城市轨道交通高架桥梁抗震设计中的关键问题1

韩 鹏 王君杰 董正方

（同济大学桥梁工程系，上海 200092）

城市轨道交通高架桥梁抗震设计中的关键问题1

韩 鹏 王君杰 董正方

（同济大学桥梁工程系，上海 200092）

伴随我国城市轨道交通建设的快速发展，轨道交通抗震安全已成为我国大中型城市和地区生命安全、交通秩序、正常的经济和社会活动的重要保障。本文针对城市轨道交通高架桥梁结构和线路运行特点，结合国内外地震中铁路和轨道交通桥梁破坏特征，参照桥梁抗震设计思想和国内外桥梁抗震设计规范内容，综合论述了轨道交通抗震设计中抗震设防分类、设防标准与性能目标的确定，结构安全和行车安全指标的选取，桩-土相互作用、轨道系统和车辆作用的模拟等关键问题，并结合设计工作特点，对研究工作与设计工作的结合提出了建议。

轨道交通 桥梁 抗震

引言

我国城市化进程的迅速发展，对城市交通系统的开发和完善提出了更高的要求，城市轨道交通以运量大、速度快、安全可靠、与其它交通干扰少等优点，将成为我国大中城市解决交通拥挤的首选方式。北京、天津、上海、广州、深圳、南京、重庆、武汉、大连、长春10个城市已经开通运营的轨道交通线路总长达770km。而正在建设的沈阳、成都、杭州、西安、苏州等共15个城市的轨道交通线路总长达到1100km。同时，济南、青岛、兰州、宁波等近20个城市正在进行轨道交通规划建设的前期工作。若按目前每年开工建设100—120km轨道交通线路的发展速度，到2020年我国建设城市轨道交通线路将达到2000—2500km规模。我国城市轨道交通建设已进入快速发展的历史阶段。

而地震是严重危害铁路和轨道交通系统安全的重大自然灾害。在1995年日本阪神地震中，新干线轨道支承结构发生严重破坏，造成了严重的交通中断。其中，山阳新干线部分区段高架桥梁发生了严重的多跨连续落梁和侧向倒塌破坏，JR神户线和阪神电气铁路高架桥也发生了大量落梁破坏。日本新潟地区2004年10月23日发生的地震造成上越新干线列车脱轨。在我国2008年5月12日发生的汶川地震中，宝成、成昆、成渝等铁路受到破坏，大量铁路桥涵发生落梁等严重震害，墩梁错动也导致轨道线路弯曲和错位，给铁路运输和救灾工作造成极大困难。同时，滑坡、落石等地质灾害也给桥梁的震后修复和新建工程的选线等提出了巨大的挑战。汶川地震使正在建设中的成都地铁一度停工，地震造成地下车站和区间隧道等发生多处开裂、管片连接错位、渗漏水增多等震害。重庆轻轨跨坐梁式单轨结构楔紧片出现松动现象，沿线山体边坡出现少量位移。

轨道交通目前已成为我国大中型城市公共交通的主要工具，其抗震安全对这些城市和地区的生命安全、交通秩序、正常的经济和社会活动，具有十分重要的战略意义。在地震作用下，如何保证轨道交通系统的结构安全和行车安全已成为城市轨道交通系统建设的重要任务。本文将针对轨道交通抗震设计中部分关键问题做概要分析和论述，主要包括：抗震设防分类、设防标准与性能目标的确定、结构安全和行车安全指标的选取、桩土相互作用、轨道系统和车辆作用的模拟等。

1 轨道交通抗震设计工作现状

我国的城市轨道交通是近十几年才得到蓬勃发展的，而有针对性的城市轨道交通结构抗震基本理论研究还很少，尚未形成一个可供实用的抗震分析与抗震设计的理论与方法体系，在抗震设计时缺少完善的理论与技术支撑。轨道交通高架桥梁在结构形式、力学特征方面与一般的桥梁结构差别较大，其地震破坏形式和抗震性能要求也有其自身特点，需要开展专门的抗震研究工作，以解决其抗震分析和设计的基本理论与方法等问题。

