城市軌道交通高架橋梁抗震設計中的關鍵問題1

韓 鵬 王君杰 董正方

（同濟大學橋梁工程系，上海 200092）

城市軌道交通高架橋梁抗震設計中的關鍵問題1

韓 鵬 王君杰 董正方

（同濟大學橋梁工程系，上海 200092）

伴隨我國城市軌道交通建設的快速發展，軌道交通抗震安全已成為我國大中型城市和地區生命安全、交通秩序、正常的經濟和社會活動的重要保障。本文針對城市軌道交通高架橋梁結構和線路運行特點，結合國內外地震中鐵路和軌道交通橋梁破壞特征，參照橋梁抗震設計思想和國內外橋梁抗震設計規范內容，綜合論述了軌道交通抗震設計中抗震設防分類、設防標準與性能目標的確定，結構安全和行車安全指標的選取，樁-土相互作用、軌道系統和車輛作用的模擬等關鍵問題，并結合設計工作特點，對研究工作與設計工作的結合提出了建議。

軌道交通 橋梁 抗震

引言

我國城市化進程的迅速發展，對城市交通系統的開發和完善提出了更高的要求，城市軌道交通以運量大、速度快、安全可靠、與其它交通干擾少等優點，將成為我國大中城市解決交通擁擠的首選方式。北京、天津、上海、廣州、深圳、南京、重慶、武漢、大連、長春10個城市已經開通運營的軌道交通線路總長達770km。而正在建設的沈陽、成都、杭州、西安、蘇州等共15個城市的軌道交通線路總長達到1100km。同時，濟南、青島、蘭州、寧波等近20個城市正在進行軌道交通規劃建設的前期工作。若按目前每年開工建設100—120km軌道交通線路的發展速度，到2020年我國建設城市軌道交通線路將達到2000—2500km規模。我國城市軌道交通建設已進入快速發展的歷史階段。

而地震是嚴重危害鐵路和軌道交通系統安全的重大自然災害。在1995年日本阪神地震中，新干線軌道支承結構發生嚴重破壞，造成了嚴重的交通中斷。其中，山陽新干線部分區段高架橋梁發生了嚴重的多跨連續落梁和側向倒塌破壞，JR神戶線和阪神電氣鐵路高架橋也發生了大量落梁破壞。日本新潟地區2004年10月23日發生的地震造成上越新干線列車脫軌。在我國2008年5月12日發生的汶川地震中，寶成、成昆、成渝等鐵路受到破壞，大量鐵路橋涵發生落梁等嚴重震害，墩梁錯動也導致軌道線路彎曲和錯位，給鐵路運輸和救災工作造成極大困難。同時，滑坡、落石等地質災害也給橋梁的震后修復和新建工程的選線等提出了巨大的挑戰。汶川地震使正在建設中的成都地鐵一度停工，地震造成地下車站和區間隧道等發生多處開裂、管片連接錯位、滲漏水增多等震害。重慶輕軌跨坐梁式單軌結構楔緊片出現松動現象，沿線山體邊坡出現少量位移。

軌道交通目前已成為我國大中型城市公共交通的主要工具，其抗震安全對這些城市和地區的生命安全、交通秩序、正常的經濟和社會活動，具有十分重要的戰略意義。在地震作用下，如何保證軌道交通系統的結構安全和行車安全已成為城市軌道交通系統建設的重要任務。本文將針對軌道交通抗震設計中部分關鍵問題做概要分析和論述，主要包括：抗震設防分類、設防標準與性能目標的確定、結構安全和行車安全指標的選取、樁土相互作用、軌道系統和車輛作用的模擬等。

1 軌道交通抗震設計工作現狀

我國的城市軌道交通是近十幾年才得到蓬勃發展的，而有針對性的城市軌道交通結構抗震基本理論研究還很少，尚未形成一個可供實用的抗震分析與抗震設計的理論與方法體系，在抗震設計時缺少完善的理論與技術支撐。軌道交通高架橋梁在結構形式、力學特征方面與一般的橋梁結構差別較大，其地震破壞形式和抗震性能要求也有其自身特點，需要開展專門的抗震研究工作，以解決其抗震分析和設計的基本理論與方法等問題。

