特殊復雜場地條件下橋梁結構地震易損性研究現狀及發展趨勢分析

管嘉達，陳興沖，張熙胤

（蘭州交通大學土木工程學院，甘肅蘭州 730070）

引言

地震作為一種相對不具備可控性的自然災害，其發生伴隨著高度的不確定性。而高烈度地震的發生往往會對橋梁工程造成嚴重的破壞，繼而造成社會服務功能和震后救災搶險工作的中斷，給人民的生活造成巨大影響。隨著人們對震害的認識以及對橋梁抗震理念的重視，以易損性曲線為表達形式的地震易損性分析逐漸受到了各國學者的關注［1］。現階段，對橋梁結構進行地震易損性分析已逐步成為橋梁結構抗震性能及震后損傷評估的重要手段之一，在地震工程和防災減災領域已經得到了廣泛應用。

為了適應經濟發展的需要，近年來我國修建了很多的跨越河流、山谷和海洋的橋梁。由于橋梁所處的地理環境相對復雜，橋梁工程的建設必然面臨著各類特殊復雜場地，其中包括多年凍土、軟弱夾層土、近斷層以及流水沖刷等特殊復雜場地［2］。在地震區，特殊復雜場地條件的不確定性給橋梁結構的地震易損性分析帶來了極大挑戰。同時，某些橋梁更是面臨多種復雜的場地次生災害，而不同的場地條件下橋梁結構的震害差異十分明顯，綜合考慮多重場地的耦合作用對橋梁結構進行地震易損性分析是一個非常復雜的過程。鑒于此，本文首先簡要介紹了橋梁結構地震易損性分析方法；其次，對流水沖刷環境、可液化場地、近斷層場地、氯鹽侵蝕環境和凍土場地五種特殊復雜場地條件下橋梁結構地震易損性分析的研究現狀進行了歸納和總結；最后，指出了當前特殊復雜場地條件下橋梁結構地震易損性分析有待研究的方向。

1 橋梁地震易損性分析方法

地震易損性分析（Seismic Fragility Analysis）以概率論和數理統計學等為基礎，綜合分析大量的數據資料，定量地評估地震災害對結構造成的損壞。同時，通過該方法還可以預測結構在地震作用下將會遭受到的潛在破壞。地震易損性的概念被定義為：在不同強度水平地震動作用下，結構發生不同程度破壞或達到某一規定損傷狀態的條件概率［3］，用公式可表示為：

式中：Pf表示結構發生損傷的條件概率；DI（Damage Index）表示結構的地震損傷指標；Sc表示結構的損傷極限狀態；IM（Intensity Measure）代表了地震荷載水平的地震動強度參數；a表示某一特定的地震動強度水平，如地面運動的頻譜特征、地面峰值加速度（PGA）、譜加速度（SA）或強震持時。

從式（1）可以看出：確定結構的抗震能力和地震需求之間的關系是地震易損性分析的首要步驟，即結構抗震能力小于地震需求時的概率值，也即其達到某一規定損傷狀態的概率值，而不同地震強度作用下的概率值變化曲線則被定義為地震易損性曲線。目前應用較為廣泛的易損性分析方法是理論易損性分析方法，其核心思想是通過對橋梁結構的地震響應數值進行分析以建立地震易損性曲線。在選定結構的易損性函數和地震動強度參數IM后，即可預測結構發生損壞的條件概率。在理論易損性分析方法中，一般假定結構的抗震需求和能力都服從對數正態分布，此時可以采用對數正態分布函數來表征結構的地震易損性［4］：

式中：Φ表示標準正態累計分布函數；x表示表示結構地震需求；IMm表示易損性函數的中位值；ξ表示易損性函數的對數標準差。

由式（2）可知：采用理論易易損性方法需要評估地震作用下的結構能力和地震需求，其中的關鍵是對結構地震需求的預測。基于有限元的非線性動力時程分析方法是進行結構易損性分析的主要方法之一［5］，其分析流程如圖1 所示。根據結構易損性函數中位值和對數標準差計算方法的不同，非線性動力時程分析法可分為：“云圖法”、“增量動力分析法（IDA法）”和“需求能力比對數回歸法”。

圖1 非線性動力時程易損性分析過程Fig.1 Procedure of nonlinear dynamic time history vulnerability analysis