与城市公路高架桥梁相比，城市轨道交通高架桥梁的显著特点是轨道系统的存在。此外，由于轨道交通车辆走行安全性的需要，对其结构形式、动力性能和在地震作用下的性能目标亦提出与公路高架桥梁不同的要求。与普通铁路桥梁相比，由于城市轨道交通系统承担的运输任务和车辆类型等不同，两者在结构上有较大差异，在列车荷载的计算和行车安全的控制指标方面亦有不同，其抗震设计方法应符合各自的特点。

我国首部城市轨道交通结构抗震设计规范尚在编制过程中，目前设计单位通常是根据自身设计经验的特点，选择铁路抗震规范或公路抗震规范作为参考，其选择带有任意性，且二者均不能很好地适合城市轨道交通结构的特点。这种选择方式也造成了所设计的轨道交通结构抗震能力的不一致和地震破坏性态的不可预见性。

图1为桥梁结构抗震设计的基本流程。其中，结构抗震设防分类和设防标准的确定是抗震设计的先决条件，由此确定结构在预期设计地震作用下的性能目标，即“某种结构在某等级地震作用下达到某种性能”。地震反应分析和抗震验算是抗震设计工作的核心部分，贯穿其中的是表征结构抗震性能的各项指标，与抗震设防分类、设防标准、性能目标、地震反应分析方法和验算方法等密切相关。而结构抗震构造设计是抗震设计的最终环节，是抗震设计思想在工程中的实际体现。

图1 桥梁结构抗震设计的基本流程Fig.1 Flowchart of anti-seismic design for bridges

2 轨道交通抗震设防分类、设防标准与性能目标

抗震设防分类是根据建筑遭遇地震破坏后，可能造成人员伤亡、直接和间接经济损失、社会影响的程度及其在抗震救灾中的作用等因素，对各类建筑所做的设防类别划分。抗震设防分类是关系到生命安全、经济和社会等因素的综合指标，与社会和业主的接受程度、设计工作的实际操作等密切相关。因此，合理界定城市轨道交通系统中不同结构的抗震设防类别，是抗震设计工作的必要前提。

随着轨道交通建设的不断进行，越来越多的轨道交通线路需跨越交通要道、大江大河或海湾，由于通行和通航的需要，需在关键区域设计大跨度桥梁或特殊类型桥梁。这些桥梁往往投资大，设计和施工难度均较高，故对地震作用下其结构安全也提出了更高的要求，因而在设计中应提高其设防分类等级。但同时值得注意的是，与这些重点桥梁相比，普通桥跨往往涵盖轨道交通线路的绝大部分，长度几公里甚至十几公里、几十公里，若地震中普通桥跨受到普遍破坏，则对线路通行造成的损害将更为严重。考虑到轨道交通线路的连续性和不可变更性等特点，在制定结构抗震设防标准时，应考虑线路的整体安全性。

抗震设防标准是指在抗震设防中根据客观的设防环境和已定的设防目标，并考虑具体的社会经济条件来确定采用何种强度的地震动作为抗震设防的对象。桥梁抗震设计的目标是减轻桥梁工程的地震破坏，保障生命财产的安全，减少经济损失。因此，既要使震前用于抗震设防的经济投入不超过我国当前的经济能力，又要使地震中经过抗震设计的桥梁的破坏程度限制在人们可以承受的范围内。抗震设防标准和抗震性能目标是衡量对结构物抗震能力要求高低的综合尺度，取决于地震作用强弱、结构物使用功能和重要性程度以及国家经济发展程度等诸多因素。

