我国高速铁路运营里程已达到3.5万km,远居世界第一。为了满足高速铁路对行车平顺性的高标准需求,高速铁路多采用“以桥代路”的全封闭模式建设理念,高速铁路桥梁常长达几千米甚至几十千米[1,2,3,4],因而桥梁占线比非常高(如图1所示)。我国地处世界两大地震带——环太平洋地震带和欧亚地震带交汇处,地震带分布范围广、活动频繁,为地震最活跃的国家之一[5,6,7,8,9,10]。我国已建成的四纵四横高速铁路网中有三纵两横位于高烈度地震区,同时还有大量在建和新规划的高速铁路不断向西部地震断裂带和沿海地震高烈度地区延伸,桥梁越来越多、跨度越来越大、运营环境越来越恶劣,高密度运行的高速列车在时空上无法避开震时、震后桥上行车,因此我国高速铁路桥梁面临严重的地震威胁[11,12,13,14,15,16]。

图1高速铁路“以桥代路”的建设理念

高速铁路桥梁作为重要的生命救援通道,一旦在地震中发生破坏,将严重影响灾害救援及灾后建设,进一步加重地震次生灾害,给国家以及人民的生命、财产造成巨大的损失,因此确保震后桥上行车安全是我国交通可持续发展的重大需求。高速铁路桥梁与普通铁路桥梁相比,多采用无砟轨道。无砟轨道结构使桥梁各跨间的联接整体性大大加强,桥梁各跨间的地震反应耦合效应增大[13,15];与公路桥梁相比,为满足行车刚度需求,其墩柱厚重,纵筋率普遍较低,配筋率低于0.5%的少筋混凝土桥墩大量存在[17,18,19],这些都导致高速铁路桥梁与公路桥梁及普通铁路桥梁的抗震性能有显著区别。而我国高铁桥梁因发展时间较晚,尚未真正意义上遭遇强地震的冲击,缺少地震考验,同时现行《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)[20]主要沿用原公路桥梁和普通铁路的抗震设计方法,如何保障地震下轨道-桥梁系统及桥上行车安全是高速铁路面临的重大技术挑战[21,22,23,24]。

针对地震作用下高速铁路桥梁-轨道系统的动力行为特征,寻求合理的抗震设防目标,建立适用的抗震设计方法,确保高速铁路轨道-桥梁系统的地震安全和地震破坏可控具有重要现实意义。

1、地震作用下高速铁路轨道-桥梁系统破坏特征和损伤机理

地震作用下高速铁路轨道-桥梁系统不可避免会产生残余变形和刚度退化等震致损伤,而关键构件的震致损伤将会通过层间相互作用映射致轨面,引起轨道几何不平顺和刚度不平顺,影响高速铁路列车-轨道-桥梁系统的动力学性能,严重时威胁行车安全。随着高速铁路大规模、高密度的投入运营,我国高速铁路发展模式正逐渐从建设为主转向建养并重,加上较高的桥梁占线比及广泛分布的地震带,使得高铁线路不可避免地存在跨越地震带或沿着地震带修建等情况,因此明确高速铁路轨道-桥梁系统地震损伤机理具有重要的工程实用价值,是保障高速铁路轨道-桥梁系统震后安全运营的前提条件。