近年來，部分學者還嘗試結合了復雜算法的混合型地震易損性研究方法，這些算法包括均勻設計和Nataf 變換相結合的方法、貝葉斯法構造的混合Coupla 函數方法、人工神經網絡和Monte-Carlo 法相結合的方法以及引入核密度估算的地震易損性分析方法等［6－9］。在傳統的易損性分析方法中結合其他的新興計算方法可以在考慮諸多不確定因素影響的同時，提高易損性分析的計算效率，在一定程度上增加了橋梁結構地震易損性分析的客觀性。但這些新型分析方法在本質上還是基于構件與地震需求之間存在既定的相關性假設，結合“IDA法”和“云圖法”發展出來的針對單個構件易損性的混合型分析方法。在實際工程中，構件和地震需求之間存在著相當復雜的非線性相關性，而這些方法中的每一個都具有不同的預測精度和確定性，不適用于多個構件甚至整個橋梁系統的地震易損性分析。

2 特殊復雜場地條件下橋梁結構的地震易損性分析

除了場地本身的復雜性之外，在特殊復雜場地發生的地震會誘發很多次生災害，如地震誘發的場地液化現象將導致地表發生變形和近斷層地區的地震動引發的高幅值長周期脈沖等。這些現象都會使橋梁結構產生明顯的地震需求，從而引發橋梁結構的基礎破壞和倒塌。鑒于此，學者們有針對性地對流水沖刷環境、可液化場地、近斷層場地、氯鹽侵蝕環境和凍土場地等特殊復雜場地條件下的橋梁結構開展了大量的易損性研究工作。

2.1 沖刷環境下橋梁地震易損性分析

處于沖刷環境下的橋梁結構由于流水沖刷作用，其覆土層會逐漸變薄，樁基也會出現部分裸露。流水沖刷引起的土體流失不僅會削弱樁基的橫向承載能力，也會對輸入結構的地震動產生影響。流水沖刷不僅會降低橋梁結構基礎的承載能力，且會在一定程度上對輸入結構的地震動產生影響，從而改變橋梁的動力特性［10］。在水流、波浪和潮汐等環境荷載的綜合作用下，流水對橋梁下部結構的局部沖刷非常復雜，且直接預測橋梁基礎沖刷深度較為困難。因此，沖刷環境下橋梁結構的抗震性能評估存在著諸多的不確定性因素。而針對沖刷環境下的橋梁結構開展地震易損性分析則可以在考慮多種不確定因素的前提下，從概率的角度表征地震烈度與結構損傷狀態之間的關系。

現階段，國內外學者主要從沖刷深度和沖刷導致的橋梁基礎截面損傷兩個方面分析了基礎沖刷對橋梁結構抗震性能的影響。當沖刷深度較小時，針對橋墩的流水沖刷會延長橋梁的自振周期，從而減小橋梁的地震反應［11］。隨著沖刷深度的增加，地震作用下橋梁的塑性鉸區域將從橋墩向樁基遷移和擴散，而整個橋梁系統的地震易損性隨著基礎沖刷深度的增大呈現出非線性增大的趨勢［12］。PRASAD 等［13］和WANG 等［14］的研究表明：橋墩的地震易損性隨著沖刷深度的增加而降低，樁基的地震易損性則隨之增大；何海峰等［15］則進一步指出：當沖刷深度較小時，樁基的損傷概率隨沖刷深度的增加而增大，而當沖刷深度超過某一值時，樁基的損傷概率反而有所減小；HE 等［16］的研究表明：當樁基周圍為密實砂土時，橋梁的抗震性能隨著沖刷深度的增加而提高，而在松散砂土的地質條件下，這一情況恰好相反；考慮到流水沖刷作用會導致鋼管混凝土樁部分裸露，李新章［17］通過對鋼管混凝土樁-承臺邊節點模型進行擬靜力試驗，分析了流水沖刷作用對橋梁結構樁基連接節點抗震性能和破壞模式的影響。通過時變易損性分析，可以在考慮材料、沖刷深度和地震動不確定性的同時，有效地得到橋梁體系在復合災害作用下的易損性曲線［18］。SWAGATA 等［19］考慮了結構模型中的不確定性因素，針對美國California 洪水沖刷地區的兩座鋼筋混凝土橋梁開展了地震易損性分析，繼而基于易損性分析結果提出了洪水多發區域橋梁地震危險性評價的基本體系；還有學者在工程應用領域對沖刷和地震共同作用下橋梁結構的抗震設計做出了積極的探索研究，如魯傳安等［20］通過工程實例驗證了設置斜樁及提高樁基配筋率可以改善基礎沖刷對群樁基礎抗震性能的影響；WANG等［21］通過對14個結構參數和土體參數進行了敏感性排序，采用考慮沖刷效應的橋墩-樁基礎-土耦合有限元模型對沖刷環境下的群樁基礎橋梁開展了地震易損性分析，建議采用較大的樁徑以及較高的材料強度來減輕沖刷對樁基抗震性能的影響。