目前，世界各国桥梁结构抗震设计中常用的设防标准主要有单一设防水准、双水准和三水准设防等。正在完善和发展中的基于性能的抗震设计思想，则为针对不同结构物采取多水准设防、多性能目标设计，实际上在世界各国的抗震设计规范中，也不同程度地采用了基于性能的抗震设计思想。

中国公路桥梁抗震设计细则（中华人民共和国交通运输部，2008）将地震动分为E1和E2等级，分别为工程场地重现期较短和较长的地震作用。在E1等级地震作用下，结构在弹性范围内工作，基本不损伤；在E2 等级地震作用下，延性构件（墩柱）可发生损伤，产生弹塑性变形，耗散地震能量，但延性构件的塑性铰区域应具有足够的塑性变形能力。该规范对抗震设防类别不同的桥梁的E1和E2地震动指定了不同的重现期，由此体现了不同类型结构抗震性能目标的不同，并在地震反应分析和验算中给出了相应的要求。可大致表述为：“小震不坏，重要结构大震可修，一般结构大震不倒”。

中国铁路工程抗震设计规范（中华人民共和国铁道部，2006）将地震动分为多遇地震、设计地震、罕遇地震3个水准，对应的地震重现期分别为50年、475年和2450年。同时，将地震作用下结构的抗震性能规定为3个级别，并规定了3水准地震作用下各类结构须达到的性能目标，可大致表述为：“小震不坏、中震可修、大震不倒”。

日本铁路抗震设计规范（日本铁道技术综合研究所，1999）和公路桥梁抗震设计规范（日本道路协会，2002）均规定了2个水平的地震动。将地震作用下结构的性能表述为3个等级。其抗震设防目标可大致表述为：“小震不坏、一般结构大震不倒、重要结构大震可修”。

美国AASHTO公路桥梁设计规范（AASHTO，2007）采用单一水准设防，即采用重现期475年地震作为设计地震动。而2007年5月由AASHTO桥梁地震作用研究小组委员会提供的抗震设计指南（Subcommittee for Seismic Effects on Bridges T-3，2007）则建议采用重现期1000年的地震作为设计地震动。该指南基于设计地震动1s周期对应的加速度反应谱值SD1，将桥梁划归A—D四种抗震设计分类（SDC），并根据桥梁所属的抗震设计分类进行位移验算、抗剪强度验算、P-Δ验算和最小支承长度等验算。即在单一设防水准下，通过抗震设计分类体现对不同结构抗震性能目标要求的不同。规范的抗震性能目标为，按照规范设计的桥梁，在设计地震动作用下，可能遭受损伤，但发生倒塌的概率很低，可大致表述为：“不倒塌”目标下的“可修复”。

3 钢筋混凝土构件抗震性能

在地震作用下，钢筋混凝土桥墩的破坏形式主要有剪切破坏和弯曲破坏。剪切破坏为脆性破坏，应尽量避免，在设计中以剪力为指标进行强度验算。弯曲破坏为延性破坏，适当配筋的混凝土墩柱具有良好的延性，可以发生较大的变形而不发生倒塌，在设计中以构件变形和结构位移为指标进行延性验算。

中国公路桥梁抗震设计细则和美国AASHTO抗震设计指南均采用由截面弯矩-曲率分析所得曲线等效的双折线模型描述钢筋混凝土构件的弯曲特性，如图2所示。折线的弹性段应通过M-φ曲线上表征第一根钢筋屈服的点（φy，My）。在该屈服点之后，应使等效后的折线与M-φ曲线所成的两部分阴影面积相等而得到等效折线。

日本铁路抗震规范采用图3所示的四折线弯矩-曲率模型描述钢筋混凝土构件的弯曲能力。C点为混凝土开裂状态点；Y点为纵向钢筋发生屈服时的状态点；M点为弯矩最大点；N点为保持屈服弯矩的最大曲率对应的状态点。由Y点、M点和N点将构件的损伤水平分为4个等级。