谢旭等[25]以高速铁路客运专线上两座采用不同减隔震装置的简支桥梁为对象,建立了地震作用下桥梁与轨道共同作用的线桥一体化计算模型,并对其进行弹塑性地震响应分析,结果表明:轨道对铁路减隔震桥梁纵向自振频率的影响不可忽视;张永亮等[26,27]在将钢轨、轨道板及底座板等效成一个或两个整体截面的基础上,研究了轨道约束系统及相邻后继结构对所选桥跨地震反应的影响,结果表明:基于线桥一体化计算模型的连续梁桥地震反应大于传统模型,随着端刺刚度的增加,连续梁桥的地震反应逐渐减小;基于层间理想弹塑性本构模型基础上,高建强等[28]分别建立了传统抗震计算模型与线桥一体化计算模型,并进行了非线性时程分析,结果表明:轨道结构放大了大跨度铁路连续梁桥各墩的地震响应,尤其联间墩的增幅最为明显;闫斌等[29,30]建立了充分考虑无砟轨道结构层间纵横竖向非线性约束的桥上CRTSⅡ型板式无砟轨道结构仿真模型(四层梁模型),并与桥上CRTSⅠ型双块式无砟轨道结构对比,探讨其地震特性,研究结果表明:与桥上CRTSⅠ型无砟轨道结构相比,桥上CRTSⅡ型无砟轨道结构通过摩擦系数极小的滑动层滞回耗能,大幅提高系统的抗震性能;刘尊稳等[31]基于双层梁模型,采用反应谱法研究了地震作用下无砟轨道结构的关键构件参数取值以及墩高变化对桥梁结构地震反应的影响,结果表明:剪力齿槽是传递纵向荷载的重要结构,轨道约束系统对非规则桥梁的地震反应影响较大;郭晨[32]以典型CRTSⅡ型板高速铁路连续梁桥为研究对象,建立了综合考虑钢轨、轨道板、轨道扣件摩擦及桥梁结构的线桥一体化有限元模型,探索了合理的轨道延伸长度及轨道结构参数的敏感性;张俊杰等[33]的研究表明:考虑到高架桥地震反应主要由结构基频控制,可采用简单的弹簧-质量系统来模拟后继结构的影响,弹簧刚度即为后继结构的静力等效抗推刚度、质量为后继结构的等效质量,阻尼比与原结构相同;由于横桥向耦联性较弱,故计算模型可以不考虑后继结构在横桥向的影响。黄勇等[34]等认为钢轨可视为刚体,轨道结构抗推刚度由多个扣件并联而成,再由其组合刚度与梁体相串联后获得等效弹簧刚度;王彤等[35]建立了考虑路基段纵向约束效应的有砟轨道线桥一体化非线性有限元计算模型,采用位移和能量双重破坏准则提出了同时考虑最大变形效应和累积损伤效应的钢阻尼支座损伤指标,结果表明:地震作用下不同支座在各损伤状态下的易损性差异明显;蒋丽忠和周旺保等[13,15,36,37]基于层间理想弹塑性本构模型基础上,通过对一系列不同跨数及不同构件参数的高速铁路简支梁桥进行了地震响应分析,探究了桥梁跨数、墩高和地基条件对桥梁地震响应的影响规律,提出了地震作用下考虑轨道约束的高速铁路简支梁桥一体化简化分析方法,并以考虑引桥与路基影响的高速铁路纵连式板式无砟轨道-连续梁桥系统为例,研究了高速铁路轨道桥梁系统中各关键构、部件的地震响应规律及参数影响分析,并界定了易损构件和难以损伤构件。

Toyooka等[38]进行了隔震铁路桥梁的缩尺模型振动台试验,建立了轨道-桥梁一体化模型,研究了轨道结构对桥梁结构抗震性能的影响,结果表明:轨道结构可能增加桥梁结构的附加阻尼力,从而降低主梁和桥墩的地震反应;PetrangeliM等[39]建立了精细的桥梁与轨道耦合模型和无轨道结构模型,通过对比两种模型在不同地震动作用下的地震反应,讨论了轨道结构和桥梁结构在地震作用下的相互作用机理,研究了轨道约束对铁路桥梁地震反应的影响;GiovanniT等[40]针对欧洲铁路交通系统中占有较大比重的石拱桥,提出了一套完整的铁路轨道-桥梁系统地震易损性计算流程,包括确定破坏机制、极限承载状态、地震需求模型等;PadgettJ等[41]通过完整的试验设计研究了32个不确定性参数对易损性曲线的影响,认为地震的方向、桥台的主动刚度以及伸缩缝长度是最重要的不确定因素;Wei等[42,43]以一座典型高速铁路预应力混凝土连续梁桥为例,建立了基于变形破坏准则的滑动层、CA砂浆层、扣件、支座、桥墩及桩基等关键构件的易损性曲线;PanY等[44]针对影响结构响应的多种因素敏感程度开展参数分析,结果表明在模拟中必须考虑其不确定性。

综上可见,目前关于高速铁路轨道-桥梁系统地震损伤机理的研究尚存在如下不足:

(1)现有高速铁路线桥一体化计算模型对于后继结构的处理尚存诸多争议,需要综合考虑后继桥跨及路基轨道约束系统等多个影响因素。

(2)高速铁路轨道-桥梁系统层间关键构件大多采用理想弹塑性本构模型,该简化处理能否真实反映层间关键构件的损伤机理与耗能机制尚不明确。

(3)高速铁路轨道-桥梁系统抗震性能的研究主要集中于确定性分析或仅考虑地震动的随机性,综合考虑系统关键参数随机和地震动随机的研究尚未深入开展。

2、地震作用下高速铁路桥上轨道不平顺状态劣化机理

轨道不平顺在车-桥动力相互作用分析中具有非常重要的作用,被认为是车桥系统耦合振动的主要激励源之一[45]。地震作用下高速铁路轨道-桥梁系统不可避免的产生残余位移和刚度退化,并通过轨道-桥梁层间相互作用映射至轨面,导致轨道几何形位和刚度状态发生改变,劣化轨面平顺状态,严重时会导致列车脱轨[1,3]。

轨道不平顺性测量结果表明,轨道几何形状与桥梁变形有关[46]。陈兆伟等[47,48]针对单元板、纵连板式和双块式三种无砟轨道形式,分别推导了桥墩沉降与轨道变形的映射关系解析表达式,并采用有限元数值模型进行了验证;Paixa∼o等[49]通过建立有限元模型,采用非线性动力分析方法,研究了不均匀沉降对列车轨道系统动力响应的影响;郭宇等[50,51,52,53]针对单元式与纵连式轨道,建立了考虑板底脱空效应影响的路基沉降与轨面变形间映射关系,并对由不同沉降形式引起的两种轨道轨面变形特征及变化规律进行了对比分析,研究了路基沉降对板式轨道轨面几何变形的影响;GouH等[54]提出了一种分析桥梁横、竖向变形与轨面变形间映射关系的分析方法,并用有限元模型进行了验证;曾志平等[55]建立了轨温分布与钢轨纵向位移间映射关系解析表达式,揭示了温度作用下钢轨变形规律;龙昊[56]提出了考虑层间离缝、板底脱空、扣件弹条断裂等层间联结失效长时影响的高速铁路桥梁-轨道变形映射通用模型,系统地研究了层间联结失效参数引起的轨道不平顺分布特征和变化规律,阐明了层间界面状态演变对层间相互作用力、桥梁-轨道变形映射路径和变形协调效应的影响机制;蒋丽忠和周旺保等[57,58,59]针对高速铁路CRTSI、II型无砟轨道,在考虑引桥与路基约束效应基础上,利用势能驻值原理推导了桥梁结构竖向及横向变形与轨面变形间映射关系表达式,并开展了轨面变形影响参数分析。

邹春华等[60]通过有砟轨道模型试验,研究了路基不均匀沉降与有砟轨道沉降变形的映射关系,证明了余弦型路基不均匀沉降引起的轨道变形曲线仍近似符合余弦型,但一定情况下会出现轨枕空吊现象;陈鹏等[61]通过对比路基不均匀沉降作用下无砟轨道有限元变形计算结果和刚性基础简化法,验证了该方法的合理性,并从混凝土强度检算的角度提出了高速铁路不均匀沉降限值;魏亚辉等[62]运用室内试验和数值仿真分析,研究了梁端转角、梁体错台等变形对梁端扣件的影响规律,分析了扣件变形量与附加力幅值的主要影响因素;何春燕等[63]基于有限元方法,建立了高速铁路CRTSIII型无砟轨道路桥过渡段沉降与钢轨变形间映射关系;蔡小培等[64,65]基于高速铁路单元板和双块式无砟轨道空间有限元模型,对基础沉降的形式、幅值与轨道不平顺间映射关系进行了研究,结果表明:路基发生不均匀沉降时,轨道结构会产生跟随性映射变形。

目前关于地震作用下高速铁路桥上轨道不平顺状态劣化机理的研究尚存在如下不足:

(1)关于轨下结构变形与轨面变形间映射关系的研究主要集中于路基沉降、桥梁墩台沉降及温度荷载作用等工况,其能否适用于震致损伤工况有待进一步研究。

(2)轨道结构层间脱空效应采用单向弹簧模拟,仅考虑了接触和脱空两个极限状态,难以反映轨道结构层间复杂偶联特性。

(3)国内外对轨下结构变形幅值、波长及形式等轨面映射变形影响因素开展了大量参数分析,但大多研究基于确定性分析,难以反映震致损伤的随机性。

3、地震作用时高速铁路列车-轨道-桥梁系统安全

高速铁路轨道等基础设施要达到高平顺性,对桥梁而言,应具有足够的强度、刚度、稳定性和耐久性,以保证高速铁路行车条件下车辆良好的动力性能和运行的平稳性,但势必会增大结构的地震反应,突发地震对高速列车安全行车影响重大,2004年新潟县中越地震导致上越新干线“朱鹭325号”列车以时速约200km行驶时在桥上脱轨,引起了铁路工程领域研究者们的极大关注。

近年来国内外学者对列车脱轨问题进行了大量的研究,HiroakiI[66]提出了用脱轨系数和轮重减载率来评估列车动力脱轨,采用整车滚动试验分析了蠕滑力特性,研究表明:采用新的评价标准可以保证在列车低速通过时不会发生跳轨;即使脱轨系数小于Nadal方程计算的数值,仍有可能发生轮缘跳轨,因此HideyukiT[67]提出一种不需太多计算时间的基于横向/竖向力的新的脱轨系数计算方法,并与测试数据进行了对比分析;Masamichi等[68]认为输入频率小于0.9Hz时下心滚摆运动占主要地位,而当频率增大时上心滚摆运动占据主要地位。国内王少林等[69]、杨永斌、姚忠达等[70,71]、夏禾等[72]、朱圣浩等[73]、郭向荣等[74]、林家浩等[75,76,77]、蒋丽忠等[16,78]经过大量计算分析了不同地震波下高速铁路中小跨度桥梁的列车走行安全和共振条件,研究表明:列车荷载与结构发生共振时不仅与列车移动速度有关,还与移动荷载的排列、移动荷载的加载方式、桥梁的跨长等相关。

跨断层近场地震的显著特征是短时间内发生较大的地表错动和永久位移,在桥梁结构产生伤损之前就可能引发列车脱轨和轨道失稳。除了列车脱轨外,轨道状态稳定性直接影响高速铁路桥上行车安全[1,45]。中国铁道科学研究院在20世纪90年代系统开展了无缝线路稳定性理论和试验研究,近年来国内众多学者针对高速铁路桥上纵联板式无砟轨道稳定性开展了系列研究[79,80],但基本上均是针对温度变化引起的轨道结构失稳及其修复,缺少跨断层近场地震作用下高速铁路桥上轨道结构失稳机理的研究。日本针对兵库县南部大地震和新潟县中越地震这两次内陆直下型地震,全面修正了日本铁路的地震对策,分别从路基桥隧等铁道构造物的抗震设计、地震预警监控系统和新干线脱轨防护措施三方面积极改进,其中,针对新干线脱轨防护提出了加装护轨、桥上横向限位、轨道加强等措施,而国内目前有关这方面的研究较少,亟待加强[81,82]。

在地震作用下的行车安全评价方面,TanabeM认为地震期间的车-桥振动过程是地震动的低频振动与轮轨间超过1Hz的高频振动的耦合振动过程,地震动频率超过1Hz时引起地震共振导致结构物地震响应可能最大[83]。近期国内外对地震作用下的脱轨机理研究已经考虑了轮轨间位移差的影响,但地震激励仍以低频为主,车辆动力分析模型也没有考虑车辆之间车钩的非线性连接及失效的影响,难以反映近场地震的高频脉冲和短距离内地表错动对列车响应的影响。日本基于正弦波提出了SI指标,列入日本设计标准,并已经制定了基于SI指标而不使用任何计算的列线图,指导考虑行车安全性的抗震设计[84,85],摆脱了采用列车脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力、位移及加速度等轮轨指标为依据的地震作用下行车安全判断方法。我国还没有地震作用下高速铁路桥上行车安全的相关规定,《铁道车辆动力学性能评定和试验鉴定规范》(GB5599—85)[86]中规定了脱轨系数、轮重减载率、轮轨横向力容许限值,但该规范并没有考虑到地震作用。

综上可见,我国通过多年科研攻关和工程实践,基本掌握了高速铁路车-线-桥动力响应作用机理,但尚存在如下不足:

(1)迄今为止,绝大部分研究主要集中在车-线-桥动力相互作用而未考虑地震的作用,或者是地震对铁路结构的影响而未考虑车辆的作用,有关地震作用下高速铁路行车安全的研究成果并不多,地震作用下高速铁路列车-轨道-桥梁系统全过程动力仿真尚不完善,地震作用下高速铁路桥上行车失效过程难以物理再现,现有理论分析的可靠性缺乏有效可靠的试验验证手段,我国尚无相关地震作用时高速铁路桥上行车安全标准。

(2)日本规范基于SI指标的地震作用时桥上行车安全标准是通过大量计算、试验以及现场检测,并综合各种类型车辆得到的最不利行车安全极限值,由于用于评估的SI限值是基于正弦波,未能反映地震动的不规则和行车参数的随机性。

(3)尽管我国已经建立了高速铁路地震监测预警系统[87],但其主要针对远场地震开展研究,对地面时空变化剧烈的近场地震适应性不强,亟需针对跨断层近场地震的发生机理和时空演变规律,从设防标准、脱轨安全措施和轨道稳定性方面开展理论分析和对策研究。

4、地震作用后高速铁路桥上行车安全分析

轨道不平顺对车辆-轨道-桥梁耦合系统动力学特性具有显著影响[1,2,45],而车辆-轨道-桥梁耦合系统动力学特性直接反映了车辆的运行品质和轨道-桥梁系统的动态服役性能,因此合理控制震致轨道不平顺是高速铁路初期设计和后期运营的关键技术标准之一。

LiangL等[88]研究了车辆振动与路基设计参数之间的相互作用,结果表明轨道损伤不仅涉及构件强度失效,还涉及轨下结构的过度变形或沉降超标;YauJD[89]利用增量迭代法研究了地面沉降对列车-轨道-桥梁系统动力相互作用的影响,结果表明:地面沉降对桥梁响应的影响一般较小,但它能显著地放大移动列车的垂向响应,特别是具有上凹的沉降坡面;LiWQ等[90]建立了车辆-轨道-桥梁耦合动力学模型,探讨了大跨连续刚构桥因收缩徐变及温度荷载作用产生的桥面变形对耦合系统动力响应的影响规律;JuSH[91]在考虑轨道不平顺性、轨道-桥梁相互作用和轮轨分离等因素的基础上,建立了三维非线性有限元模型,分析结果表明:基础沉降会导致两个简支梁之间产生巨大位移,从而显著增大列车脱轨系数,严重威胁行车安全;王昆鹏等[92]结合初始轨道不平顺开展了列车运行研究,利用车桥耦合动力模型开展了桥墩不均匀沉降对列车行车安全的影响分析;王少杰等[93]基于车辆-轨道-桥梁系统动力学理论,以某市轻轨为研究对象,开展了轻轨列车运行性能影响规律研究;石晓宇[94]研究了车体横、竖向加速度、轮重减载率及脱轨系数等车辆动力指标随桥墩沉降值、车速的变化规律;韩义涛[95]采用Monte-Carlo方法提出了轨道刚度不平顺样本,考察了其对列车运行品质的影响程度与规律,探讨了其对轨道构件的变形失效及伤损的影响;HouK等[96]通过对车辆-轨道-桥梁相互作用分析,研究了桥墩沉降对高速列车的行车安全性的影响,结果表明在地面局部沉降情况下,速度是影响高速列车安全稳定的主要因素;WangH等[97]研究了不均匀沉降对过渡区轨道动力特性的影响,结果表明:在轨道退化过程中,不均匀沉降比刚度变化的影响更大;杨静静等[98]分析两种类型的温度荷载共同作用下轨道板的温度变形,将轨道板温度荷载引起的钢轨变形作为附加轨道不平顺分析车线系统的动力性能;吴楠等[99]基于数值方法开展了高速铁路无砟轨道桥梁系统变形对行车影响的研究,揭示列车以不同行驶速度通过时行车安全性及舒适性指标的变化规律;张树强[100]将模拟获得的地震后路基上的钢轨变形与初始轨道不平顺叠加作为轨道位移输入参数,研究轨道变形量大小对铁路安全行车的影响,建立列车行驶安全评估体系;肖新标等[101]分析了扣件失效对列车动态脱轨影响呈指数规律,得到了直线轨道连续从0～6个轨下支承失效对车辆动态响应及乘坐舒适度的影响。