與城市公路高架橋梁相比，城市軌道交通高架橋梁的顯著特點是軌道系統的存在。此外，由于軌道交通車輛走行安全性的需要，對其結構形式、動力性能和在地震作用下的性能目標亦提出與公路高架橋梁不同的要求。與普通鐵路橋梁相比，由于城市軌道交通系統承擔的運輸任務和車輛類型等不同，兩者在結構上有較大差異，在列車荷載的計算和行車安全的控制指標方面亦有不同，其抗震設計方法應符合各自的特點。

我國首部城市軌道交通結構抗震設計規范尚在編制過程中，目前設計單位通常是根據自身設計經驗的特點，選擇鐵路抗震規范或公路抗震規范作為參考，其選擇帶有任意性，且二者均不能很好地適合城市軌道交通結構的特點。這種選擇方式也造成了所設計的軌道交通結構抗震能力的不一致和地震破壞性態的不可預見性。

圖1為橋梁結構抗震設計的基本流程。其中，結構抗震設防分類和設防標準的確定是抗震設計的先決條件，由此確定結構在預期設計地震作用下的性能目標，即“某種結構在某等級地震作用下達到某種性能”。地震反應分析和抗震驗算是抗震設計工作的核心部分，貫穿其中的是表征結構抗震性能的各項指標，與抗震設防分類、設防標準、性能目標、地震反應分析方法和驗算方法等密切相關。而結構抗震構造設計是抗震設計的最終環節，是抗震設計思想在工程中的實際體現。

圖1 橋梁結構抗震設計的基本流程Fig.1 Flowchart of anti-seismic design for bridges

2 軌道交通抗震設防分類、設防標準與性能目標

抗震設防分類是根據建筑遭遇地震破壞后，可能造成人員傷亡、直接和間接經濟損失、社會影響的程度及其在抗震救災中的作用等因素，對各類建筑所做的設防類別劃分。抗震設防分類是關系到生命安全、經濟和社會等因素的綜合指標，與社會和業主的接受程度、設計工作的實際操作等密切相關。因此，合理界定城市軌道交通系統中不同結構的抗震設防類別，是抗震設計工作的必要前提。

隨著軌道交通建設的不斷進行，越來越多的軌道交通線路需跨越交通要道、大江大河或海灣，由于通行和通航的需要，需在關鍵區域設計大跨度橋梁或特殊類型橋梁。這些橋梁往往投資大，設計和施工難度均較高，故對地震作用下其結構安全也提出了更高的要求，因而在設計中應提高其設防分類等級。但同時值得注意的是，與這些重點橋梁相比，普通橋跨往往涵蓋軌道交通線路的絕大部分，長度幾公里甚至十幾公里、幾十公里，若地震中普通橋跨受到普遍破壞，則對線路通行造成的損害將更為嚴重。考慮到軌道交通線路的連續性和不可變更性等特點，在制定結構抗震設防標準時，應考慮線路的整體安全性。

抗震設防標準是指在抗震設防中根據客觀的設防環境和已定的設防目標，并考慮具體的社會經濟條件來確定采用何種強度的地震動作為抗震設防的對象。橋梁抗震設計的目標是減輕橋梁工程的地震破壞，保障生命財產的安全，減少經濟損失。因此，既要使震前用于抗震設防的經濟投入不超過我國當前的經濟能力，又要使地震中經過抗震設計的橋梁的破壞程度限制在人們可以承受的范圍內。抗震設防標準和抗震性能目標是衡量對結構物抗震能力要求高低的綜合尺度，取決于地震作用強弱、結構物使用功能和重要性程度以及國家經濟發展程度等諸多因素。