图2 美国AASHTO、中国公路抗震设计Fig.2 Highway Guidelines in China & AASHTO in the USA

图3 日本铁路抗震规范Fig.3 Railway Specifications in Japan

上述两种描述钢筋混凝土构件弯曲能力的方法，均为对其实际弯曲能力的简化表述，方法的基础均为截面的实际弯矩-曲率关系。两者的基本思想均为以截面屈服弯矩作为构件进入弯曲非线性状态后抗力的基本衡量，所不同的是中国规范和AASHTO规范以高于首屈弯矩的等效屈服弯矩作为能力弯矩，而在与延性构件相连的能力保护构件设计中，则将上述能力弯矩乘以超强系数后参与设计；而日本规范以首屈弯矩作为屈服弯矩，但在四折线模型中通过M点的设置，模拟了截面屈服后弯矩强化和下降的过程，为相对精细的模拟方式，该模型也对分析工作中负刚度段的计算处理提出了一定的要求。

工程设计中往往希望，在强烈地震作用下墩柱的破坏按照预期的延性破坏模式进行，即在预期的塑性铰位置发生弯曲破坏，以此达到耗散地震能量的目的，并对能力保护构件进行保护。因此，在计算墩柱塑性铰区抗剪和抗弯能力时，各国规范大都采用不同的材料参数取值来区分两者的重要性等级。在抗弯能力计算时，采用材料强度试验所得材料强度（如我国设计中采用的“标准强度”）；而在抗剪能力计算时，则采用对上述强度折减的强度（如“设计强度”）进行设计。

4 基础抗震设计

4.1 规范设计方法

目前各国桥梁抗震设计规范大都按能力保护原则进行基础的抗震设计，我国公路、铁路抗震设计规范和美国AASHTO规范均体现了该思想，即采用桥墩底部地震力参与最不利荷载组合后，对基础进行强度验算。

日本铁路抗震规范允许在强烈地震作用下，基础进入一定程度的非线性状态。采用反应塑性率（反应位移/屈服位移）、构件损伤水平和反应位移量（基础位移、残余位移）判定基础的稳定水平。

欧洲规范Eurocode 8（European Committee for Standardization，2005）采用强度指标评价基础的抗震性能，根据墩柱的预期抗震性能，对基础采用不同的方法验算。若墩柱为有限延性设计，则按设计地震结果直接验算强度；若墩柱为延性设计，则按能力保护原则设计基础；若墩柱保持弹性，预计塑性铰发生在桩基上，则考虑桩的非线性效应，采用性能系数对地震力折减后进行验算。

4.2 桩-土相互作用的模拟方式

桩基础是我国城市轨道交通高架桥梁采用的主要基础形式，桩-土相互作用的模拟是基础抗震设计的核心环节。桩基础与地基土的相互作用对桥梁动力性能和地震作用下受力特性有重要影响。针对土-结构相互作用问题，国内外学者已进行过大量研究，已有的分析方法和复杂程度不同的结构-地基系统模拟方式，可对地震作用下基础-地基系统的行为进行不同精度的模拟。由于设计工作对计算效率常常有较高要求，故采用适当的简化模型可以在保证设计精度的基础上，满足工作效率的需要。

集中参数模型是设计中常用的简化分析模型。20世纪60年代，美国学者Penzien等（1964）在解决泥沼地上大桥动力分析时提出了集中质量法，该方法基于Winkler地基假设，采用梁和离散的弹簧、阻尼器单元来模拟横向加载的桩，目前已在国内外得到了广泛的应用。El Naggar等（1995）、Wang等（1998）、Boulanger等（1999）、El Naggar等（2000）都结合动力Winkler地基梁方法进行了相关研究。

