考虑脉冲状地面运动空间与概率特性的高速铁路桥网交通风险评估方法

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Traffic risk assessment method for high-speed railway bridge networks considering the spatial and probabilistic characteristics of pulse-like ground motions

　　高扬周|朱志辉|郑伟奇

摘要：随着高速铁路网络不断向地震强度较高的地区延伸，铁路线路越来越可能接近或穿越活断层。然而，现有的铁路桥梁网络交通风险评估方法未能充分考虑近断层脉冲式地面运动在空间上的非均匀性及概率特性。为解决这一问题，本研究提出了一种考虑脉冲式地面运动的空间分布与发生概率的高速铁路桥梁网络交通风险评估方法。该方法首先根据震源到桥梁的位置距离以及脉冲效应带来的放大作用来修正桥梁所在位置的地震强度，然后将脉冲式地面运动的发生概率纳入桥梁交通功能损失的概率评估中。基于桥梁层面的功能损失风险，进一步评估在多个潜在地震源作用下的高速铁路桥梁网络交通风险。此外，还研究了不同交通需求场景下的路径连通性及安全速度优化方案。研究结果表明，若忽视脉冲式地面运动的空间分布与概率特性，桥梁交通功能损失风险的估算值可能会出现25%–70%的误差。所提出的方法可为近断层区域的高速铁路桥梁网络的交通状态预测、网络风险评估以及震后应急决策提供支持。

引言：随着社会经济的快速发展以及区域一体化的加速，高速铁路已成为各国客运及部分货运运输的骨干[1,2]。近年来，中国持续在高速铁路领域进行大规模建设。截至2024年底，中国的高速铁路运营里程已达48,000公里，占全球总里程的60%以上，形成了世界上规模最大、最繁忙的高速铁路网络[3]。如此庞大的高速铁路网络在极端自然灾害面前将面临巨大挑战。其中，地震作为典型的极端自然灾害，会对桥梁网络造成严重影响。地震的影响范围很广，通常可达数百甚至数千平方公里，会对区域高速铁路桥梁网络中的众多桥梁造成不同程度的破坏，进而影响桥梁网络中各条线路的连通性[4,5]。

许多学者开展了关于地震作用下交通网络损伤与连通性评估的相关研究。在区域尺度的交通网络地震损害概率评估方面，钟等人[6]对区域尺度上的桥梁网络进行了地震脆弱性分析，通过引入概率功能损失率，实现了从单座桥梁到网络功能损失评估的统一建模。尹等人[7]研究了我国铁路网络逻辑列车运行路径与实际地理线路之间的耦合关系，分析了地震作用下铁路网络的空间非均匀损伤特征。以震后“黄金72小时”原则为指导，Khademi等人[8]研究了发展中国家在重大地震情景下关键应急道路网络的地震损伤特征及影响因素。

由于桥梁在地震事件中是交通系统中最易受损的组成部分，它们往往决定了震后交通网络的可靠性[9]。为研究地震作用下桥梁网络的连通性状况，陈等人[10]构建了从桥梁脆弱性到网络脆弱性的综合评估框架，分析了关键桥梁的抗震性能及其拓扑位置对网络连通性可靠性的影响。张等人[11]考虑了并行修复行动相互作用导致的线路中断对道路网络实际连通性状态评估结果的影响机制。基于数据驱动的渗流理论，Chang等人[12]实现了基于震后数据与渗流理论融合的震后道路网络连通性评估，并提出了震后道路瓶颈及孤立区域的识别方法。胡等人[13]研究了多系统功能依赖作用下城市地铁系统的震后功能损失。Jong等人[14]基于行程时间与连通性可靠性，研究了地震动强度、交通需求及网络拓扑共同作用下的桥梁网络可靠性。Lee等人[15]考虑了随着使用时间延长桥梁性能恶化导致的道路网络震后容量时变特性。他们基于矩阵系统可靠性方法，将概率计算与网络连通性分析分开，实现了对震后桥梁网络容量随时间变化的快速评估。同时，针对地震作用下桥梁网络可靠性评估需要大量计算成本的问题，陈等人[16]和Nabian等人[17]通过引入人工智能方法加快了桥梁网络的地震可靠性分析速度。近期，物理信息神经网络及物理辅助神经网络的发展进一步展现了在计算力学与可靠性分析中将物理机制与深度学习模型相结合的潜力。例如，张等人[18]通过将有限元插值概念嵌入结构化神经网络，开发出了分层深度学习神经网络；而徐等人[19]则提出了一种物理辅助深度学习框架，通过将广义概率密度演化方程纳入网络，用于重构随机动力响应的演化概率密度。

目前，针对地震作用下桥梁网络连通性状态的评估已初步形成较为成熟的评估框架。但现有研究主要集中于公路桥梁网络，由于高速铁路桥梁网络在结构形式及运行控制方面与公路网络存在显著差异，现有的道路网络交通与功能损失评估体系无法直接应用于铁路桥梁网络。大量的实际地震灾害表明，地震对桥梁造成的列车交通功能破坏程度远远高于桥梁结构损坏导致的网络中断概率[20,21]。因此，有必要基于地震后铁路桥梁交通功能损坏的评估来开展地震作用下铁路桥梁网络交通状态的评估，而目前这方面仍缺乏有效的评估方法。

