特殊复杂场地条件下桥梁结构地震易损性研究现状及发展趋势分析

管嘉达，陈兴冲，张熙胤

（兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州 730070）

引言

地震作为一种相对不具备可控性的自然灾害，其发生伴随着高度的不确定性。而高烈度地震的发生往往会对桥梁工程造成严重的破坏，继而造成社会服务功能和震后救灾抢险工作的中断，给人民的生活造成巨大影响。随着人们对震害的认识以及对桥梁抗震理念的重视，以易损性曲线为表达形式的地震易损性分析逐渐受到了各国学者的关注［1］。现阶段，对桥梁结构进行地震易损性分析已逐步成为桥梁结构抗震性能及震后损伤评估的重要手段之一，在地震工程和防灾减灾领域已经得到了广泛应用。

为了适应经济发展的需要，近年来我国修建了很多的跨越河流、山谷和海洋的桥梁。由于桥梁所处的地理环境相对复杂，桥梁工程的建设必然面临着各类特殊复杂场地，其中包括多年冻土、软弱夹层土、近断层以及流水冲刷等特殊复杂场地［2］。在地震区，特殊复杂场地条件的不确定性给桥梁结构的地震易损性分析带来了极大挑战。同时，某些桥梁更是面临多种复杂的场地次生灾害，而不同的场地条件下桥梁结构的震害差异十分明显，综合考虑多重场地的耦合作用对桥梁结构进行地震易损性分析是一个非常复杂的过程。鉴于此，本文首先简要介绍了桥梁结构地震易损性分析方法；其次，对流水冲刷环境、可液化场地、近断层场地、氯盐侵蚀环境和冻土场地五种特殊复杂场地条件下桥梁结构地震易损性分析的研究现状进行了归纳和总结；最后，指出了当前特殊复杂场地条件下桥梁结构地震易损性分析有待研究的方向。

1 桥梁地震易损性分析方法

地震易损性分析（Seismic Fragility Analysis）以概率论和数理统计学等为基础，综合分析大量的数据资料，定量地评估地震灾害对结构造成的损坏。同时，通过该方法还可以预测结构在地震作用下将会遭受到的潜在破坏。地震易损性的概念被定义为：在不同强度水平地震动作用下，结构发生不同程度破坏或达到某一规定损伤状态的条件概率［3］，用公式可表示为：

式中：Pf表示结构发生损伤的条件概率；DI（Damage Index）表示结构的地震损伤指标；Sc表示结构的损伤极限状态；IM（Intensity Measure）代表了地震荷载水平的地震动强度参数；a表示某一特定的地震动强度水平，如地面运动的频谱特征、地面峰值加速度（PGA）、谱加速度（SA）或强震持时。

从式（1）可以看出：确定结构的抗震能力和地震需求之间的关系是地震易损性分析的首要步骤，即结构抗震能力小于地震需求时的概率值，也即其达到某一规定损伤状态的概率值，而不同地震强度作用下的概率值变化曲线则被定义为地震易损性曲线。目前应用较为广泛的易损性分析方法是理论易损性分析方法，其核心思想是通过对桥梁结构的地震响应数值进行分析以建立地震易损性曲线。在选定结构的易损性函数和地震动强度参数IM后，即可预测结构发生损坏的条件概率。在理论易损性分析方法中，一般假定结构的抗震需求和能力都服从对数正态分布，此时可以采用对数正态分布函数来表征结构的地震易损性［4］：

式中：Φ表示标准正态累计分布函数；x表示表示结构地震需求；IMm表示易损性函数的中位值；ξ表示易损性函数的对数标准差。

由式（2）可知：采用理论易易损性方法需要评估地震作用下的结构能力和地震需求，其中的关键是对结构地震需求的预测。基于有限元的非线性动力时程分析方法是进行结构易损性分析的主要方法之一［5］，其分析流程如图1 所示。根据结构易损性函数中位值和对数标准差计算方法的不同，非线性动力时程分析法可分为：“云图法”、“增量动力分析法（IDA法）”和“需求能力比对数回归法”。

图1 非线性动力时程易损性分析过程Fig.1 Procedure of nonlinear dynamic time history vulnerability analysis