由Matlock等学者提出的p-y曲线法是一种简单实用，并能较为真实地反映水平荷载作用下桩-土相互作用机理的分析方法。燕斌（2007）采用p-y曲线法对地震作用下桩-土相互作用进行了静力与动力分析，并提出了实用的桩-土相互作用简化建模方法。王青桥（2009）采用Boulanger动力p-y曲线方法，比较分析了简化模型中土层质量的取值影响，并结合对地震动参数沿深度分布的研究，分析了地基水平变位对桩身内力的影响。p-y曲线方法已列入美国API规范，我国港口工程桩基规范（中华人民共和国交通部，1998）也建议了该方法。

我国的铁路、公路桥梁设计规范，采用m法计算基础和地基土之间的相互作用。铁路工程抗震设计规范采用设置于承台底的转动弹簧和水平平动弹簧模拟地基作用。公路桥梁抗震设计细则采用承台底6个自由度的弹簧刚度模拟桩-土相互作用。

日本铁路抗震规范提供的简化方法主要有非线性反应谱法和基础支承弹簧法。这两种方法均未考虑土层运动对桩节点产生的地震动多点输入问题，而将桩-土相互作用以非线性边界弹簧模拟。非线性反应谱法为建立结构-土弹簧模型，将桥墩结构与桩基础作为整体模型，根据静力非线性分析所得结构等效固有周期，用所需屈服震度反应谱计算结构反应值。基础支承弹簧法则根据静力非线性分析所得基础整体力-位移关系，将基础支承作用转化为计算基础底面的非线性支承弹簧，再进行非线性时程分析。该规范采用反应位移法分析地震作用下土层位移对结构的影响，并将该位移作用与惯性作用的效应进行叠加。

桩-土相互作用的另一简化方法是对桩-土非线性作用做等效线性化处理。在一些国家的抗震设计工作中，等效线性化方法常作为分析结构弹塑性地震反应的基本方法。该方法通过修改刚度和阻尼比，按线性振动理论计算结构非线性地震反应，即利用降低刚度和增加阻尼的方法，使按线性振动理论得到的地震响应峰值与非线性地震响应峰值一致，把复杂的非线性地震响应简化为简单的线性振动理论计算。颜海泉（2008）采用Boulanger模型对桩-土相互作用进行了参数分析，拟合了土的等效阻尼比、等效刚度与位移之间的关系，提出了计算桩-土作用的等效线性化模型。

4.3 倾斜桩抗震设计

目前，在已有的城市轨道交通桥梁中，很少采用倾斜桩基础。而在跨海、跨江大桥中，为增强基础的水平刚度，常常设置一定数量的倾斜桩。随着轨道交通线路的不断增加，在跨江或跨海湾的桥梁中，为满足轨道交通列车运行对基础刚度的要求，将有可能采用倾斜桩基础。国内外对桥梁倾斜桩基础抗震性能研究较少，已有研究资料多集中于港湾、码头、钻井平台等工程的抗震研究中。而震害调查表明，地震中高桩码头斜桩（叉桩）损坏较为明显（龙炳煌等，2007），分析表明，与竖直桩相比，地震中倾斜桩承受的轴力较大，且分担着较大的水平地震力，成为重要的抗侧力构件。Harn（2004）采用基于位移的方法，分析了倾斜桩在地震作用下的易损机理，建议在桩顶与承台连接部分采用混凝土填芯、钢筋及两者之间的填充砂浆构成的耗能部件，并给出了分析和设计方法。刘杰伟等（2008）采用静力方法，研究了斜桩对群桩工作状态的影响，分析表明，当桩群承受竖向和横向荷载时，斜桩的存在有一定的好处，尤其是在减小水平位移方面，但当有竖向或水平土体位移作用在桩群时，群桩的工作特性会受到不利影响。Schlechter等（2004）采用试验研究了斜桩对码头结构的影响，分析表明，斜桩承担的水平地震力远大于竖直桩，而当群桩系统中去除斜桩时，竖直桩弯矩和码头平台位移均有大幅增加。出羽利行等（2008）针对地震作用下铁道构造物倾斜桩基础的反应和抗力进行了数值分析和模型试验，分析表明，倾斜桩可增大基础的水平抗力，减小结构的等效固有周期，同时，由于地震作用下的地基位移，桩内力和位移均有增大。