根據沖刷深度的不同，沖刷會對構件和系統的地震易損性產生有利或不利的影響。當沖刷深度較大時，考慮流水沖刷和地震聯合后，橋梁結構在各種破壞狀態下的失效概率均有所增加，且隨著破壞程度的加劇，流水沖刷對橋梁結構損傷概率的影響呈增大趨勢。而隨著沖刷深度的增加，橋梁結構的地震易損性部位也將發生轉移。適當提高沖刷環境下橋梁結構易損部位的配筋率以提高構件的延性，可以從一定程度降低橋梁結構的地震易損性。

2.2 可液化場地橋梁地震易損性分析

地震荷載的作用將誘發軟弱土體發生場地液化，這種現象將造成地表土體發生較大的變形，也是引起工程結構地基破壞和倒塌的重要因素之一［22］。在針對可液化場地條件下橋梁結構的抗震性能進行評估時，通常沒有充分考慮潛在液化場地土體的物理力學性能指標，而各種不確定性因素的疊加不可避免地影響了分析結果的準確性。因此，有必要采用基于概率的地震易損性分析方法來評估場地的液化潛力以及各種參數變化對橋梁結構地震反應的貢獻，從而為液化場地橋梁結構基礎的抗震設計提供科學依據。

從振動的角度分析，未發生液化的軟弱土層相當于一個低通濾波器。一方面，在地震作用下可液化的軟弱土層可以有效地吸收地震動的高頻分量；另一方面，可液化土層對地震動中的低頻分量有顯著的放大作用［23］。地震作用下，基礎直接作用于可液化土層的橋梁會因土層液化的擴展而突然失去支承，使得橋墩產生不規則沉降，繼而導致基礎開裂和橋梁結構的損壞［24］。MOHANTY 等［25］指出：地震作用下天然河床上的跨中橋墩自振周期增幅比鄰近橋墩更大，隨著土體的逐漸液化，跨中橋墩的位移需求也隨之增加，墩頂位移的差異將進一步導致落梁現象的發生。場地土層發生液化后，樁周土對樁側的約束效應將降低，樁基礎橫向位移幅值的增大將導致樁基在地震作用下發生屈曲破壞的概率大大增加［26］。考慮到橋梁結構體系和基礎形式的多樣性，王曉偉等［27－28］針對不同基礎形式的簡支梁橋和連續梁橋開展了一系列的地震反應分析，其結果表明，場地液化對群樁基礎簡支梁橋的地震易損性影響最大，群樁基礎連續梁橋受場地液化的影響次之，而場地液化對樁柱式基礎簡支梁橋的地震易損性影響相對較小；AYGUN 等［29］通過收集橋址處的土體液化指標、邊界條件和結構材料強度等參數的概率分布特征，考慮了多種不確定因素對可液化地區橋梁地震易損性分析的影響；為了更好地了解液化土壤中樁基的動力特性，部分學者通過振動臺、離心機試驗及數值模擬方法對液化場地樁基礎橋梁開展了大量研究［30－31］。PARTHA 等［32］通過離心機模型試驗研究板了樁加固技術對液化場地既有結構樁基地震響應的減輕效果，證明了在橋臺前設置板樁可以大大減小橋臺的位移幅值，從而減輕樁基的彎矩需求；考慮到鐵路橋梁往往包含大量的樁基，場地液化很可能不會破壞橋梁結構，但可能會放大橋梁的地震響應，導致列車脫軌。為此，JU等［33］通過有限元模型分析了場地液化條件下火車在地震作用下的車輪脫軌概率。

從地震動表現上來看：可液化場地與普通場地差別顯著，土體液化所導致的土體力學性能的變化將大大增加結構在地震激勵下的不確定性。現有抗震規范對橋梁工程結構地震動均按土層為非液化進行計算，這就導致在抗震設計階段的潛在液化場地對橋梁結構地震易損性的影響被忽略。液化土層中的樁基的地震響應受到諸多因素的影響，包括土壤類型、可液化土層厚度、地震動特性以及樁自身的結構特性等。對于跨度較大的橋梁結構，液化土層將會增加結構的自振周期，場地液化所造成的地面變形也將會顯著提高橋梁樁基礎的地震需求。針對液化場地橋梁位移需求較大的部位加勁，以減少額外的位移需求，可以在一定程度上減小橋梁結構在地震載荷和土壤液化雙重作用下的損傷概率。