近年来，部分学者还尝试结合了复杂算法的混合型地震易损性研究方法，这些算法包括均匀设计和Nataf 变换相结合的方法、贝叶斯法构造的混合Coupla 函数方法、人工神经网络和Monte-Carlo 法相结合的方法以及引入核密度估算的地震易损性分析方法等［6－9］。在传统的易损性分析方法中结合其他的新兴计算方法可以在考虑诸多不确定因素影响的同时，提高易损性分析的计算效率，在一定程度上增加了桥梁结构地震易损性分析的客观性。但这些新型分析方法在本质上还是基于构件与地震需求之间存在既定的相关性假设，结合“IDA法”和“云图法”发展出来的针对单个构件易损性的混合型分析方法。在实际工程中，构件和地震需求之间存在着相当复杂的非线性相关性，而这些方法中的每一个都具有不同的预测精度和确定性，不适用于多个构件甚至整个桥梁系统的地震易损性分析。

2 特殊复杂场地条件下桥梁结构的地震易损性分析

除了场地本身的复杂性之外，在特殊复杂场地发生的地震会诱发很多次生灾害，如地震诱发的场地液化现象将导致地表发生变形和近断层地区的地震动引发的高幅值长周期脉冲等。这些现象都会使桥梁结构产生明显的地震需求，从而引发桥梁结构的基础破坏和倒塌。鉴于此，学者们有针对性地对流水冲刷环境、可液化场地、近断层场地、氯盐侵蚀环境和冻土场地等特殊复杂场地条件下的桥梁结构开展了大量的易损性研究工作。

2.1 冲刷环境下桥梁地震易损性分析

处于冲刷环境下的桥梁结构由于流水冲刷作用，其覆土层会逐渐变薄，桩基也会出现部分裸露。流水冲刷引起的土体流失不仅会削弱桩基的横向承载能力，也会对输入结构的地震动产生影响。流水冲刷不仅会降低桥梁结构基础的承载能力，且会在一定程度上对输入结构的地震动产生影响，从而改变桥梁的动力特性［10］。在水流、波浪和潮汐等环境荷载的综合作用下，流水对桥梁下部结构的局部冲刷非常复杂，且直接预测桥梁基础冲刷深度较为困难。因此，冲刷环境下桥梁结构的抗震性能评估存在着诸多的不确定性因素。而针对冲刷环境下的桥梁结构开展地震易损性分析则可以在考虑多种不确定因素的前提下，从概率的角度表征地震烈度与结构损伤状态之间的关系。

现阶段，国内外学者主要从冲刷深度和冲刷导致的桥梁基础截面损伤两个方面分析了基础冲刷对桥梁结构抗震性能的影响。当冲刷深度较小时，针对桥墩的流水冲刷会延长桥梁的自振周期，从而减小桥梁的地震反应［11］。随着冲刷深度的增加，地震作用下桥梁的塑性铰区域将从桥墩向桩基迁移和扩散，而整个桥梁系统的地震易损性随着基础冲刷深度的增大呈现出非线性增大的趋势［12］。PRASAD 等［13］和WANG 等［14］的研究表明：桥墩的地震易损性随着冲刷深度的增加而降低，桩基的地震易损性则随之增大；何海峰等［15］则进一步指出：当冲刷深度较小时，桩基的损伤概率随冲刷深度的增加而增大，而当冲刷深度超过某一值时，桩基的损伤概率反而有所减小；HE 等［16］的研究表明：当桩基周围为密实砂土时，桥梁的抗震性能随着冲刷深度的增加而提高，而在松散砂土的地质条件下，这一情况恰好相反；考虑到流水冲刷作用会导致钢管混凝土桩部分裸露，李新章［17］通过对钢管混凝土桩-承台边节点模型进行拟静力试验，分析了流水冲刷作用对桥梁结构桩基连接节点抗震性能和破坏模式的影响。通过时变易损性分析，可以在考虑材料、冲刷深度和地震动不确定性的同时，有效地得到桥梁体系在复合灾害作用下的易损性曲线［18］。SWAGATA 等［19］考虑了结构模型中的不确定性因素，针对美国California 洪水冲刷地区的两座钢筋混凝土桥梁开展了地震易损性分析，继而基于易损性分析结果提出了洪水多发区域桥梁地震危险性评价的基本体系；还有学者在工程应用领域对冲刷和地震共同作用下桥梁结构的抗震设计做出了积极的探索研究，如鲁传安等［20］通过工程实例验证了设置斜桩及提高桩基配筋率可以改善基础冲刷对群桩基础抗震性能的影响；WANG等［21］通过对14个结构参数和土体参数进行了敏感性排序，采用考虑冲刷效应的桥墩-桩基础-土耦合有限元模型对冲刷环境下的群桩基础桥梁开展了地震易损性分析，建议采用较大的桩径以及较高的材料强度来减轻冲刷对桩基抗震性能的影响。