倾斜桩的使用将增大基础的水平刚度和抗力，也可作为一种经济的基础形式。但在地震作用下，倾斜桩将承受较大的地震力，对桩自身抗震性能不利。一方面，应对地震作用下倾斜桩的破坏机理做进一步的研究；另一方面，由于倾斜桩发生一定破坏后，结构动力特性改变，可能改变整个地基系统的地震反应，对整个地基系统的保护是否起到积极的作用，应通过大量研究和分析工作予以验证。同时，在倾斜桩地震反应分析中，适用于设计工作的桩-土相互作用简化模型的应用，尚存在一些问题需做进一步研究和改进。针对倾斜桩的桩-土弹簧参数计算、抗震性能指标的选取和验算方法等，尚未有成熟的结果可借鉴。

5 轨道系统和后继结构的模拟

轨道系统是轨道交通高架桥梁区别于普通公路桥梁的一个显著特点。而其动力性能特点则主要体现在无缝长轨与梁体的耦合效应，扣件的力学性能对桥梁抗震性能的影响。

在城市轨道交通的高架桥梁上，轨道通过扣件与轨枕连接，轨枕与混凝土道床、桥面浇注为整体式道床。由于钢轨-扣件系统的约束作用，在地震作用下相邻跨之间的地震反应存在耦联，而在顺桥向地震作用下，该耦联作用更为明显。张俊杰（2000）分析了轨道系统对桥梁地震反应的影响，分析表明，轨道结构由于延伸到地面或车站而对高架桥有很强的约束作用；同时，与无轨情况相比，轨道结构改变了高架桥的动力特性。轨道、扣件、支座的力学特性以及墩高等结构参数的变化均使上述作用变得复杂。马坤全等（2002）的研究表明，桥上轨道结构对桥梁的顺桥向约束作用改善了高架桥梁的抗震性能，但改善程度与钢轨、扣件的顺桥向力学特性有关。黄艳等（2002）分析了轨道约束对铁路桥梁顺桥向抗震性能的影响，分析表明，在地震中当桥墩刚度相近时，轨道约束对桥墩是有利的；而当桥墩刚度相差较大时，轨道约束对刚度较大的桥墩有时是不利的。

城市轨道交通高架桥梁一般长达几公里甚至十几公里，在地震反应分析中，通常取具有典型结构类型的桥跨，或选取结构特殊或地质构造特殊的桥跨进行分析。由于钢轨系统对桥跨的耦联作用使高架桥梁的地震反应有较强的整体性，故在选取典型桥跨分析时，应考虑相邻后继结构的作用。目前对顺桥向地震反应以顺桥向一致振动振型控制的高架桥梁为例，可采用简单的弹簧-质量系统来模拟后继结构的影响，但对等效刚度的计算方法、等效质量的经验取值以及在强烈地震作用下，如何模拟进入非线性状态的后继结构等，需要进行大量的分析和计算以取得统计性的经验数据。而对于墩高以及结构形式变化较大、轨道系统和支座较为复杂的高架桥梁，单一的弹簧-质量系统难以较为准确地模拟后继结构的作用。为此，对后继结构还须做大量的研究工作。

6 地震作用下的行车安全问题

6.1 抗震设计规范中对车辆荷载的模拟

轨道交通行车密度大，一旦发生地震，桥上有行车的概率也大，因而在轨道交通高架桥梁地震反应分析中应考虑车辆荷载的作用。由于设计时，以复杂的车辆-轨道耦合模型进行动力分析尚具有一定困难，因此在规范中多以列车横桥向惯性地震力为指标，来衡量地震作用下车辆对桥梁的作用。在中国和日本的铁路抗震规范中，均对地震作用下列车荷载的模拟方法给出了规定。