2.3 近斷層場地橋梁地震易損性分析

地震斷裂帶在全球分布廣泛，包括美洲西海岸地震斷裂帶、太平洋西北邊緣地震斷裂帶、亞歐地震斷裂帶以及全球海嶺及裂谷系地震斷裂帶等。地震波在斷裂帶附近傳播時的能量衰減很小，這就造成近斷層附近的工程結構會遭受到較大的水平和豎向地震動輸入［34］。近斷層地震波的特征和遠場地震波有著顯著的差別，在地震作用下，近斷層場地特有的大脈沖式加速度也會使得橋梁結構產生較大的慣性力和位移。1957 年，美國人在通過收集Port Hueneme 地震所造成的建筑物損傷資料時，第一次認識到近斷層地震與遠場地震所表現出來的特性大有不同［35］。在2008年我國汶川地震的眾多受損橋梁中，近斷層場地的幾座橋梁損壞尤為嚴重，國內學者也進一步認識到橋梁結構在近斷層地震中的破壞特征［36］。隨著我國路橋建設向山區和沿海地區延伸，在極端運營環境下需要更多更大跨度的橋梁，快速發展的橋梁工程更不能忽視近斷層地震動的影響。

近斷層地震所造成的永久地面位移幅值、脈沖特性以及斷層穿越位置、斷層交叉角等因素都會對跨斷層橋梁的地震響應產生顯著影響［37］，而地震動的不確定性對易損性結果有重要影響，合理選取地震波也是充分考慮近斷層地震動不確定性的重要途徑之一。通常，學者們選取震中距、震源類型、一致激勵與多點激勵、地震動輸入維度等因素來表征地震動輸入的不確定性。MAKRIS 等［38］在方向脈沖地震反應譜的基礎上建立了地震動的速度脈沖模型，基于模型分析了近斷層脈沖地震動對結構地震響應的影響；夏春旭等［39］的研究表明，只考慮單向地震動會低估近斷層場地條件下橋梁墩柱的地震易損性；陳令坤等［40］認為地震作用下近斷層場地的橋梁結構會產生較大的豎向撓度，而按照《鐵路工程抗震設計規范》中規定的豎向地震取值會導致對近斷層場地橋梁結構的豎向地震動響應估值偏小；董俊等［41］則將地震動輸入維數作為不確定因素之一，比較了不同維度近、遠場地震動作用下橋梁構件的地震易損性曲線；TODOROV［42］和KABIR 等［43］通過有限元模型研究了地震動持時對近斷層場地橋墩抗震性能的影響，結果表明：地震峰值加速度較低時，地震動持時對橋墩地震峰值響應沒有影響，然而，對于較大的地震峰值加速度，地震動持續時間較長會導致橋墩的延性能力降低，長時間高烈度的地震動會大大增加橋梁系統的損傷概率。對于對活動斷層區域常見的高墩大跨橋梁而言，近斷層地震激勵會顯著放大樁土相互作用對橋梁地震反應的影響［44］，而考慮地震動的一致激勵也會低估橋梁結構的地震易損性。為此，陳彥江等［45］對一座變高墩剛構橋開展了地震易損性分析，證明了行波效應會使得橋墩的損傷概率大幅提高，且近場地震易損性和高墩易損性對行波效應較為敏感。

地震動的選擇對結構的易損性分析結果十分關鍵，而地震波往往伴隨著很強的隨機性。為選取合適的近斷層脈沖地震波，BAKER［46］提出了一種通過小波變換來提取地震波中潛在脈沖的計算機自動識別方法。而為了得到不同強度地震動作用下的結構響應，也可以基于“云圖法”根據場地條件輸入大量地震波或基于IDA法對地震波進行調幅［47］。對于缺乏地震記錄的地區，還可以根據其所處的場地條件生成人工地震波，但無論以何種方式選擇的地震波都要與橋址處的場地危險性分析結果保持一致。在針對橋梁結構開展的地震易損性分析過程中，需要對不同地震動作用下的結構損傷進行統計分析，這就要求選取一個統一的地震動強度參數來表征地震動的強度，而采用不同的地震動強度參數所得到的分析結果顯然存在差異［48］。陳克堅等［49］指出速度型地震動強度指標和修正的Arias 強度指標具有廣泛的周期性，且速度型地震動強度指標能更好地表征近斷層橋梁結構非線性位移需求；在地震動強度指標的選擇上，大部分研究沒有充分考慮場地條件對地震動參數變異性的影響［50］，李寧等［51］的研究表明：在結構體系傳力復雜或位于特殊復雜場地的相關橋梁地震易損性研究中，僅采用單一地震動強度指標無法有效表征地震動輸入的隨機性；因而，部分學者將兩個或多個地震動強度參數進行一定的數學組合或修正計算，如黃明剛［52］同時選取了地震動峰值加速度PGA 和譜加速度Sa作為地震動輸入的強度指標。將多個地震動強度參數與地震動持時相結合，從而得到的綜合型地震動強度指標可以更好地描述地震動輸入。