目前，世界各國橋梁結構抗震設計中常用的設防標準主要有單一設防水準、雙水準和三水準設防等。正在完善和發展中的基于性能的抗震設計思想，則為針對不同結構物采取多水準設防、多性能目標設計，實際上在世界各國的抗震設計規范中，也不同程度地采用了基于性能的抗震設計思想。

中國公路橋梁抗震設計細則（中華人民共和國交通運輸部，2008）將地震動分為E1和E2等級，分別為工程場地重現期較短和較長的地震作用。在E1等級地震作用下，結構在彈性范圍內工作，基本不損傷；在E2 等級地震作用下，延性構件（墩柱）可發生損傷，產生彈塑性變形，耗散地震能量，但延性構件的塑性鉸區域應具有足夠的塑性變形能力。該規范對抗震設防類別不同的橋梁的E1和E2地震動指定了不同的重現期，由此體現了不同類型結構抗震性能目標的不同，并在地震反應分析和驗算中給出了相應的要求。可大致表述為：“小震不壞，重要結構大震可修，一般結構大震不倒”。

中國鐵路工程抗震設計規范（中華人民共和國鐵道部，2006）將地震動分為多遇地震、設計地震、罕遇地震3個水準，對應的地震重現期分別為50年、475年和2450年。同時，將地震作用下結構的抗震性能規定為3個級別，并規定了3水準地震作用下各類結構須達到的性能目標，可大致表述為：“小震不壞、中震可修、大震不倒”。

日本鐵路抗震設計規范（日本鐵道技術綜合研究所，1999）和公路橋梁抗震設計規范（日本道路協會，2002）均規定了2個水平的地震動。將地震作用下結構的性能表述為3個等級。其抗震設防目標可大致表述為：“小震不壞、一般結構大震不倒、重要結構大震可修”。

美國AASHTO公路橋梁設計規范（AASHTO，2007）采用單一水準設防，即采用重現期475年地震作為設計地震動。而2007年5月由AASHTO橋梁地震作用研究小組委員會提供的抗震設計指南（Subcommittee for Seismic Effects on Bridges T-3，2007）則建議采用重現期1000年的地震作為設計地震動。該指南基于設計地震動1s周期對應的加速度反應譜值SD1，將橋梁劃歸A—D四種抗震設計分類（SDC），并根據橋梁所屬的抗震設計分類進行位移驗算、抗剪強度驗算、P-Δ驗算和最小支承長度等驗算。即在單一設防水準下，通過抗震設計分類體現對不同結構抗震性能目標要求的不同。規范的抗震性能目標為，按照規范設計的橋梁，在設計地震動作用下，可能遭受損傷，但發生倒塌的概率很低，可大致表述為：“不倒塌”目標下的“可修復”。

3 鋼筋混凝土構件抗震性能

在地震作用下，鋼筋混凝土橋墩的破壞形式主要有剪切破壞和彎曲破壞。剪切破壞為脆性破壞，應盡量避免，在設計中以剪力為指標進行強度驗算。彎曲破壞為延性破壞，適當配筋的混凝土墩柱具有良好的延性，可以發生較大的變形而不發生倒塌，在設計中以構件變形和結構位移為指標進行延性驗算。

中國公路橋梁抗震設計細則和美國AASHTO抗震設計指南均采用由截面彎矩-曲率分析所得曲線等效的雙折線模型描述鋼筋混凝土構件的彎曲特性，如圖2所示。折線的彈性段應通過M-φ曲線上表征第一根鋼筋屈服的點（φy，My）。在該屈服點之后，應使等效后的折線與M-φ曲線所成的兩部分陰影面積相等而得到等效折線。

日本鐵路抗震規范采用圖3所示的四折線彎矩-曲率模型描述鋼筋混凝土構件的彎曲能力。C點為混凝土開裂狀態點；Y點為縱向鋼筋發生屈服時的狀態點；M點為彎矩最大點；N點為保持屈服彎矩的最大曲率對應的狀態點。由Y點、M點和N點將構件的損傷水平分為4個等級。