我国的铁路工程抗震规范规定，对运量较大的Ⅰ、Ⅱ级铁路，计入活载引起的横桥向水平地震力。考虑到车架弹簧对横桥向振动的消能作用，且横桥向不一定为地震的主要振动方向，因而该地震力按列车活载的50%计算，双线桥按单线活载计算。而在顺桥方向，由于车轮的作用，地面运动的加速度很难传递到列车上，因此顺桥向不计活载所产生的水平地震力。

而日本的铁路抗震规范则在顺桥向和横桥向皆计入了列车产生的水平惯性地震力，其上限值在顺桥向取列车荷载特征值的20%；在横桥向取列车荷载特征值的30%。列车荷载特征值基于通常使用状态下的装载重量确定。对单线和多线桥梁的列车荷载加载线数为：单线或双线时，取1线荷载；3线或4线时，取2线荷载；5线以上时，取3线荷载。

6.2 行车安全的控制

与公路高架桥梁相比，轨道交通高架桥梁还应保证地震作用下的行车安全，它涉及地震作用下车辆-轨道-桥梁系统的耦合动力分析研究。列车脱轨是危及铁路和轨道交通行车安全的主要因素，在日本新潟地震中，新干线列车脱轨的事件再次表明，地震对轨道交通行车安全构成重大威胁。因此，确保不发生脱轨事故，是轮轨型轨道交通运输系统最基本的安全要求。

目前，对脱轨的评判指标主要是脱轨系数和轮重减载率。脱轨系数定义为脱轨侧车轮垂向力与横向力的比值（Q/P）；轮重减载率则为左右轮轨减载量与静轮重的比值（ΔP/Pst）。针对以上性能指标的不足，杨春雷等（2002）提出了根据轮轨接触点位置进行脱轨评定的直接方法。曾庆元等（2004）和向俊等（2004）认为，列车脱轨的力学机理是列车桥梁（轨道）时变系统的横向振动丧失稳定，并提出了此系统抗力功增量与输入能量增量的关系准则，以此来判别该系统横向振动是否稳定（即列车是否脱轨）。翟婉明等（2001）提出了直接根据车轮抬升量来评判脱轨的原理与方法，并提出针对我国车辆脱轨评判的建议标准及其实施细则。李运生等（2004）指出，在以往重视梁刚度对行车安全影响的基础上，应进一步研究桥墩横向刚度对其的影响。

上述文献多为针对普通铁路列车和轨道系统之间相互作用的研究。为保障城市轨道交通高架桥梁在地震作用下的行车安全，应针对轨道交通车辆和轨道系统，进行车辆、轨道和结构整体化的地震反应分析。李忠献等（2005）在考虑土-结构相互作用的基础上，分析了轻轨铁路车桥系统耦合振动的影响，分析表明，地震作用与车桥系统的耦合振动存在很大程度的耦合，车桥系统的耦合振动响应，近似为桥梁地震响应与车桥系统耦合振动响应之和，在对高架桥梁上的轻轨铁路进行车桥耦合振动分析时，必须考虑地震作用的影响。

韩艳等（2006a）研究了高速客运专线车-桥系统在地震荷载作用下的动力响应问题，分析了地震动强度和频谱特性、桥梁阻尼比和行车速度等因素对地震作用下行车安全的影响，给出了确保地震发生时高速列车在桥上安全运行的临界速度限值。对地震作用下列车与公路、铁路两用斜拉桥耦合振动问题的研究表明（韩艳等，2006b），地震作用使斜拉桥的横向振幅、横向和竖向振动加速度以及列车的横向和竖向振动加速度等指标均有较大提高，导致列车运行安全性与舒适度下降。韩艳等（2006c）还分析了地震波行波效应对车-桥系统的振动响应的影响，分析表明，在进行大跨度连续梁桥车-桥系统的地震反应分析时， 应按桥址处的实际场地土特性考虑地震波行波效应的影响；并以列车横向速度、脱轨系数、轮重减载率和横向轮轨力等为指标，研究地震作用下列车速度对行车安全的影响。刘林等（2002）在京沪高速铁路地震预警系统研究中，则结合国内外设计标准及铁道部科学研究院研究成果，重视在保证列车正常运行前提下的轨道横向加速度限值。