根据冲刷深度的不同，冲刷会对构件和系统的地震易损性产生有利或不利的影响。当冲刷深度较大时，考虑流水冲刷和地震联合后，桥梁结构在各种破坏状态下的失效概率均有所增加，且随着破坏程度的加剧，流水冲刷对桥梁结构损伤概率的影响呈增大趋势。而随着冲刷深度的增加，桥梁结构的地震易损性部位也将发生转移。适当提高冲刷环境下桥梁结构易损部位的配筋率以提高构件的延性，可以从一定程度降低桥梁结构的地震易损性。

2.2 可液化场地桥梁地震易损性分析

地震荷载的作用将诱发软弱土体发生场地液化，这种现象将造成地表土体发生较大的变形，也是引起工程结构地基破坏和倒塌的重要因素之一［22］。在针对可液化场地条件下桥梁结构的抗震性能进行评估时，通常没有充分考虑潜在液化场地土体的物理力学性能指标，而各种不确定性因素的叠加不可避免地影响了分析结果的准确性。因此，有必要采用基于概率的地震易损性分析方法来评估场地的液化潜力以及各种参数变化对桥梁结构地震反应的贡献，从而为液化场地桥梁结构基础的抗震设计提供科学依据。

从振动的角度分析，未发生液化的软弱土层相当于一个低通滤波器。一方面，在地震作用下可液化的软弱土层可以有效地吸收地震动的高频分量；另一方面，可液化土层对地震动中的低频分量有显著的放大作用［23］。地震作用下，基础直接作用于可液化土层的桥梁会因土层液化的扩展而突然失去支承，使得桥墩产生不规则沉降，继而导致基础开裂和桥梁结构的损坏［24］。MOHANTY 等［25］指出：地震作用下天然河床上的跨中桥墩自振周期增幅比邻近桥墩更大，随着土体的逐渐液化，跨中桥墩的位移需求也随之增加，墩顶位移的差异将进一步导致落梁现象的发生。场地土层发生液化后，桩周土对桩侧的约束效应将降低，桩基础横向位移幅值的增大将导致桩基在地震作用下发生屈曲破坏的概率大大增加［26］。考虑到桥梁结构体系和基础形式的多样性，王晓伟等［27－28］针对不同基础形式的简支梁桥和连续梁桥开展了一系列的地震反应分析，其结果表明，场地液化对群桩基础简支梁桥的地震易损性影响最大，群桩基础连续梁桥受场地液化的影响次之，而场地液化对桩柱式基础简支梁桥的地震易损性影响相对较小；AYGUN 等［29］通过收集桥址处的土体液化指标、边界条件和结构材料强度等参数的概率分布特征，考虑了多种不确定因素对可液化地区桥梁地震易损性分析的影响；为了更好地了解液化土壤中桩基的动力特性，部分学者通过振动台、离心机试验及数值模拟方法对液化场地桩基础桥梁开展了大量研究［30－31］。PARTHA 等［32］通过离心机模型试验研究板了桩加固技术对液化场地既有结构桩基地震响应的减轻效果，证明了在桥台前设置板桩可以大大减小桥台的位移幅值，从而减轻桩基的弯矩需求；考虑到铁路桥梁往往包含大量的桩基，场地液化很可能不会破坏桥梁结构，但可能会放大桥梁的地震响应，导致列车脱轨。为此，JU等［33］通过有限元模型分析了场地液化条件下火车在地震作用下的车轮脱轨概率。

从地震动表现上来看：可液化场地与普通场地差别显著，土体液化所导致的土体力学性能的变化将大大增加结构在地震激励下的不确定性。现有抗震规范对桥梁工程结构地震动均按土层为非液化进行计算，这就导致在抗震设计阶段的潜在液化场地对桥梁结构地震易损性的影响被忽略。液化土层中的桩基的地震响应受到诸多因素的影响，包括土壤类型、可液化土层厚度、地震动特性以及桩自身的结构特性等。对于跨度较大的桥梁结构，液化土层将会增加结构的自振周期，场地液化所造成的地面变形也将会显著提高桥梁桩基础的地震需求。针对液化场地桥梁位移需求较大的部位加劲，以减少额外的位移需求，可以在一定程度上减小桥梁结构在地震载荷和土壤液化双重作用下的损伤概率。