圖2 美國AASHTO、中國公路抗震設計Fig.2 Highway Guidelines in China & AASHTO in the USA

圖3 日本鐵路抗震規范Fig.3 Railway Specifications in Japan

上述兩種描述鋼筋混凝土構件彎曲能力的方法，均為對其實際彎曲能力的簡化表述，方法的基礎均為截面的實際彎矩-曲率關系。兩者的基本思想均為以截面屈服彎矩作為構件進入彎曲非線性狀態后抗力的基本衡量，所不同的是中國規范和AASHTO規范以高于首屈彎矩的等效屈服彎矩作為能力彎矩，而在與延性構件相連的能力保護構件設計中，則將上述能力彎矩乘以超強系數后參與設計；而日本規范以首屈彎矩作為屈服彎矩，但在四折線模型中通過M點的設置，模擬了截面屈服后彎矩強化和下降的過程，為相對精細的模擬方式，該模型也對分析工作中負剛度段的計算處理提出了一定的要求。

工程設計中往往希望，在強烈地震作用下墩柱的破壞按照預期的延性破壞模式進行，即在預期的塑性鉸位置發生彎曲破壞，以此達到耗散地震能量的目的，并對能力保護構件進行保護。因此，在計算墩柱塑性鉸區抗剪和抗彎能力時，各國規范大都采用不同的材料參數取值來區分兩者的重要性等級。在抗彎能力計算時，采用材料強度試驗所得材料強度（如我國設計中采用的“標準強度”）；而在抗剪能力計算時，則采用對上述強度折減的強度（如“設計強度”）進行設計。

4 基礎抗震設計

4.1 規范設計方法

目前各國橋梁抗震設計規范大都按能力保護原則進行基礎的抗震設計，我國公路、鐵路抗震設計規范和美國AASHTO規范均體現了該思想，即采用橋墩底部地震力參與最不利荷載組合后，對基礎進行強度驗算。

日本鐵路抗震規范允許在強烈地震作用下，基礎進入一定程度的非線性狀態。采用反應塑性率（反應位移/屈服位移）、構件損傷水平和反應位移量（基礎位移、殘余位移）判定基礎的穩定水平。

歐洲規范Eurocode 8（European Committee for Standardization，2005）采用強度指標評價基礎的抗震性能，根據墩柱的預期抗震性能，對基礎采用不同的方法驗算。若墩柱為有限延性設計，則按設計地震結果直接驗算強度；若墩柱為延性設計，則按能力保護原則設計基礎；若墩柱保持彈性，預計塑性鉸發生在樁基上，則考慮樁的非線性效應，采用性能系數對地震力折減后進行驗算。

4.2 樁-土相互作用的模擬方式

樁基礎是我國城市軌道交通高架橋梁采用的主要基礎形式，樁-土相互作用的模擬是基礎抗震設計的核心環節。樁基礎與地基土的相互作用對橋梁動力性能和地震作用下受力特性有重要影響。針對土-結構相互作用問題，國內外學者已進行過大量研究，已有的分析方法和復雜程度不同的結構-地基系統模擬方式，可對地震作用下基礎-地基系統的行為進行不同精度的模擬。由于設計工作對計算效率常常有較高要求，故采用適當的簡化模型可以在保證設計精度的基礎上，滿足工作效率的需要。

集中參數模型是設計中常用的簡化分析模型。20世紀60年代，美國學者Penzien等（1964）在解決泥沼地上大橋動力分析時提出了集中質量法，該方法基于Winkler地基假設，采用梁和離散的彈簧、阻尼器單元來模擬橫向加載的樁，目前已在國內外得到了廣泛的應用。El Naggar等（1995）、Wang等（1998）、Boulanger等（1999）、El Naggar等（2000）都結合動力Winkler地基梁方法進行了相關研究。

