作的能力，博士生在以上要求基礎(chǔ)上需要具有創(chuàng)新能力。從我國現(xiàn)有土木工程學(xué)科的設(shè)置來看，幾乎所有高等院校均開設(shè)土木工程專業(yè)。此外，一些研究所，如中國地震局工程力學(xué)研究所和地球物理研究所、中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所等也與土木工程專業(yè)相關(guān)，并且從事地震工程方面的研究和研究生培養(yǎng)。

地震工程學(xué)課程聯(lián)系著地震學(xué)和工程學(xué)兩門學(xué)科，是土木工程專業(yè)研究生的重要專業(yè)學(xué)位課之一。本研究將針對我國研究生教育中地震工程學(xué)課程的自身情況，考慮與其他相關(guān)課程銜接，對該課程的課程內(nèi)容建設(shè)提出若干建議。

一、我國建筑結(jié)構(gòu)抗震相關(guān)方向的課程體系

我國的課程分類較細(xì)，與建筑結(jié)構(gòu)抗震相關(guān)的課程體系中包括多門課程，如建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、地下結(jié)構(gòu)抗震、橋梁結(jié)構(gòu)抗震、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、結(jié)構(gòu)隔震與耗能減振、結(jié)構(gòu)振動的智能控制等課程。大多數(shù)情況，建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計課程是土木工程專業(yè)學(xué)生本科生階段均開設(shè)的課程，可作為后續(xù)課程的基礎(chǔ)或是后續(xù)課程的簡化版，內(nèi)容涉及地震的基本知識、地震作用計算、結(jié)構(gòu)抗震驗算的基本方法、常見建筑結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計及抗震構(gòu)造措施等。地下結(jié)構(gòu)抗震和橋梁結(jié)構(gòu)抗震可能在本科生階段或研究生階段開設(shè)，涉及內(nèi)容與建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)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(qū)別。結(jié)構(gòu)動力學(xué)、結(jié)構(gòu)隔震與耗能減振、結(jié)構(gòu)振動的智能控制均為研究生階段開設(shè)的課程。結(jié)構(gòu)動力學(xué)是基本理論性課程，內(nèi)容涉及結(jié)構(gòu)頻率和模態(tài)的求解方法、單自由度體系和多自由度體系動力學(xué)、隨機振動理論等。結(jié)構(gòu)隔震與耗能減振和結(jié)構(gòu)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(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)從“硬抗”到“智能抗震”的思想，內(nèi)容涉及隔震、耗能減震、振動控制的基本原理、設(shè)備、設(shè)計方法等，屬于建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的高級進階層次的學(xué)習(xí)內(nèi)容，需要有相關(guān)的基礎(chǔ)課程的知識作為輔助。地震工程學(xué)課程的定位為專業(yè)基礎(chǔ)性課程，以上課程與地震工程學(xué)課程的內(nèi)容有銜接和交叉，需要在課程內(nèi)容設(shè)計上給予考慮。

二、地震工程學(xué)國內(nèi)外主要參考書籍

教材建設(shè)是課程建設(shè)和教學(xué)改革的重要組成部分，是深化教學(xué)改革、提高教學(xué)質(zhì)量的重要保證。目前，國內(nèi)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(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論、地震工程理論（地震危險性分析、地震區(qū)劃）為主要內(nèi)容。書籍[2]所包含的內(nèi)容十分廣泛，包括地震學(xué)的基礎(chǔ)知識、地震動特性、場地地震效應(yīng)與分析方法；工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計原理、地震反應(yīng)分析方法與試驗技術(shù)；混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震性能與抗震設(shè)計方法；土石壩、混凝土壩的抗震分析方法；橋梁抗震設(shè)計理論、分析方法；基礎(chǔ)隔震、吸振減震、耗能減震與結(jié)構(gòu)控制的理論、方法與技術(shù)。書籍[3]主要內(nèi)容包括地震地面運動特性、地震區(qū)劃、場地和抗震設(shè)計反應(yīng)譜；結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的理論基礎(chǔ)與實用分析方法；結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法與抗震加固技術(shù)、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震和消能減震以及結(jié)構(gòu)抗震試驗；各類結(jié)構(gòu)的震害與抗震性能及抗震設(shè)計方法。書籍[4，5]主要內(nèi)容包括地震學(xué)的基礎(chǔ)知識、土工方面的問題、建筑結(jié)構(gòu)方面的問題、生命線工程方面的問題、地震次生災(zāi)害、地震損失估計、地震保險、地震應(yīng)急救援等。書籍[6]主要內(nèi)容包括地震學(xué)的基本知識、結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響因素、地震動特征、結(jié)構(gòu)反應(yīng)計算等內(nèi)容。相比其他參考書，書籍[6]內(nèi)容相對精簡，比較適合于課程教學(xué)使用。