在震后桥梁网络连通性状态评估的基础上，通过进一步结合地震危险性分析结果，可实现震前桥梁网络的损害风险评估，随后可根据风险评估结果采取相应的地震防护措施，有效降低灾害损失[22]。在目前关于地震作用下道路网络交通风险的研究中，Tak等人[23]将概率地震危险性分析方法与矩阵系统可靠性方法相结合，从系统层面研究了桥梁交通网络的地震风险。Silva-Lopez等人[24]基于交通成本对道路网络的地震风险进行了评估，提出了一种综合考虑交通行为、网络连通性及地震风险的损失评估方法。他们基于深度学习算法，实现了对大规模道路网络地震风险的快速评估及加固优化，并确定了道路网络中桥梁的重要性排序[25]。Yoon等人[26]基于人工神经网络替代模型，对桥梁交通网络系统层面的地震风险进行了快速评估，揭示了震源位置及关键桥梁对网络行程时间与相对风险的控制机制。Kilanitis等人[27]对地震多发地区的道路网络进行了地震风险评估，分析了关键交通基础设施节点的修复对道路网络韧性的影响。也有一些研究开始关注铁路桥梁网络的地震风险。周等人[20]提出了基于列车-轨道-桥梁耦合分析的高速铁路桥梁网络多级运行可靠性方法，揭示了地震风险、桥梁地震损伤演化及网络结构特征共同控制高速铁路桥梁网络交通风险的机制。Farahani等人[28]构建了铁路系统的概率地震多灾种风险分析框架，实现了从地震多灾种效应到铁路组件损坏、系统功能演化及经济损失的集成概率评估路径。

上述研究进一步考虑了区域地震危险性信息，对公路及铁路桥梁网络的地震损害风险进行了评估。但由于研究区域范围较大，不同位置的地面运动特征差异明显。对于区域道路网络交通风险评估，需要考虑区域场地的地面运动特征，包括地面运动的空间分布特征、不同类型的地面运动特征以及地震危险性[29]。尤其是对于铁路桥梁网络，强地震，尤其是近断层脉冲式地震，具有明显的空间不均匀性和方向性。当地强地震导致的线路冗余度不足时，往往会造成数十甚至数百公里长的线路中断。目前，关于地震作用下道路网络交通风险的研究大多采用区域平均值或相对均匀的空间地震危险场模型，未能具体描述活断层附近脉冲式地面运动的空间分布特征。同时，对于区域尺度上每座桥梁的功能损失概率，也采用统一的模型，未能系统考虑脉冲式地面运动的概率特性所导致的桥梁损伤概率差异，这可能导致断层附近线路中断风险的系统性低估。

总之，目前关于地震作用下桥梁网络连通性及交通风险的研究尚处于初步探索阶段，在结构-运行一体化分析方面，对于地震后高速铁路桥梁多级交通功能损害风险的研究仍然有限。在传统的PSHA-MSR框架中，地震危险性通常用传统的区域强度指标或空间平均危险场来表示，而网络状态则常用二元连通性、组件失效或总体容量下降等方式来评估。基于替代模型的方法虽然提高了大规模网络分析的计算效率，但并未从根本上改变近断层地面运动效应的物理表征方式。因此，这些方法不足以描述高速铁路桥梁网络中由近断层脉冲式地面运动引起的局部风险集中现象，对于邻接断层带内铁路线路中断风险的认知仍不够清晰。

为弥补这些不足，本研究考虑了近断层区域地震强度的非均匀空间分布特征，根据与断层的距离动态修正地震强度。提出了一种考虑脉冲地震概率信息的高速铁路桥梁震后多阶段交通功能损失风险评估方法，系统量化了近断层脉冲式地震的概率对桥梁交通功能损失风险的影响。最后，评估了在多个潜在地震源作用下的高速铁路桥梁网络交通风险，并在不同需求场景下进行了连通路径与安全速度的优化分析。为进一步明确本研究的方法学定位，表1将所提出的方法与现有的典型地震网络可靠性框架进行了比较。本研究可为活断层区域高速铁路网络运行的安全预测及震后应急决策提供理论支持，具有重要的理论意义和工程应用价值。

章节片段：考虑脉冲式地面运动空间分布的地震危险性分析方法

地震危险性描述的是在给定时间内，项目所在地可能遭受的地面运动强度和频率的概率特征[30]。由于铁路桥梁网络中每座桥梁的位置分散，所处的地质及地震源环境各不相同，其遭受地震破坏的风险自然也存在差异。因此，通过开展地震风险分析，可以了解该地区各桥梁位置在未来可能面临的地震影响程度。在高铁桥梁震后连通性评估中，对单座桥梁的交通状况进行评估是关键环节。对单座桥梁的交通功能受损情况进行分析，不仅能为整个网络震后的连通性状况提供基础数据，还会直接影响网络的整体连通概率，尤其是在该地区地震特征分布较为复杂的情况下。在第二部分中，结合实际地点的物理信息及道路网络，构建了区域高铁桥梁网络拓扑模型，将复杂的物理模型转化为直观的数学模型，从而便于对铁路桥梁网络的功能受损情况及风险进行分析。一般来说，道路网络G由节点集和边集构成，节点集则是所有表示路径起点和终点的边的交集。

案例研究
该案例研究旨在作为所提出的交通风险评估框架的方法论示范，而非针对具体场地的完整工程应用。因此，研究采用了简化的桥梁网络和具有代表性的桥梁模型，用以说明计算流程、空间上变化的近断层脉冲状地面运动的影响，以及桥梁层面的交通功能受损风险向网络层面的蔓延过程。

案例研究得出的结论
本研究提出了一种考虑近断层脉冲状地面运动的空间分布特征及概率特性的高铁桥梁网络交通风险评估方法。该方法在地震危险性层面以及桥梁交通功能受损层面均纳入了这些特性，并能在多种潜在地震源场景下评估网络层面的交通风险。主要结论如下：
(1) 一种区域地震危险性分析方法

CRediT作者贡献说明
周高阳：写作——审稿与编辑、写作——初稿撰写、验证、监督、方法设计、概念构建。朱志辉：写作——审稿与编辑、验证、监督、方法设计、资金获取、概念构建。郑伟奇：写作——审稿与编辑、验证、监督。