ChenZ等[102,103,104]针对单元板、纵连板和双块式三种无砟轨道型式,推导了桥墩沉降与轨道变形间映射关系解析表达式,提出了一种确定高速铁路桥墩沉降安全阈值的计算方法;何春燕等[63]分析了多墩沉降对列车-轨道-桥梁耦合动力系统的影响,提出了高速铁路简支梁连续多墩沉降的安全阀值,建立了桥墩不均匀沉降量与车辆动力指标变化量之间的关系;蔡成标等[105]建立了列车-路基上板式轨道耦合动力学模型,分析了路基沉降对耦合系统动力性能的影响规律,基于列车舒适性指标提出了路基不均匀沉降限值;韩义涛等[106]基于考虑路基不均匀沉降的动力学模型,分析了不同行车速度对应的路基沉降控制值;勾红叶等[107]基于多体动力学和有限元联合仿真方法建立了高速列车耦合振动模型,并基于高速列车运行安全性与舒适性要求,提出了桥墩不均匀沉降及梁体徐变上拱阈值;CaoY等[108]提出了一种预测高速铁路基础施工对既有高速铁路线路运行安全性和乘坐舒适性影响度的实用方法,并给出了桥墩横向侧移限值;周文[109]基于高速铁路桥梁-轨道变形映射模型和车-轨-桥耦合振动分析模型,阐明了板底脱空、在浆离缝和扣件断裂等层间联结失效模式对高速列车时频域动力性能的影响机制,并划分了多水准高速铁路桥梁行车安全评价指标和阙值体系。

综上可见,目前关于震致损伤后高速铁路桥上行车安全的研究尚存在如下不足:

(1)现有关于耦合系统动力特性影响因素分析的研究大多集中于墩台沉降、收缩徐变及温度荷载作用,少有研究涉及轨道-桥梁系统震致损伤工况。

(2)桥上行车速度限值与震致损伤水平间对应关系尚未建立,难以提出不同耦合系统动力学性能水准下轨道-桥梁系统地震损伤限值。

(3)高速铁路轨道-桥梁系统损伤限值分析以理论研究为主,缺乏现场试验或模型试验的支持和验证。

5、高速铁路轨道-桥梁系统抗震设计方法

基于性能设计的抗震结构将会更经济、合理,且对于不同的设防水准,结构具有可预测的抗震性能,基于性能的抗震设计思想将是未来世界各国抗震设计规范修订的主要理论依据。

1995年,加州工程师协会(SEAOC)将性能化设计概念纳入VISION2000的研究计划,建议了“性能控制水准图”[110]。1996年,美国应用技术委员会(ATC)和联邦紧急救援署(FEMA)的报告(ATC-40,FEMA-273)中均制定了相应的大纲,希望能够采取更可靠的手段对现有建筑进行基于性能的抗震加固,并建议现行规范提高结构的抗震性能[111]。进入21世纪,基于性能的抗震设计思想在各国规范发展中进入可操作化的发展阶段。欧美一系列建设安全管理机构都在相应标准中针对材料性能、设计和施工方法等具体条文给业主和工程师预留了自主设计的空间,或给出了建议性设计流程[112,113]。

我国工程建设标准化协会在2004年颁布了《建筑工程抗震性态设计通则(试用)》(CECS160:2004)[114],这是一本自愿采用的试用标准,主要适用于工业与民用建筑和部分构筑物基于性能的抗震设计。《通则》相比传统抗震设计规范在3个方面做出了改进,可以有效实现基于性能的抗震设计措施:①细化了场地分类和设计地震动加速度最大值;②在国内首次推出了抗震建筑使用功能的概念,即在一个地震水平下有多种抗震性态供业主和工程师选择;③可以根据具体的地震条件参数和建筑使用功能确定抗震设计类别,不同的抗震设计类别将决定结构的设计依据。《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01—2008)[115]中,桥梁抗震设防目标因桥梁类别不同而异,公路桥梁分为A、B、C、D四种类别,每类桥梁分别对应于在2种不同地震设防水准下的抗震设防目标。这种针对不同桥梁给出了不同性能目标的方法相比铁路抗震规范更进一步细化了“小震不坏、中震可修、大震不倒”的理念。