近斷層的存在提高了橋梁結構的非彈性變形要求，很多大跨度橋梁在近斷層地震作用下的抗震性能表現較差［53－54］。一些學者提出在既有橋梁的加固改造以及新橋的建設中考慮減隔震裝置的布置可以減輕近斷層場地橋梁的地震響應，而學界對減隔震技術在近斷層場地橋梁是否適用這一問題上，意見還不統一。部分學者的研究表明：考慮到支座的適用性、橋墩的抗剪性能以及軌道的層間結構等參數影響，很難達到近斷層設防地震動的目的［55］，在近斷層地震下，減隔震橋梁的失效概率也會大大增加。王統寧等［56］也指出隔震支座在近斷層場地的減震效果不明顯，另外，鉛銷橡膠支座反而會使橋梁的縱向位移增大，易導致梁體碰撞、落梁等現象的發生。同時，也有部分學者通過研究表明合適的減隔震裝置仍能有效降低近斷層場地條件選橋梁的地震易損性［57］。XIANG 等［58］對不同消能裝置加固后的排架墩在近斷層和遠場地震作用下的地震易損性進行了比較，結果表明：無論在近場還是遠場地震作用下，設置PBSC 和BRB 裝置都可以有效降低雙柱式排架墩的地震易損性。

與遠場地震波相比，近斷層地震對橋梁結構的破壞性更大，近斷層地震波在時間和空間上存在著更多的不確定性。近斷層地震波對自振周期較大橋梁的地震響應影響顯著，使得結構產生更大的地震需求，而考慮地震動的一致激勵也會低估大跨橋梁的地震易損性。現階段，圍繞近斷層場地條件下橋梁結構開展的抗震性能評估還存在諸多問題亟待解決，而選取合適的地震動強度指標針對近斷層場地大跨橋梁開展系統性的地震易損性研究是一項迫切的科學任務。

2.4 氯鹽侵蝕環境下橋梁結構的地震易損性分析

在橋梁使用期間，多種退化機制可能會潛在地影響橋梁在使用期間的結構性能，如氯鹽、硫酸鹽和酸對混凝土、鋼構件的碳化和侵蝕等。在眾多環境荷載的影響中，由于氯離子侵蝕所導致的鋼筋銹蝕問題是造成鋼筋混凝土結構退化的首要因素。對于近海以及冬季大量使用除冰鹽的地區，氯鹽對橋梁結構的侵蝕問題比較嚴重，而許多近海構造都位于地震高發區，氯鹽侵蝕與地震災害的耦合作用將顯著增加結構的安全風險。因此，從全壽命設計周期的角度考慮環境荷載對橋梁結構抗震性能的影響已逐步成為共識，而結合鋼材的劣變規律對結構進行全壽命設計周期下的地震風險評估也成為研究趨勢［59］。

氯離子在鋼筋混凝土橋梁中的擴散會引起結構表面混凝土脫落、內部鋼筋銹蝕等現象，氯鹽侵蝕引起的材料力學性能有效截面積的降低將嚴重影響橋梁的抗震性能。鑒于此，傅沛瑤等［60］根據混凝土碳化和鋼筋銹蝕規律研究了橋梁構件和橋梁體系兩個層次的地震易損性時變規律，其結果表明：橋梁體系的損傷概率上限要高于任意構件，材料劣化的不利影響主要體現于縱橋向；LI 等［61］的研究表明：在服役初期，支座的損傷概率明顯高于橋墩，而隨著服役時間的增加，近海橋梁橋墩的損傷概率則會逐漸大于支座和橋臺等構件的損傷概率［62］；以近海橋梁為例，柳春光等［63］提出了考慮橋墩、橋臺和板式橡膠支座等構件地震需求的全橋系統易損性計算方法，并在此基礎上建立了全橋的系統易損性曲線。通常，氯離子對結構的侵蝕在空間上呈現不均勻的特點，在非一致氯離子侵蝕作用下，橋梁的地震易損性隨服役時間的增加而快速增大［64］。為還原自然環境下橋梁結構的氯鹽侵蝕過程，YUAN 等［65］采用電化學加速腐蝕的方法，在設計的大氣區、飛濺區、潮汐區和淹沒區制備了4個腐蝕程度不同的橋墩模型，考慮非均勻侵蝕的影響對模型開展了振動臺試驗，結果表明：不同腐蝕程度區域之間的顯著性能差異可能會導致橋墩的塑性鉸區域發生轉移；BIONDINI等［66］考慮氯離子侵蝕過程的不確定性，提出了一種基于概率的退化鋼筋混凝土橋梁抗震性能預測方法，同時通過非線性靜力和非線性動力時程方法對氯離子侵蝕作用下的鋼筋混凝土橋梁進行了易損性分析；為研究橋梁結構在氯鹽侵蝕作用下的退化效應，CHOE等［67］建立了考慮氯離子侵蝕作用的橋墩概率能力模型，考慮腐蝕過程的不確定性對橋梁進行了時變地震易損性分析；GHOSH 等［68］考慮氯離子侵蝕下鋼筋混凝土柱的實際點蝕劣化，提出了一種建立劣化公路橋梁地震易損性曲線的方法，評估了氯鹽侵蝕下橋墩退化機制對橋梁構件和體系地震反應和易損性的影響；考慮到混凝土發生開裂后，鋼筋銹蝕率將顯著增加，CUI 等［69］提出了一種改進的考慮點蝕的鋼筋劣化模型，并考慮了混凝土開裂后鋼筋銹蝕率的變化，以評估海洋環境下鋼筋混凝土橋梁下部結構的時變地震易損性。在現實中，由于橫向鋼筋和縱向鋼筋到保護層混凝土表面（裸露表面）的距離不同，隨著時間的推移，其會受到不同程度的侵蝕。鑒于此，XU 等［70］考慮了橫向鋼筋和縱向鋼筋的銹蝕水平差異，提出了一種考慮鋼筋銹蝕影響的剪切型結構地震易損性分析框架對鋼筋混凝土柱開展了地震易損性分析。