2.3 近断层场地桥梁地震易损性分析

地震断裂带在全球分布广泛，包括美洲西海岸地震断裂带、太平洋西北边缘地震断裂带、亚欧地震断裂带以及全球海岭及裂谷系地震断裂带等。地震波在断裂带附近传播时的能量衰减很小，这就造成近断层附近的工程结构会遭受到较大的水平和竖向地震动输入［34］。近断层地震波的特征和远场地震波有着显著的差别，在地震作用下，近断层场地特有的大脉冲式加速度也会使得桥梁结构产生较大的惯性力和位移。1957 年，美国人在通过收集Port Hueneme 地震所造成的建筑物损伤资料时，第一次认识到近断层地震与远场地震所表现出来的特性大有不同［35］。在2008年我国汶川地震的众多受损桥梁中，近断层场地的几座桥梁损坏尤为严重，国内学者也进一步认识到桥梁结构在近断层地震中的破坏特征［36］。随着我国路桥建设向山区和沿海地区延伸，在极端运营环境下需要更多更大跨度的桥梁，快速发展的桥梁工程更不能忽视近断层地震动的影响。

近断层地震所造成的永久地面位移幅值、脉冲特性以及断层穿越位置、断层交叉角等因素都会对跨断层桥梁的地震响应产生显著影响［37］，而地震动的不确定性对易损性结果有重要影响，合理选取地震波也是充分考虑近断层地震动不确定性的重要途径之一。通常，学者们选取震中距、震源类型、一致激励与多点激励、地震动输入维度等因素来表征地震动输入的不确定性。MAKRIS 等［38］在方向脉冲地震反应谱的基础上建立了地震动的速度脉冲模型，基于模型分析了近断层脉冲地震动对结构地震响应的影响；夏春旭等［39］的研究表明，只考虑单向地震动会低估近断层场地条件下桥梁墩柱的地震易损性；陈令坤等［40］认为地震作用下近断层场地的桥梁结构会产生较大的竖向挠度，而按照《铁路工程抗震设计规范》中规定的竖向地震取值会导致对近断层场地桥梁结构的竖向地震动响应估值偏小；董俊等［41］则将地震动输入维数作为不确定因素之一，比较了不同维度近、远场地震动作用下桥梁构件的地震易损性曲线；TODOROV［42］和KABIR 等［43］通过有限元模型研究了地震动持时对近断层场地桥墩抗震性能的影响，结果表明：地震峰值加速度较低时，地震动持时对桥墩地震峰值响应没有影响，然而，对于较大的地震峰值加速度，地震动持续时间较长会导致桥墩的延性能力降低，长时间高烈度的地震动会大大增加桥梁系统的损伤概率。对于对活动断层区域常见的高墩大跨桥梁而言，近断层地震激励会显著放大桩土相互作用对桥梁地震反应的影响［44］，而考虑地震动的一致激励也会低估桥梁结构的地震易损性。为此，陈彦江等［45］对一座变高墩刚构桥开展了地震易损性分析，证明了行波效应会使得桥墩的损伤概率大幅提高，且近场地震易损性和高墩易损性对行波效应较为敏感。

地震动的选择对结构的易损性分析结果十分关键，而地震波往往伴随着很强的随机性。为选取合适的近断层脉冲地震波，BAKER［46］提出了一种通过小波变换来提取地震波中潜在脉冲的计算机自动识别方法。而为了得到不同强度地震动作用下的结构响应，也可以基于“云图法”根据场地条件输入大量地震波或基于IDA法对地震波进行调幅［47］。对于缺乏地震记录的地区，还可以根据其所处的场地条件生成人工地震波，但无论以何种方式选择的地震波都要与桥址处的场地危险性分析结果保持一致。在针对桥梁结构开展的地震易损性分析过程中，需要对不同地震动作用下的结构损伤进行统计分析，这就要求选取一个统一的地震动强度参数来表征地震动的强度，而采用不同的地震动强度参数所得到的分析结果显然存在差异［48］。陈克坚等［49］指出速度型地震动强度指标和修正的Arias 强度指标具有广泛的周期性，且速度型地震动强度指标能更好地表征近断层桥梁结构非线性位移需求；在地震动强度指标的选择上，大部分研究没有充分考虑场地条件对地震动参数变异性的影响［50］，李宁等［51］的研究表明：在结构体系传力复杂或位于特殊复杂场地的相关桥梁地震易损性研究中，仅采用单一地震动强度指标无法有效表征地震动输入的随机性；因而，部分学者将两个或多个地震动强度参数进行一定的数学组合或修正计算，如黄明刚［52］同时选取了地震动峰值加速度PGA 和谱加速度Sa作为地震动输入的强度指标。将多个地震动强度参数与地震动持时相结合，从而得到的综合型地震动强度指标可以更好地描述地震动输入。