總體來講，目前可獲得的地震工程學(xué)參考書籍所包含的內(nèi)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(xiàn)為在內(nèi)容上并未與已有的課程，如建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、地下結(jié)構(gòu)抗震、橋梁結(jié)構(gòu)抗震、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、結(jié)構(gòu)隔震與耗能減振、結(jié)構(gòu)振動的智能控制等進行區(qū)分，同時沒有較好的反映課程內(nèi)容不同部分之間的邏輯關(guān)系及最新的研究成果，因此在教材建設(shè)上需要做進一步工作并反映在教學(xué)內(nèi)容上。

三、適合我國的地震工程學(xué)課程內(nèi)容

地震工程學(xué)課程涉及的內(nèi)容覆蓋廣泛，廣義上說包括上述提及的各方面內(nèi)容。然而，目前課程的一般教學(xué)周期為32學(xué)時，因此需要合理的規(guī)劃授課內(nèi)容，做到講授地震工程學(xué)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(jié)構(gòu)抗震設(shè)計、地下結(jié)構(gòu)抗震、橋梁結(jié)構(gòu)抗震、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、結(jié)構(gòu)隔震與耗能減振、結(jié)構(gòu)振動的智能控制，已經(jīng)使學(xué)生掌握了一定的地震工程學(xué)方面的知識，因此地震工程學(xué)課程不應(yīng)再次重復(fù)。另外，近年來發(fā)展并已被廣泛使用的結(jié)構(gòu)分析方法和抗震設(shè)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(tài)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(xiàn)有課程體系的設(shè)置情況以及作者對近年來本門課程的教學(xué)總結(jié)，推薦地震工程學(xué)課程按圖1所示內(nèi)容進行授課。此授課內(nèi)容中的第1-4部分為地震學(xué)基本知識和地震動荷載；第5部分為結(jié)構(gòu)反應(yīng)的一個總體說明，為第6-9部分提供知識基礎(chǔ)；第6和7部分為單自由度結(jié)構(gòu)體系抗震分析的相關(guān)內(nèi)容；第8和9部分為真實的多自由度結(jié)構(gòu)體系抗震分析的相關(guān)內(nèi)容；第10和11部分為地震環(huán)境分析以及代表建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計未來發(fā)展方向的基于性態(tài)的地震工程方法；第12和13部分為抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范；第14部分為與抗震相關(guān)的試驗方法的總結(jié)。下面將針對每一部分授課內(nèi)容及其與課程其他部分的相互關(guān)系做詳細(xì)說明。

（一）課程導(dǎo)論和歷史地震回顧

授課內(nèi)容：地震工程學(xué)課程所包含的授課內(nèi)容，各部分課程內(nèi)容之間的邏輯關(guān)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(xué)的發(fā)展，如促成在地震工程學(xué)方面最早研究的地震、提出地震發(fā)生回彈理論的地震、使人們認(rèn)識到次生災(zāi)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(shè)計方法對應(yīng)的標(biāo)志性地震事件等）。與課程其他部分關(guān)系：此部分為課程總綱，使學(xué)生了解地震工程學(xué)的發(fā)展歷程以及課程各部分的內(nèi)在聯(lián)系。

（二）地震和結(jié)構(gòu)抗震基本知識

授課內(nèi)容：地震成因，斷層，地震波，地震動，烈度，震級，大震級飽和現(xiàn)象，地震重現(xiàn)期，不同抗震設(shè)計理論的特點簡介（靜力抗震設(shè)計方法、反應(yīng)譜抗震設(shè)計方法、動力抗震設(shè)計方法、基于性態(tài)的抗震設(shè)計方法）。與課程其他部分關(guān)系：是后續(xù)課程的基礎(chǔ)，其中不同抗震設(shè)計理論的特點簡介的相關(guān)內(nèi)容使用了課程第1部分中歷史地震回顧中的相關(guān)內(nèi)容。

（三）地震動的觀測和記錄處理

授課內(nèi)容：臺站，臺陣，臺網(wǎng)，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(guān)系：在學(xué)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(jié)構(gòu)地震反應(yīng)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(xù)部分中均有使用。

（四）地震動特征和地震動衰減

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

（五）影響結(jié)構(gòu)反應(yīng)的重要參數(shù)

授課內(nèi)容：結(jié)構(gòu)剛度，結(jié)構(gòu)強度，結(jié)構(gòu)延性，基于強度的設(shè)計思想，基于延性的設(shè)計思想，結(jié)構(gòu)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(gòu)件水平設(shè)計和結(jié)構(gòu)整體抗震安全性的關(guān)系。與課程其他部分關(guān)系：與第4部分作用類似，只是介紹的參數(shù)均為與建筑結(jié)構(gòu)自身有關(guān)的，這些參數(shù)在課程后續(xù)部分中均有使用。

（六）單自由度結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)