氯鹽對橋梁結構的侵蝕過程以及其所造成的鋼筋和混凝土力學性能退化，受到結構所處的溫度以及濕度等眾多環境因素的影響。現階段，考慮氯鹽侵蝕的橋梁結構地震易損性往往都基于均勻侵蝕劣化模型，這種簡化分析模型會低估劣化橋梁在全壽命周期中的地震易損性，其分析結果也往往只用于指導新建橋梁的抗震設計。而多數既有橋梁的服役年限都還比較長，其抗震性能受到非一致氯鹽侵蝕所造成的不均勻退化問題更是不容忽視，針對既有橋梁進行抗震性能分析時考慮其時變特性將成為主流趨勢。另外，有研究表明采用纖維混凝土等復合材料可以大幅提高橋梁全壽命周期的抗震性能［71］，這類新型復合材料不僅適用于新建橋梁的抗震設計，也可以應用于老化橋梁結構的加固改造。

2.5 凍土場地下的橋梁地震易損性分析

凍土作為一種特殊的巖土材料，由氣態包裹體、冰包裹體、礦物顆粒和液態水組成，作為多相復合體，凍土的強度和變形特性比未凍土要復雜得多。根據其凍結時間的不同，凍土主要分為多年凍土和季節凍土兩大類。凍土在全球范圍內的分布非常廣泛，其中多年凍土約占全球陸地總面積的23%，主要分布于俄羅斯、加拿大、中國和美國的阿拉斯加等地區。我國是世界第三凍土大國，我國季節性凍土和多年凍土面積接近全國總面積的70%，而我國的多年凍土主要分布于號稱世界第三極的青藏高原上。在地理分布上，多年凍土區同時也是地震頻發區域，如青藏高原地震區是我國地震活動最為頻繁的區域，且震級相對較高。作為穿越凍土區的樞紐工程，凍土區的橋梁結構不可避免地面臨著地震作用和凍土場地效應的雙重挑戰。

樁基礎是與凍土直接作用的最關鍵區域，為了減少對凍土擾動，凍土區橋梁廣泛采用高樁承臺基礎和樁柱式橋墩。鑒于此，ZHANG 等［72］通過擬靜力模型試驗對比了未凍土場地和凍土場地條件下樁土體系的抗震性能，結果表明：凍土層的存在對地震具有一定的抑制作用，有利于橋梁結構的地震安全性；吳志堅等［73］和CHE 等［74］針對樁基礎進行了地震響應數值分析，結果表明：多年凍土層溫度對青藏鐵路橋梁樁基礎地震穩定性起到關鍵性作用，不同的溫度分布對地震作用下橋梁樁基礎的位移、剪力和彎矩變化都具有顯著的影響；為研究多年凍土層對橋墩地震響應的影響，陳興沖等［75－76］對青藏鐵路常用跨度橋梁的地震響應和抗震性能進行了研究，考慮不同基礎形式，對比分析了青藏鐵路典型橋墩在有無凍土情況下的地震響應。另外值得注意的是，低溫導致的支座力學性能下降也會使得橋梁系統地震易損性顯著提高［77］。經歷凍融循環后，混凝土和鋼筋的材料退化會導致結構或構件的多項力學性能指標出現不同程度的下降［78］。國外學者的研究表明［79］：季節凍土效應會明顯改變橋梁的結構動力特性，而土體凍結能使樁—土體系由延性向脆性轉變。XIONG 等［80］在此基礎上通過數值模擬方法研究了季節凍土層對橋梁樁—土系統的剛度和阻尼系數的改變以及對橋墩動力響應的影響；鄭海忠等［81］利用相似分析和數值模擬方法，分析了季節性凍土區不同場地的振動衰減特性，發現土體凍結后剛度提高，波動傳遞速度快，使得振動衰減速度要小于非凍土場地；還有部分國內學者關注于橋梁結構本身的凍融損傷機理，王斌等［82］系統地研究了凍融循環次數對結構抗震性能的影響，驗證了結構發生某一特定損傷的概率會隨著凍融循環次數的增加而有所增加。除此之外，隨著全球變暖的加劇，多年凍土呈現區域性退化狀態，氣候變暖所造成的凍土退化則會導致地基嵌固作用降低，增大橋梁結構的地震易損性［83］。

