近断层地震动速度脉冲对高速铁路桥轨系统地震响应的贡献机制与预测模型研究

针对近断层地震动速度脉冲(NGMVP)加剧高速铁路桥轨系统(HSRBTS)震害的难题，研究人员通过小波包变换(WPT)分解121条地震记录，结合非线性时程分析，建立了包含19个参数的四种预测模型。研究发现低频脉冲分量与响应比高度相关，指数乘积模型预测效果最优，为HSRBTS抗震设计提供了量化依据。

　　

地震灾害中，近断层区域的结构往往遭受更严重的破坏，这种现象与近断层地震动特有的速度脉冲(Near-fault ground motion velocity pulse, NGMVP)密切相关。高速铁路桥轨系统(High-speed railway bridge-track system, HSRBTS)作为生命线工程，其抗震性能直接关系到列车运行安全。然而，现有研究多聚焦于定性分析脉冲效应，缺乏对NGMVP贡献度的量化评估，且常采用简化脉冲模型，难以真实反映包含高频与低频成分的实际地震动特性。

为解决这一科学问题，中南大学的研究团队在《Soil Dynamics and Earthquake Engineering》发表论文，创新性地结合小波包变换(Wavelet packet transformation, WPT)与多元回归分析，定量解析了NGMVP对HSRBTS关键构件（轨道、支座、桥墩）的地震响应贡献。研究选取PEER数据库121条近断层地震记录，通过WPT分解获得高频残余分量与低频脉冲分量，分别输入五跨简支梁桥-CRTS II型无砟轨道系统模型进行非线性时程分析。筛选19个地震动参数（含脉冲周期T_p、谱加速度S_aT1等），最终建立指数乘积模型实现响应比预测。

关键技术包括：1) 基于Baker脉冲指标(PI)的地震动重投影筛选法；2) WPT频带能量阈值分解；3) 四类参数化预测模型(线性/对数/指数/混合)对比；4) 相关系数矩阵与方差分析。

主要结果

1. 参数相关性
   低频脉冲响应比与Φ_SaT1(谱加速度比)、T₁/T_p(周期比)显著相关(R>0.8)，而高频分量仅与Φ_RMSa(均方根加速度比)弱相关。

2. 模型优选
   指数乘积模型预测误差最低(MAE=7.2%)，其公式形式为：
   Ψ_pulse=exp(a)·(Φ_SaT1)^b·(T₁/T_p)^c

3. 参数敏感性
   当T₁/T_p∈[0.5,2.5]时，脉冲贡献度骤增30%-60%，证实脉冲-结构周期匹配效应。

结论与意义
该研究首次实现NGMVP对HSRBTS地震响应的定量解耦，揭示低频脉冲主导系统损伤的机制。所建模型可直接用于：1) 基于T_p的抗震设防标准优化；2) 考虑脉冲效应的桥轨系统易损性分析；3) 列车运行安全阈值制定。方法论层面，提出的WPT-参数化模型框架为其他基础设施脉冲效应研究提供范式。