近断层的存在提高了桥梁结构的非弹性变形要求，很多大跨度桥梁在近断层地震作用下的抗震性能表现较差［53－54］。一些学者提出在既有桥梁的加固改造以及新桥的建设中考虑减隔震装置的布置可以减轻近断层场地桥梁的地震响应，而学界对减隔震技术在近断层场地桥梁是否适用这一问题上，意见还不统一。部分学者的研究表明：考虑到支座的适用性、桥墩的抗剪性能以及轨道的层间结构等参数影响，很难达到近断层设防地震动的目的［55］，在近断层地震下，减隔震桥梁的失效概率也会大大增加。王统宁等［56］也指出隔震支座在近断层场地的减震效果不明显，另外，铅销橡胶支座反而会使桥梁的纵向位移增大，易导致梁体碰撞、落梁等现象的发生。同时，也有部分学者通过研究表明合适的减隔震装置仍能有效降低近断层场地条件选桥梁的地震易损性［57］。XIANG 等［58］对不同消能装置加固后的排架墩在近断层和远场地震作用下的地震易损性进行了比较，结果表明：无论在近场还是远场地震作用下，设置PBSC 和BRB 装置都可以有效降低双柱式排架墩的地震易损性。

与远场地震波相比，近断层地震对桥梁结构的破坏性更大，近断层地震波在时间和空间上存在着更多的不确定性。近断层地震波对自振周期较大桥梁的地震响应影响显著，使得结构产生更大的地震需求，而考虑地震动的一致激励也会低估大跨桥梁的地震易损性。现阶段，围绕近断层场地条件下桥梁结构开展的抗震性能评估还存在诸多问题亟待解决，而选取合适的地震动强度指标针对近断层场地大跨桥梁开展系统性的地震易损性研究是一项迫切的科学任务。

2.4 氯盐侵蚀环境下桥梁结构的地震易损性分析

在桥梁使用期间，多种退化机制可能会潜在地影响桥梁在使用期间的结构性能，如氯盐、硫酸盐和酸对混凝土、钢构件的碳化和侵蚀等。在众多环境荷载的影响中，由于氯离子侵蚀所导致的钢筋锈蚀问题是造成钢筋混凝土结构退化的首要因素。对于近海以及冬季大量使用除冰盐的地区，氯盐对桥梁结构的侵蚀问题比较严重，而许多近海构造都位于地震高发区，氯盐侵蚀与地震灾害的耦合作用将显著增加结构的安全风险。因此，从全寿命设计周期的角度考虑环境荷载对桥梁结构抗震性能的影响已逐步成为共识，而结合钢材的劣变规律对结构进行全寿命设计周期下的地震风险评估也成为研究趋势［59］。

氯离子在钢筋混凝土桥梁中的扩散会引起结构表面混凝土脱落、内部钢筋锈蚀等现象，氯盐侵蚀引起的材料力学性能有效截面积的降低将严重影响桥梁的抗震性能。鉴于此，傅沛瑶等［60］根据混凝土碳化和钢筋锈蚀规律研究了桥梁构件和桥梁体系两个层次的地震易损性时变规律，其结果表明：桥梁体系的损伤概率上限要高于任意构件，材料劣化的不利影响主要体现于纵桥向；LI 等［61］的研究表明：在服役初期，支座的损伤概率明显高于桥墩，而随着服役时间的增加，近海桥梁桥墩的损伤概率则会逐渐大于支座和桥台等构件的损伤概率［62］；以近海桥梁为例，柳春光等［63］提出了考虑桥墩、桥台和板式橡胶支座等构件地震需求的全桥系统易损性计算方法，并在此基础上建立了全桥的系统易损性曲线。通常，氯离子对结构的侵蚀在空间上呈现不均匀的特点，在非一致氯离子侵蚀作用下，桥梁的地震易损性随服役时间的增加而快速增大［64］。为还原自然环境下桥梁结构的氯盐侵蚀过程，YUAN 等［65］采用电化学加速腐蚀的方法，在设计的大气区、飞溅区、潮汐区和淹没区制备了4个腐蚀程度不同的桥墩模型，考虑非均匀侵蚀的影响对模型开展了振动台试验，结果表明：不同腐蚀程度区域之间的显著性能差异可能会导致桥墩的塑性铰区域发生转移；BIONDINI等［66］考虑氯离子侵蚀过程的不确定性，提出了一种基于概率的退化钢筋混凝土桥梁抗震性能预测方法，同时通过非线性静力和非线性动力时程方法对氯离子侵蚀作用下的钢筋混凝土桥梁进行了易损性分析；为研究桥梁结构在氯盐侵蚀作用下的退化效应，CHOE等［67］建立了考虑氯离子侵蚀作用的桥墩概率能力模型，考虑腐蚀过程的不确定性对桥梁进行了时变地震易损性分析；GHOSH 等［68］考虑氯离子侵蚀下钢筋混凝土柱的实际点蚀劣化，提出了一种建立劣化公路桥梁地震易损性曲线的方法，评估了氯盐侵蚀下桥墩退化机制对桥梁构件和体系地震反应和易损性的影响；考虑到混凝土发生开裂后，钢筋锈蚀率将显著增加，CUI 等［69］提出了一种改进的考虑点蚀的钢筋劣化模型，并考虑了混凝土开裂后钢筋锈蚀率的变化，以评估海洋环境下钢筋混凝土桥梁下部结构的时变地震易损性。在现实中，由于横向钢筋和纵向钢筋到保护层混凝土表面（裸露表面）的距离不同，随着时间的推移，其会受到不同程度的侵蚀。鉴于此，XU 等［70］考虑了横向钢筋和纵向钢筋的锈蚀水平差异，提出了一种考虑钢筋锈蚀影响的剪切型结构地震易损性分析框架对钢筋混凝土柱开展了地震易损性分析。