確定結構或構件在地震動輸入情況下不同損傷狀態所對應的損傷指標是地震易損性分析的重要步驟，凍土層的存在在改變場地卓越周期的同時，也給橋梁結構-凍土體系損傷指標的確定帶來了難度。由于橋梁系統由不同構件組成，各個構件又有其特異性，且在地震作用下，橋梁各關鍵構件的破壞順序有所不同［84］。因而對于橋梁系統而言，建立適用于整體橋梁系統的損傷指標比較困難。因此，現階段橋梁結構所應用的損傷指標以其組成構件的損傷指標為主。考慮到橋墩是橋梁結構中不易更換且容易損傷的構件，劉凱華［85］基于“云圖法”對某預應力小型梁橋的混凝土墩柱開展了凍融循環后再生混凝土墩柱的地震易損性分析，選取位移延性系數來表征結構的損傷狀態，通過pushover分析得到了墩柱在不同極限狀態下的損傷指標值。各國學者提出了多種典型的損傷指標來衡量結構的損傷程度，如Park-Ang指標、Stone-Taylor指標、裂縫指標和位移延性比指標等。各種損傷指標都有其各自的特點和缺陷，而地表凍土層的存在使得單個構件采用單一的損傷指標可能無法準確地反映橋梁系統的地震易損性。為此，有學者同時對多個構件選取多個損傷指標進行地震易損性分析［86］。對于凍土區橋梁結構的地震易損性分析，有必要綜合考慮墩柱位移延性比、樁-土體系等效位移延性比以及土體極限壓應變等作為體系的損傷指標。

凍土層的存在不僅改變了地震波的傳播特性，也會對橋梁的破壞模式產生一定的影響。不同地震波形和不同溫度的凍土層對橋梁結構體系地震響應的影響也是不同的，凍土層的存在會顯著改變地震作用下橋梁結構的損傷概率。當考慮多年凍土退化的附加影響時，橋梁結構的潛在損傷概率顯然更大，而季節活動層的凍融循環作用也會反復改變地基土對樁基礎的側向約束作用，繼而導致橋梁結構地震損傷規律產生不確定性。凍土場地地震效應的復雜性和橋梁結構本身的特殊性疊加，給多年凍土區橋梁地結構地震易損性分析帶來了極大挑戰，綜合考慮多個損傷指標對凍土區橋梁結構進行地震易損性分析將成為趨勢。

3 特殊復雜場地橋梁地震易損性研究的發展趨勢

考慮到特殊復雜場地條件下橋梁結構的動力特性、地震動輸入參數以及損傷極限狀態等不確定性因素影響較大，且復雜場地區域的橋梁地震易損性分析理論尚不完備，今后可以在以下幾個方面進一步研究：

（1）考慮特殊復雜場地條件的橋梁結構數值分析模型的研究

在對特殊復雜場地條件下的橋梁結構進行數值模擬分析時，需要考慮多重因素的影響，建立準確有效的分析模型成為了關鍵問題。例如，采用同一基礎形式的橋梁可能面臨多個特殊場地條件的影響，其中典型的有北方河谷場地橋梁常采用的高樁承臺基礎，同時面臨著場地液化、流水沖刷和凍融循環等多重場地因素的考驗。鑒于考慮多重場地耦合作用的橋梁地震易損性分析較為復雜，因此建立等效簡化模型也顯得極為重要。