长期以来，国内外学者和铁路、轨道交通研究人员对列车行车安全问题进行了广泛和深入的研究，由于脱轨问题的复杂性以及事故原因调查的困难性，这一问题始终未得到很令人满意的解答，评判脱轨的各种准则也存在一些问题。同时，地震作用的随机性和地震作用下对桥梁结构自身响应准确预测的困难性，也使得该问题变得更加复杂。因此，在难以准确预测地震中结构行为和车辆行驶状态的情况下，提出适合抗震设计的具备包络性的性能指标及其量化评估方法，就显得十分重要。

在日本的铁路抗震规范中，为使L1地震动作用下不发生影响列车行驶的过大位移，要求对结构进行位移验算，使由L1地震动产生的位移不超过通过列车行驶模拟实验求得的位移限制值，其验算指标主要有轨面的折角、错位以及地震作用下轨面的横向振动位移等。

7 抗震理论研究与设计工作的结合

自从1899年日本学者大房森吉提出用于结构抗震计算的静力法以来，世界各国研究人员针对结构抗震分析和设计方法做出了不懈的努力，使结构地震反应分析和抗震设计水平得以不断提高。而由于设计工作对理论的严谨性和成熟性要求较高，在很多情况下趋于采用保守的经验参数和方法，同时对效率亦有较高要求，因而，在满足精度要求的前提下，设计人员往往倾向于采用理论简明、计算效率高的方法。世界各国抗震设计规范也均为部分地采用了抗震研究中较为成熟的成果，在规范编制的过程中，综合考虑设计工作的特点和多种相关因素，具备一定的保守性。

为此，与轨道交通高架桥梁抗震设计相关的研究工作，应在深入、细致的基础上，提出与设计工作特点相结合的结论。相关方法应力求简明，易于实施，易于设计人员理解、接受和正确使用。

8 结语

（1）在城市轨道交通高架桥梁的抗震设计中，应结合轨道交通系统的特点，综合经济、社会等诸多因素，合理确定结构的抗震设防分类、设防标准与性能目标。

（2）应结合国内外桥梁抗震设计规范和研究成果，进一步研究适合我国城市轨道交通高架桥梁特点的抗震设计方法，包括结构建模方法、地震反应分析方法以及结构安全和行车安全的评价指标等。

（3）注重轨道交通抗震研究与设计工作的结合，确保研究成果在设计工作中的最终体现。

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Key Issues in the Seismic Design of Urban Rail Transit Bridges

Han Peng, Wang Junjie and Dong Zhengfang

(Department of Bridge Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

With the fast development of modern metropolitans and districts, the seismic safety of the bridges has become an important issue in the design and construction of the urban rail transit systems. The state-of-the-art overview and discussions have been given to the key issues in the anti-seismic design of urban rail transit bridges,including determination of seismic fortification category, seismic fortification criterion and performance criteria,selection of seismic indices for the structural safety, transit running safety, simulation of pile-soil-interaction, and effect of the rail system and the trains. Finally, some suggestions on the research and design work. in the future are given in this paper.

Rail transit; Bridge; Seismic

住房和城乡建设部标准定额司：城市轨道交通结构抗震设计规范（2007-1-12）；国家自然科学基金重大研究计划（90715022）；国家地震局行业专项（200808021） 资助

2009-12-29

韩鹏，男，生于1982年。博士研究生。主要从事城市轨道交通结构抗震研究。Email: joy2000@yeah.net

韩鹏，王君杰，董正方，2010. 城市轨道交通高架桥梁抗震设计中的关键问题. 震灾防御技术，5（1）：32—42.