近几年,国内外学者已经发展了许多地震作用下结构的破坏损伤模型,采用损伤指数定量描述延性、滞回耗能等因素对结构破坏状态的影响,这些损伤模型在结构损伤评估以及地震加固评估中得到了越来越多的应用。贾红梅[116]研究了客运专线圆端形桥墩的抗震性能,基于目前我国客运专线抗震设计中的不足,对桥墩延性抗震设计方法、客运专线低矮桥墩的墩顶反应系数、桥墩的弹塑性分析、桥墩抗震设防标准等问题进行了系统的研究,提出了适用于高速铁路桥梁的抗震设计的分析方法和设计框架;王炎[117]以高速铁路客运专线的高墩简支梁桥上的不同减隔震支座为研究对象,对铁路减隔震桥梁的抗震设计、抗震性能和地震易损性进行了系统的研究;江辉[118]发展了桥梁结构基于能量的性能评估方法,建立了能够同时考虑累积耗能和最大变形需求的基于预期性能目标的桥梁结构抗震设计方法;欧进萍等[119,120]在Park-Ang的双参数损伤模型的基础上,提出了钢筋混凝土结构基于地震损伤性能的设计方法;朱晞等[11]发展了以损伤性能为控制指标的强度折减因子和等效位移延性系数,同时考虑近断层地震下的能量和变形需求,提出了考虑损伤性能的RC桥墩的抗震设计方法;黄尚[121]以高速铁路简支梁桥为研究对象,研究了高速铁路桥梁基于性能的抗震设计方法,阐述了我国关于高速铁路桥梁抗震设计的规范以及基于性态的抗震设计思想,提出了高速铁路桥梁基于位移和损伤的抗震设计方法,采用基于性能的抗震设计思想对我国高速铁路简支梁桥进行了抗震性能评估;蒋丽忠等[122,123]对不同设计参数高速铁路空心截面形式的桥墩模型进行了低周期反复荷载试验研究,通过试验、理论分析及数值模拟对比分析,深入分析了纵筋率、配箍率、剪跨比以及轴压比对圆端形空心墩的延性破坏机理和抗震性能的影响。

《高速铁路设计规范》(TB10621—2009)[124]提到关于地震力作用,应按照现行国家标准《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)[20]的规定进行计算,同时考虑到高速铁路行车密度较大和客运专线桥梁所占比例大,地震时列车在桥上的概率相当高,应结合高速铁路工程结构特点及功能要求,在《铁路工程抗震设计规范》基础上予以适当加强。对于适当加强,没有量化的判别标准,无法有效地指导高速铁路桥梁结构的设计。同时,现行《铁路工程抗震设计规范》对于高速铁路大跨度桥梁结构的抗震设防划分过于笼统,其所采用的抗震设防标准应具体研究,尤其对于高速铁路大跨度桥梁的抗震设防标准,更需要展开大量的研究工作,现行两阶段的设计理念无法有效地控制地震所造成的结构损伤及由此带来的经济损失。

对于跨断层近场地震的影响,各国规范都在结构设计时有所规定。美国UBC.97规范[125]通过在设计谱曲线中引入跨断层近场因子来调整设计谱加速度敏感区的宽度和高度,考虑了加速度区的变宽,提高了设防水平。日本在1999年对铁路结构抗震设计规范进行修订后,按照抗震性能设计的原则,通过对生成设计谱的地震记录中加入更多的跨断层近场地震记录,以提高规范中结构对跨断层近场地震的设防能力。我国《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)[126]和《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01—2008)[115]都新增了关于跨断层近场地震的抗震设计要求,其中《公路桥梁抗震设计细则》明确提出,桥址距发生6.5级以上地震潜在危险区30km以内时要考虑跨断层近场地震效应,并对上盘效应和破裂的方向性效应进行了规定。为避免活动断层对结构的破坏,国内外相关抗震规范都在条例中给出了结构应尽量避免建造在地震活动断层区域的建议,或要求新建结构物与活动断层之间设置一定的避让距离。目前,对于高速铁路跨断层桥梁的计算分析仍处于起步阶段,现行《铁路工程抗震设计规范》(GB50111—2006)[20]仍基于大部分远场地震动记录进行抗震设计。对于跨断层铁路桥梁的地震反应分析,现行的《铁路工程抗震设计规范》并没有给出具体的规定。

综上可知,目前高速铁路桥梁设计理念、设计方法、抗震措施等方面有一定的局限性。