（2）考慮特殊復雜場地條件下橋梁結構全壽命周期的地震易損性分析

在橋梁的整個服役期內，其抗震性能是處在一個不斷變化的過程中的。考慮地震作用和環境荷載的共同作用的時變效應，開展橋梁全壽命周期內的地震易損性分析已成為當前的熱點問題。以往的研究通常只考慮單一環境荷載的影響，但在某些特殊復雜場地條件下橋梁工程需要面對的多個環境因素的影響，如海上橋梁在使用期間會遇到海水沖刷效應以及氯離子侵蝕等環境荷載的影響，部分季節凍土區的橋梁結構也需要同時面對凍融循環和除冰鹽暴露的環境。當多個環境荷載引起的結構效應呈負相關時，考慮多個環境荷載的影響會高估結構的地震易損性，而當多個環境荷載的結構效應呈正相關時，可能會低估結構的地震易損性。因此，考慮多種環境荷載耦合作用下特殊復雜場地橋梁結構全壽命周期的地震易損性分析將是一個新的挑戰。

（3）考慮氣候變化背景的特殊復雜場地橋梁結構地震易損性分析

近年來，全球平均氣溫逐年升高，已經造成了多年凍土退化、全球海平面上升等現象的發生。同時，氣候變化也給特殊復雜場地橋梁的地震易損性分析帶來了新的挑戰。一方面，考慮氣候變化背景有利于新建橋梁的橋址和橋型選擇；另一方面，氣候變化導致的大片高溫凍土、軟弱夾層和水流沖刷深度改變等問題給橋梁工程的抗震性能也帶來了嚴峻考驗，也使得復雜場地條件下既有橋梁結構的地震易損性分析變得更加困難。

（4）基于特殊復雜場地的橋梁系統地震易損性曲線的建立

現階段，大部分學者通過對橋梁主要組成構件進行易損性分析來預估整個橋梁系統的易損性。而針對單個構件所建立的地震易損性曲線不能反映建模相關不確定性對整體橋梁系統抗震性能的影響，且這些研究大多針對橋梁下部結構，這樣往往會高估橋梁的抗震能力。作用于特殊復雜場地的地震荷載往往會導致橋梁上部和下部結構的整體性損傷，而橋梁作為一個復雜的系統性工程，其整體系統的地震易損性要遠大于任何一個單獨構件。另外，特殊復雜場地的橋梁自身結構在地震動作用下受損后，由于橋址所在位置特殊，其可修性極差。因此，在特殊復雜場地橋梁中設置易修復的剪力鍵和其他消能保護裝置是減輕其震害的有效改造措施。而如何科學地衡量考慮車橋耦合以及消能保護裝置等各種不確定性因素的影響，對橋梁結構各個部件進行全面的地震響應分析以建立有效的橋梁系統易損性曲線值得進一步研究。

4 結論

本文簡要介紹了橋梁結構地震易損性分析方法，歸納總結了流水沖刷環境、可液化場地、近斷層場地、氯鹽侵蝕環境和凍土場地等特殊復雜場地條件下橋梁結構地震易損性分析的研究現狀，并指出了當前特殊復雜場地條件下橋梁結構地震易損性分析有待研究的方向。

地震作用下橋梁的損傷主要集中在下部結構上，而特殊復雜場地條件下橋梁的地震易損性不僅受到樁基等構件自身材料參數的影響，土層特性以及環境荷載也會對橋梁結構的地震響應以及破壞特征產生顯著影響。同時場地條件的不確定性也給地震易損性分析過程中地震動強度指標和損傷指標的確定帶來了難度。因此，在對復雜場地區域的橋梁結構進行易損性分析時，應綜合考慮多個地震動強度指標和損傷指標來表征結構的地震動輸入和損傷狀態。

特殊場地地震效應的復雜性和橋梁結構本身的特殊性疊加，給復雜場地條件下橋梁的抗震設計、性能評估和抗震設防帶來了極大的不確定性，也為復雜場地條件下橋梁結構的地震易損性分析帶來了極大挑戰。當前的研究表明：適當提高基礎配筋率或者設置消能保護裝置都可以針對性地減小橋梁結構的位移需求，從一定程度降低橋梁結構的地震易損性。而針對單個構件所建立的地震易損性曲線不能全面地反映各種不確定因素對整體橋梁系統抗震性能的影響，因而，綜合考慮橋梁結構自身特性以及復雜場地地震效應對整個橋梁系統開展有效的地震易損性分析極為關鍵。在全球氣候變暖和地震活動頻發的大背景下，通過橋梁結構的地震易損性分析，從概率角度評估特殊復雜場地條件下橋梁的抗震性能，為特殊復雜場地條件橋梁結構的抗震設計及加固、維護等提供理論依據，是一項長期而緊迫的任務。