由Matlock等學者提出的p-y曲線法是一種簡單實用，并能較為真實地反映水平荷載作用下樁-土相互作用機理的分析方法。燕斌（2007）采用p-y曲線法對地震作用下樁-土相互作用進行了靜力與動力分析，并提出了實用的樁-土相互作用簡化建模方法。王青橋（2009）采用Boulanger動力p-y曲線方法，比較分析了簡化模型中土層質量的取值影響，并結合對地震動參數沿深度分布的研究，分析了地基水平變位對樁身內力的影響。p-y曲線方法已列入美國API規范，我國港口工程樁基規范（中華人民共和國交通部，1998）也建議了該方法。

我國的鐵路、公路橋梁設計規范，采用m法計算基礎和地基土之間的相互作用。鐵路工程抗震設計規范采用設置于承臺底的轉動彈簧和水平平動彈簧模擬地基作用。公路橋梁抗震設計細則采用承臺底6個自由度的彈簧剛度模擬樁-土相互作用。

日本鐵路抗震規范提供的簡化方法主要有非線性反應譜法和基礎支承彈簧法。這兩種方法均未考慮土層運動對樁節點產生的地震動多點輸入問題，而將樁-土相互作用以非線性邊界彈簧模擬。非線性反應譜法為建立結構-土彈簧模型，將橋墩結構與樁基礎作為整體模型，根據靜力非線性分析所得結構等效固有周期，用所需屈服震度反應譜計算結構反應值。基礎支承彈簧法則根據靜力非線性分析所得基礎整體力-位移關系，將基礎支承作用轉化為計算基礎底面的非線性支承彈簧，再進行非線性時程分析。該規范采用反應位移法分析地震作用下土層位移對結構的影響，并將該位移作用與慣性作用的效應進行疊加。

樁-土相互作用的另一簡化方法是對樁-土非線性作用做等效線性化處理。在一些國家的抗震設計工作中，等效線性化方法常作為分析結構彈塑性地震反應的基本方法。該方法通過修改剛度和阻尼比，按線性振動理論計算結構非線性地震反應，即利用降低剛度和增加阻尼的方法，使按線性振動理論得到的地震響應峰值與非線性地震響應峰值一致，把復雜的非線性地震響應簡化為簡單的線性振動理論計算。顏海泉（2008）采用Boulanger模型對樁-土相互作用進行了參數分析，擬合了土的等效阻尼比、等效剛度與位移之間的關系，提出了計算樁-土作用的等效線性化模型。

4.3 傾斜樁抗震設計

目前，在已有的城市軌道交通橋梁中，很少采用傾斜樁基礎。而在跨海、跨江大橋中，為增強基礎的水平剛度，常常設置一定數量的傾斜樁。隨著軌道交通線路的不斷增加，在跨江或跨海灣的橋梁中，為滿足軌道交通列車運行對基礎剛度的要求，將有可能采用傾斜樁基礎。國內外對橋梁傾斜樁基礎抗震性能研究較少，已有研究資料多集中于港灣、碼頭、鉆井平臺等工程的抗震研究中。而震害調查表明，地震中高樁碼頭斜樁（叉樁）損壞較為明顯（龍炳煌等，2007），分析表明，與豎直樁相比，地震中傾斜樁承受的軸力較大，且分擔著較大的水平地震力，成為重要的抗側力構件。Harn（2004）采用基于位移的方法，分析了傾斜樁在地震作用下的易損機理，建議在樁頂與承臺連接部分采用混凝土填芯、鋼筋及兩者之間的填充砂漿構成的耗能部件，并給出了分析和設計方法。劉杰偉等（2008）采用靜力方法，研究了斜樁對群樁工作狀態的影響，分析表明，當樁群承受豎向和橫向荷載時，斜樁的存在有一定的好處，尤其是在減小水平位移方面，但當有豎向或水平土體位移作用在樁群時，群樁的工作特性會受到不利影響。Schlechter等（2004）采用試驗研究了斜樁對碼頭結構的影響，分析表明，斜樁承擔的水平地震力遠大于豎直樁，而當群樁系統中去除斜樁時，豎直樁彎矩和碼頭平臺位移均有大幅增加。出羽利行等（2008）針對地震作用下鐵道構造物傾斜樁基礎的反應和抗力進行了數值分析和模型試驗，分析表明，傾斜樁可增大基礎的水平抗力，減小結構的等效固有周期，同時，由于地震作用下的地基位移，樁內力和位移均有增大。