氯盐对桥梁结构的侵蚀过程以及其所造成的钢筋和混凝土力学性能退化，受到结构所处的温度以及湿度等众多环境因素的影响。现阶段，考虑氯盐侵蚀的桥梁结构地震易损性往往都基于均匀侵蚀劣化模型，这种简化分析模型会低估劣化桥梁在全寿命周期中的地震易损性，其分析结果也往往只用于指导新建桥梁的抗震设计。而多数既有桥梁的服役年限都还比较长，其抗震性能受到非一致氯盐侵蚀所造成的不均匀退化问题更是不容忽视，针对既有桥梁进行抗震性能分析时考虑其时变特性将成为主流趋势。另外，有研究表明采用纤维混凝土等复合材料可以大幅提高桥梁全寿命周期的抗震性能［71］，这类新型复合材料不仅适用于新建桥梁的抗震设计，也可以应用于老化桥梁结构的加固改造。

2.5 冻土场地下的桥梁地震易损性分析

冻土作为一种特殊的岩土材料，由气态包裹体、冰包裹体、矿物颗粒和液态水组成，作为多相复合体，冻土的强度和变形特性比未冻土要复杂得多。根据其冻结时间的不同，冻土主要分为多年冻土和季节冻土两大类。冻土在全球范围内的分布非常广泛，其中多年冻土约占全球陆地总面积的23%，主要分布于俄罗斯、加拿大、中国和美国的阿拉斯加等地区。我国是世界第三冻土大国，我国季节性冻土和多年冻土面积接近全国总面积的70%，而我国的多年冻土主要分布于号称世界第三极的青藏高原上。在地理分布上，多年冻土区同时也是地震频发区域，如青藏高原地震区是我国地震活动最为频繁的区域，且震级相对较高。作为穿越冻土区的枢纽工程，冻土区的桥梁结构不可避免地面临着地震作用和冻土场地效应的双重挑战。

桩基础是与冻土直接作用的最关键区域，为了减少对冻土扰动，冻土区桥梁广泛采用高桩承台基础和桩柱式桥墩。鉴于此，ZHANG 等［72］通过拟静力模型试验对比了未冻土场地和冻土场地条件下桩土体系的抗震性能，结果表明：冻土层的存在对地震具有一定的抑制作用，有利于桥梁结构的地震安全性；吴志坚等［73］和CHE 等［74］针对桩基础进行了地震响应数值分析，结果表明：多年冻土层温度对青藏铁路桥梁桩基础地震稳定性起到关键性作用，不同的温度分布对地震作用下桥梁桩基础的位移、剪力和弯矩变化都具有显著的影响；为研究多年冻土层对桥墩地震响应的影响，陈兴冲等［75－76］对青藏铁路常用跨度桥梁的地震响应和抗震性能进行了研究，考虑不同基础形式，对比分析了青藏铁路典型桥墩在有无冻土情况下的地震响应。另外值得注意的是，低温导致的支座力学性能下降也会使得桥梁系统地震易损性显著提高［77］。经历冻融循环后，混凝土和钢筋的材料退化会导致结构或构件的多项力学性能指标出现不同程度的下降［78］。国外学者的研究表明［79］：季节冻土效应会明显改变桥梁的结构动力特性，而土体冻结能使桩—土体系由延性向脆性转变。XIONG 等［80］在此基础上通过数值模拟方法研究了季节冻土层对桥梁桩—土系统的刚度和阻尼系数的改变以及对桥墩动力响应的影响；郑海忠等［81］利用相似分析和数值模拟方法，分析了季节性冻土区不同场地的振动衰减特性，发现土体冻结后刚度提高，波动传递速度快，使得振动衰减速度要小于非冻土场地；还有部分国内学者关注于桥梁结构本身的冻融损伤机理，王斌等［82］系统地研究了冻融循环次数对结构抗震性能的影响，验证了结构发生某一特定损伤的概率会随着冻融循环次数的增加而有所增加。除此之外，随着全球变暖的加剧，多年冻土呈现区域性退化状态，气候变暖所造成的冻土退化则会导致地基嵌固作用降低，增大桥梁结构的地震易损性［83］。