授課內(nèi)容：荷載插值法（適用于結(jié)構(gòu)彈性反應(yīng)分析），彈性反應(yīng)譜和設(shè)計譜（與結(jié)構(gòu)所受地震作用的關(guān)系、譜的影響因素、標(biāo)準(zhǔn)化反應(yīng)譜、擬反應(yīng)譜），針對單自由度結(jié)構(gòu)的中心差分方法和Newmark方法（適用于結(jié)構(gòu)彈性和非彈性反應(yīng)分析），人造和數(shù)值模擬地震動。與課程其他部分關(guān)系：單自由度反應(yīng)的計算方法是課程第7部分非彈性反應(yīng)譜計算的基礎(chǔ)，彈性反應(yīng)譜和設(shè)計譜在課程后續(xù)部分中均有使用。

（七）結(jié)構(gòu)的非彈性地震反應(yīng)譜

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

（八）地震反應(yīng)分析：動力方法

授課內(nèi)容：針對真實的多自由度結(jié)構(gòu)情況，僅適用于線彈性分析的振型分解法及振型分解反應(yīng)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(jié)構(gòu)時程分析的流程（包括地震動記錄的選擇和調(diào)幅、有限元建模、結(jié)構(gòu)質(zhì)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(jié)果的分析方法（包括中國、美國結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中推薦的方法，增量動力分析方法等）。與課程其他部分關(guān)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(yīng)分析：靜力方法（非線性靜力）

授課內(nèi)容：Pushover方法的用途，Pushover方法中需求譜和能力譜的建立，性態(tài)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(jié)果的思想。與課程其他部分關(guān)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(jié)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(jié)構(gòu)易損性

授課內(nèi)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(jié)構(gòu)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(qū)別。與課程其他部分關(guān)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(fā)生大小的可能性以及第3和4部分中地震動參數(shù)出現(xiàn)不同強度的可能性，地震危險性和結(jié)構(gòu)易損性在課程第11部分有使用。

（十一）基于性態(tài)的地震工程方法

授課內(nèi)容：第一代基于性態(tài)地震工程方法，第二代基于性態(tài)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(jié)構(gòu)反應(yīng)分析、結(jié)構(gòu)易損性分析、經(jīng)濟損失分析4個前后承接的步驟）。與課程其他部分關(guān)系：此部分是本課程前序內(nèi)容第1至10部分的集成，后續(xù)課程為工程應(yīng)用所需的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和用于科學(xué)研究和工程應(yīng)用的試驗方法。

（十二）設(shè)計地震和抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)

授課內(nèi)容：主要針對我國情況，包括抗震設(shè)防烈度，建筑類別，三水準(zhǔn)兩階段抗震設(shè)計方法，大震、中震、小震的地面峰值加速度統(tǒng)計關(guān)系，烈度概率密度函數(shù)曲線的獲得方法，小震設(shè)計、中震設(shè)防、大震檢驗的設(shè)計思想。與課程其他部分關(guān)系：此部分為第13部分中國抗震規(guī)范中相關(guān)內(nèi)容的理論基礎(chǔ)。

（十三）中、美抗震設(shè)計規(guī)范對比

授課內(nèi)容：中國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范和美國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范各自的發(fā)展歷程，兩國規(guī)范在地震危險性規(guī)定、建筑場地分類方法、結(jié)構(gòu)地震作用計算方法、結(jié)構(gòu)抗震驗算方法等方面的區(qū)別。與課程其他部分關(guān)系：此部分內(nèi)容是直接針對建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)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(nèi)容。

（十四）結(jié)構(gòu)抗震的相關(guān)試驗方法

授課內(nèi)容：往復(fù)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(jié)構(gòu)抗震試驗。與課程其他部分關(guān)系：試驗設(shè)計和驗證中使用了課程第3和第8部分的內(nèi)容。

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

四、結(jié)束語

地震工程學(xué)課程是土木工程專業(yè)研究生的主要專業(yè)課之一，尤其對于從事與地震研究有關(guān)的學(xué)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(jié)合我國高等院校和研究所中土木工程專業(yè)課程體系的設(shè)置情況、國內(nèi)外現(xiàn)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(xué)課程的授課內(nèi)容建設(shè)提出了建議。建議的授課內(nèi)容可實現(xiàn)與本科生和研究生階段的其他相關(guān)課程的內(nèi)容上互補，體現(xiàn)地震工程研究領(lǐng)域的核心知識，涵蓋近十余年來已經(jīng)被廣泛使用的分析和設(shè)計理論。建議的授課內(nèi)容考慮了課程各部分之間的邏輯關(guān)系，更適合學(xué)生理解和接受地震工程學(xué)的知識。另外，目前國內(nèi)關(guān)于地震工程學(xué)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(xué)課程經(jīng)典中文參考教材的建設(shè)也是值得關(guān)注和需要盡快解決的問題。

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