傾斜樁的使用將增大基礎的水平剛度和抗力，也可作為一種經濟的基礎形式。但在地震作用下，傾斜樁將承受較大的地震力，對樁自身抗震性能不利。一方面，應對地震作用下傾斜樁的破壞機理做進一步的研究；另一方面，由于傾斜樁發生一定破壞后，結構動力特性改變，可能改變整個地基系統的地震反應，對整個地基系統的保護是否起到積極的作用，應通過大量研究和分析工作予以驗證。同時，在傾斜樁地震反應分析中，適用于設計工作的樁-土相互作用簡化模型的應用，尚存在一些問題需做進一步研究和改進。針對傾斜樁的樁-土彈簧參數計算、抗震性能指標的選取和驗算方法等，尚未有成熟的結果可借鑒。

5 軌道系統和后繼結構的模擬

軌道系統是軌道交通高架橋梁區別于普通公路橋梁的一個顯著特點。而其動力性能特點則主要體現在無縫長軌與梁體的耦合效應，扣件的力學性能對橋梁抗震性能的影響。

在城市軌道交通的高架橋梁上，軌道通過扣件與軌枕連接，軌枕與混凝土道床、橋面澆注為整體式道床。由于鋼軌-扣件系統的約束作用，在地震作用下相鄰跨之間的地震反應存在耦聯，而在順橋向地震作用下，該耦聯作用更為明顯。張俊杰（2000）分析了軌道系統對橋梁地震反應的影響，分析表明，軌道結構由于延伸到地面或車站而對高架橋有很強的約束作用；同時，與無軌情況相比，軌道結構改變了高架橋的動力特性。軌道、扣件、支座的力學特性以及墩高等結構參數的變化均使上述作用變得復雜。馬坤全等（2002）的研究表明，橋上軌道結構對橋梁的順橋向約束作用改善了高架橋梁的抗震性能，但改善程度與鋼軌、扣件的順橋向力學特性有關。黃艷等（2002）分析了軌道約束對鐵路橋梁順橋向抗震性能的影響，分析表明，在地震中當橋墩剛度相近時，軌道約束對橋墩是有利的；而當橋墩剛度相差較大時，軌道約束對剛度較大的橋墩有時是不利的。

城市軌道交通高架橋梁一般長達幾公里甚至十幾公里，在地震反應分析中，通常取具有典型結構類型的橋跨，或選取結構特殊或地質構造特殊的橋跨進行分析。由于鋼軌系統對橋跨的耦聯作用使高架橋梁的地震反應有較強的整體性，故在選取典型橋跨分析時，應考慮相鄰后繼結構的作用。目前對順橋向地震反應以順橋向一致振動振型控制的高架橋梁為例，可采用簡單的彈簧-質量系統來模擬后繼結構的影響，但對等效剛度的計算方法、等效質量的經驗取值以及在強烈地震作用下，如何模擬進入非線性狀態的后繼結構等，需要進行大量的分析和計算以取得統計性的經驗數據。而對于墩高以及結構形式變化較大、軌道系統和支座較為復雜的高架橋梁，單一的彈簧-質量系統難以較為準確地模擬后繼結構的作用。為此，對后繼結構還須做大量的研究工作。