确定结构或构件在地震动输入情况下不同损伤状态所对应的损伤指标是地震易损性分析的重要步骤，冻土层的存在在改变场地卓越周期的同时，也给桥梁结构-冻土体系损伤指标的确定带来了难度。由于桥梁系统由不同构件组成，各个构件又有其特异性，且在地震作用下，桥梁各关键构件的破坏顺序有所不同［84］。因而对于桥梁系统而言，建立适用于整体桥梁系统的损伤指标比较困难。因此，现阶段桥梁结构所应用的损伤指标以其组成构件的损伤指标为主。考虑到桥墩是桥梁结构中不易更换且容易损伤的构件，刘凯华［85］基于“云图法”对某预应力小型梁桥的混凝土墩柱开展了冻融循环后再生混凝土墩柱的地震易损性分析，选取位移延性系数来表征结构的损伤状态，通过pushover分析得到了墩柱在不同极限状态下的损伤指标值。各国学者提出了多种典型的损伤指标来衡量结构的损伤程度，如Park-Ang指标、Stone-Taylor指标、裂缝指标和位移延性比指标等。各种损伤指标都有其各自的特点和缺陷，而地表冻土层的存在使得单个构件采用单一的损伤指标可能无法准确地反映桥梁系统的地震易损性。为此，有学者同时对多个构件选取多个损伤指标进行地震易损性分析［86］。对于冻土区桥梁结构的地震易损性分析，有必要综合考虑墩柱位移延性比、桩-土体系等效位移延性比以及土体极限压应变等作为体系的损伤指标。

冻土层的存在不仅改变了地震波的传播特性，也会对桥梁的破坏模式产生一定的影响。不同地震波形和不同温度的冻土层对桥梁结构体系地震响应的影响也是不同的，冻土层的存在会显著改变地震作用下桥梁结构的损伤概率。当考虑多年冻土退化的附加影响时，桥梁结构的潜在损伤概率显然更大，而季节活动层的冻融循环作用也会反复改变地基土对桩基础的侧向约束作用，继而导致桥梁结构地震损伤规律产生不确定性。冻土场地地震效应的复杂性和桥梁结构本身的特殊性叠加，给多年冻土区桥梁地结构地震易损性分析带来了极大挑战，综合考虑多个损伤指标对冻土区桥梁结构进行地震易损性分析将成为趋势。

3 特殊复杂场地桥梁地震易损性研究的发展趋势

考虑到特殊复杂场地条件下桥梁结构的动力特性、地震动输入参数以及损伤极限状态等不确定性因素影响较大，且复杂场地区域的桥梁地震易损性分析理论尚不完备，今后可以在以下几个方面进一步研究：

（1）考虑特殊复杂场地条件的桥梁结构数值分析模型的研究

在对特殊复杂场地条件下的桥梁结构进行数值模拟分析时，需要考虑多重因素的影响，建立准确有效的分析模型成为了关键问题。例如，采用同一基础形式的桥梁可能面临多个特殊场地条件的影响，其中典型的有北方河谷场地桥梁常采用的高桩承台基础，同时面临着场地液化、流水冲刷和冻融循环等多重场地因素的考验。鉴于考虑多重场地耦合作用的桥梁地震易损性分析较为复杂，因此建立等效简化模型也显得极为重要。