6 地震作用下的行車安全問題

6.1 抗震設計規范中對車輛荷載的模擬

軌道交通行車密度大，一旦發生地震，橋上有行車的概率也大，因而在軌道交通高架橋梁地震反應分析中應考慮車輛荷載的作用。由于設計時，以復雜的車輛-軌道耦合模型進行動力分析尚具有一定困難，因此在規范中多以列車橫橋向慣性地震力為指標，來衡量地震作用下車輛對橋梁的作用。在中國和日本的鐵路抗震規范中，均對地震作用下列車荷載的模擬方法給出了規定。

我國的鐵路工程抗震規范規定，對運量較大的Ⅰ、Ⅱ級鐵路，計入活載引起的橫橋向水平地震力。考慮到車架彈簧對橫橋向振動的消能作用，且橫橋向不一定為地震的主要振動方向，因而該地震力按列車活載的50%計算，雙線橋按單線活載計算。而在順橋方向，由于車輪的作用，地面運動的加速度很難傳遞到列車上，因此順橋向不計活載所產生的水平地震力。

而日本的鐵路抗震規范則在順橋向和橫橋向皆計入了列車產生的水平慣性地震力，其上限值在順橋向取列車荷載特征值的20%；在橫橋向取列車荷載特征值的30%。列車荷載特征值基于通常使用狀態下的裝載重量確定。對單線和多線橋梁的列車荷載加載線數為：單線或雙線時，取1線荷載；3線或4線時，取2線荷載；5線以上時，取3線荷載。

6.2 行車安全的控制

與公路高架橋梁相比，軌道交通高架橋梁還應保證地震作用下的行車安全，它涉及地震作用下車輛-軌道-橋梁系統的耦合動力分析研究。列車脫軌是危及鐵路和軌道交通行車安全的主要因素，在日本新潟地震中，新干線列車脫軌的事件再次表明，地震對軌道交通行車安全構成重大威脅。因此，確保不發生脫軌事故，是輪軌型軌道交通運輸系統最基本的安全要求。

目前，對脫軌的評判指標主要是脫軌系數和輪重減載率。脫軌系數定義為脫軌側車輪垂向力與橫向力的比值（Q/P）；輪重減載率則為左右輪軌減載量與靜輪重的比值（ΔP/Pst）。針對以上性能指標的不足，楊春雷等（2002）提出了根據輪軌接觸點位置進行脫軌評定的直接方法。曾慶元等（2004）和向俊等（2004）認為，列車脫軌的力學機理是列車橋梁（軌道）時變系統的橫向振動喪失穩定，并提出了此系統抗力功增量與輸入能量增量的關系準則，以此來判別該系統橫向振動是否穩定（即列車是否脫軌）。翟婉明等（2001）提出了直接根據車輪抬升量來評判脫軌的原理與方法，并提出針對我國車輛脫軌評判的建議標準及其實施細則。李運生等（2004）指出，在以往重視梁剛度對行車安全影響的基礎上，應進一步研究橋墩橫向剛度對其的影響。

上述文獻多為針對普通鐵路列車和軌道系統之間相互作用的研究。為保障城市軌道交通高架橋梁在地震作用下的行車安全，應針對軌道交通車輛和軌道系統，進行車輛、軌道和結構整體化的地震反應分析。李忠獻等（2005）在考慮土-結構相互作用的基礎上，分析了輕軌鐵路車橋系統耦合振動的影響，分析表明，地震作用與車橋系統的耦合振動存在很大程度的耦合，車橋系統的耦合振動響應，近似為橋梁地震響應與車橋系統耦合振動響應之和，在對高架橋梁上的輕軌鐵路進行車橋耦合振動分析時，必須考慮地震作用的影響。

韓艷等（2006a）研究了高速客運專線車-橋系統在地震荷載作用下的動力響應問題，分析了地震動強度和頻譜特性、橋梁阻尼比和行車速度等因素對地震作用下行車安全的影響，給出了確保地震發生時高速列車在橋上安全運行的臨界速度限值。對地震作用下列車與公路、鐵路兩用斜拉橋耦合振動問題的研究表明（韓艷等，2006b），地震作用使斜拉橋的橫向振幅、橫向和豎向振動加速度以及列車的橫向和豎向振動加速度等指標均有較大提高，導致列車運行安全性與舒適度下降。韓艷等（2006c）還分析了地震波行波效應對車-橋系統的振動響應的影響，分析表明，在進行大跨度連續梁橋車-橋系統的地震反應分析時， 應按橋址處的實際場地土特性考慮地震波行波效應的影響；并以列車橫向速度、脫軌系數、輪重減載率和橫向輪軌力等為指標，研究地震作用下列車速度對行車安全的影響。劉林等（2002）在京滬高速鐵路地震預警系統研究中，則結合國內外設計標準及鐵道部科學研究院研究成果，重視在保證列車正常運行前提下的軌道橫向加速度限值。

長期以來，國內外學者和鐵路、軌道交通研究人員對列車行車安全問題進行了廣泛和深入的研究，由于脫軌問題的復雜性以及事故原因調查的困難性，這一問題始終未得到很令人滿意的解答，評判脫軌的各種準則也存在一些問題。同時，地震作用的隨機性和地震作用下對橋梁結構自身響應準確預測的困難性，也使得該問題變得更加復雜。因此，在難以準確預測地震中結構行為和車輛行駛狀態的情況下，提出適合抗震設計的具備包絡性的性能指標及其量化評估方法，就顯得十分重要。

在日本的鐵路抗震規范中，為使L1地震動作用下不發生影響列車行駛的過大位移，要求對結構進行位移驗算，使由L1地震動產生的位移不超過通過列車行駛模擬實驗求得的位移限制值，其驗算指標主要有軌面的折角、錯位以及地震作用下軌面的橫向振動位移等。

7 抗震理論研究與設計工作的結合

自從1899年日本學者大房森吉提出用于結構抗震計算的靜力法以來，世界各國研究人員針對結構抗震分析和設計方法做出了不懈的努力，使結構地震反應分析和抗震設計水平得以不斷提高。而由于設計工作對理論的嚴謹性和成熟性要求較高，在很多情況下趨于采用保守的經驗參數和方法，同時對效率亦有較高要求，因而，在滿足精度要求的前提下，設計人員往往傾向于采用理論簡明、計算效率高的方法。世界各國抗震設計規范也均為部分地采用了抗震研究中較為成熟的成果，在規范編制的過程中，綜合考慮設計工作的特點和多種相關因素，具備一定的保守性。

為此，與軌道交通高架橋梁抗震設計相關的研究工作，應在深入、細致的基礎上，提出與設計工作特點相結合的結論。相關方法應力求簡明，易于實施，易于設計人員理解、接受和正確使用。

8 結語

（1）在城市軌道交通高架橋梁的抗震設計中，應結合軌道交通系統的特點，綜合經濟、社會等諸多因素，合理確定結構的抗震設防分類、設防標準與性能目標。

（2）應結合國內外橋梁抗震設計規范和研究成果，進一步研究適合我國城市軌道交通高架橋梁特點的抗震設計方法，包括結構建模方法、地震反應分析方法以及結構安全和行車安全的評價指標等。

（3）注重軌道交通抗震研究與設計工作的結合，確保研究成果在設計工作中的最終體現。

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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

住房和城鄉建設部標準定額司：城市軌道交通結構抗震設計規范（2007-1-12）；國家自然科學基金重大研究計劃（90715022）；國家地震局行業專項（200808021） 資助

2009-12-29

韓鵬，男，生于1982年。博士研究生。主要從事城市軌道交通結構抗震研究。Email: joy2000@yeah.net

韓鵬，王君杰，董正方，2010. 城市軌道交通高架橋梁抗震設計中的關鍵問題. 震災防御技術，5（1）：32—42.