（2）考虑特殊复杂场地条件下桥梁结构全寿命周期的地震易损性分析

在桥梁的整个服役期内，其抗震性能是处在一个不断变化的过程中的。考虑地震作用和环境荷载的共同作用的时变效应，开展桥梁全寿命周期内的地震易损性分析已成为当前的热点问题。以往的研究通常只考虑单一环境荷载的影响，但在某些特殊复杂场地条件下桥梁工程需要面对的多个环境因素的影响，如海上桥梁在使用期间会遇到海水冲刷效应以及氯离子侵蚀等环境荷载的影响，部分季节冻土区的桥梁结构也需要同时面对冻融循环和除冰盐暴露的环境。当多个环境荷载引起的结构效应呈负相关时，考虑多个环境荷载的影响会高估结构的地震易损性，而当多个环境荷载的结构效应呈正相关时，可能会低估结构的地震易损性。因此，考虑多种环境荷载耦合作用下特殊复杂场地桥梁结构全寿命周期的地震易损性分析将是一个新的挑战。

（3）考虑气候变化背景的特殊复杂场地桥梁结构地震易损性分析

近年来，全球平均气温逐年升高，已经造成了多年冻土退化、全球海平面上升等现象的发生。同时，气候变化也给特殊复杂场地桥梁的地震易损性分析带来了新的挑战。一方面，考虑气候变化背景有利于新建桥梁的桥址和桥型选择；另一方面，气候变化导致的大片高温冻土、软弱夹层和水流冲刷深度改变等问题给桥梁工程的抗震性能也带来了严峻考验，也使得复杂场地条件下既有桥梁结构的地震易损性分析变得更加困难。

（4）基于特殊复杂场地的桥梁系统地震易损性曲线的建立

现阶段，大部分学者通过对桥梁主要组成构件进行易损性分析来预估整个桥梁系统的易损性。而针对单个构件所建立的地震易损性曲线不能反映建模相关不确定性对整体桥梁系统抗震性能的影响，且这些研究大多针对桥梁下部结构，这样往往会高估桥梁的抗震能力。作用于特殊复杂场地的地震荷载往往会导致桥梁上部和下部结构的整体性损伤，而桥梁作为一个复杂的系统性工程，其整体系统的地震易损性要远大于任何一个单独构件。另外，特殊复杂场地的桥梁自身结构在地震动作用下受损后，由于桥址所在位置特殊，其可修性极差。因此，在特殊复杂场地桥梁中设置易修复的剪力键和其他消能保护装置是减轻其震害的有效改造措施。而如何科学地衡量考虑车桥耦合以及消能保护装置等各种不确定性因素的影响，对桥梁结构各个部件进行全面的地震响应分析以建立有效的桥梁系统易损性曲线值得进一步研究。

4 结论

本文简要介绍了桥梁结构地震易损性分析方法，归纳总结了流水冲刷环境、可液化场地、近断层场地、氯盐侵蚀环境和冻土场地等特殊复杂场地条件下桥梁结构地震易损性分析的研究现状，并指出了当前特殊复杂场地条件下桥梁结构地震易损性分析有待研究的方向。

地震作用下桥梁的损伤主要集中在下部结构上，而特殊复杂场地条件下桥梁的地震易损性不仅受到桩基等构件自身材料参数的影响，土层特性以及环境荷载也会对桥梁结构的地震响应以及破坏特征产生显著影响。同时场地条件的不确定性也给地震易损性分析过程中地震动强度指标和损伤指标的确定带来了难度。因此，在对复杂场地区域的桥梁结构进行易损性分析时，应综合考虑多个地震动强度指标和损伤指标来表征结构的地震动输入和损伤状态。

特殊场地地震效应的复杂性和桥梁结构本身的特殊性叠加，给复杂场地条件下桥梁的抗震设计、性能评估和抗震设防带来了极大的不确定性，也为复杂场地条件下桥梁结构的地震易损性分析带来了极大挑战。当前的研究表明：适当提高基础配筋率或者设置消能保护装置都可以针对性地减小桥梁结构的位移需求，从一定程度降低桥梁结构的地震易损性。而针对单个构件所建立的地震易损性曲线不能全面地反映各种不确定因素对整体桥梁系统抗震性能的影响，因而，综合考虑桥梁结构自身特性以及复杂场地地震效应对整个桥梁系统开展有效的地震易损性分析极为关键。在全球气候变暖和地震活动频发的大背景下，通过桥梁结构的地震易损性分析，从概率角度评估特殊复杂场地条件下桥梁的抗震性能，为特殊复杂场地条件桥梁结构的抗震设计及加固、维护等提供理论依据，是一项长期而紧迫的任务。