王毅恒，劉文方，趙　超，鄭婉婷

(1.四川理工學院 建筑工程學院， 四川 自貢　643000；2.四川衛(wèi)生康復職業(yè)學院， 四川 自貢　643000)

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城市公路交通系統(tǒng)抗震可靠度分析

王毅恒1，劉文方1，趙超1，鄭婉婷2

(1.四川理工學院 建筑工程學院， 四川 自貢643000；2.四川衛(wèi)生康復職業(yè)學院， 四川 自貢643000)

摘要：城市公路交通系統(tǒng)在城市基礎設施中發(fā)揮著極其重要的作用，其一旦遭到破壞，城市正常交通秩序?qū)艿絿乐赜绊憽Ｒ虼?，城市公路交通系統(tǒng)必須具備良好的抗震可靠度。采用震害指數(shù)和通行概率作為抗震可靠度指標，對其進行評價。首先，對被選擇的城市主要道路的震害指數(shù)進行計算；然后，對城市公路交通系統(tǒng)的通行概率進行計算；最后，將計算結果作為整個城市交通系統(tǒng)抗震可靠度分析的依據(jù)，并將其與城市地理信息系統(tǒng)結合，直觀地從城市地形圖中劃分出城市公路交通系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。

關鍵詞：公路交通系統(tǒng)；通行概率；抗震可靠性；地理信息系統(tǒng)

城市公路交通系統(tǒng)在地震中經(jīng)常受到嚴重破壞，其破壞后會嚴重影響災后救援工作。為了提高城市公路交通系統(tǒng)的抗震可靠度[1]，使城市公路交通系統(tǒng)具有較強的抗震能力，需對城市公路交通系統(tǒng)抗震可靠度進行評價，對部分抗震能力薄弱的道路進行抗震加固，以提高城市公路交通系統(tǒng)的抗震能力。

本文以福建省福州市寧德地區(qū)的公路交通系統(tǒng)作為研究對象，對其進行抗震可靠度分析。該系統(tǒng)中公路總里程達9 375.584 km，已形成以沈海高速公路寧德段、104國道、316國道和6條省道為主骨架，農(nóng)村公路為支線，干支相連、四通八達的交通網(wǎng)絡。由于寧德地區(qū)位于長樂—詔安斷裂帶，地震發(fā)生的可能性較大，因此有必要對其公路交通系統(tǒng)進行抗震可靠度分析。本文主要基于震害指數(shù)和通行概率等指標[2]的計算，對公路交通系統(tǒng)的抗震可靠度進行評價。

1城市公路震害指數(shù)分析

對城市公路震害指數(shù)[3]進行分析，過程如下：1) 將收集到的公路交通系統(tǒng)中每條公路參數(shù)[4]進行分類，具體見表1。2) 計算每條公路平均震害指數(shù)，并將其分類數(shù)值進行比較，以此評價城市公路交通系統(tǒng)中每條公路在地震作用下的破壞狀態(tài)。震害分析時采用0.15、0.30作為分界數(shù)，當震害指數(shù)小于0.15時，公路評價結果為基本完好；當震害指數(shù)介于0.15和0.3之間時，公路評價結果為輕微破壞；當震害指數(shù)大于0.30時，公路評價結果為中等破壞。這樣通過震害指數(shù)就可以判斷城市公路交通系統(tǒng)中每條公路的可靠度，進而就可以初步得出城市公路交通的抗震可靠度。

表1　路基路面震害預測量化

注：1～5表示對震害因子的劃分，括號中數(shù)據(jù)為每條公路不同基本烈度、路基土、場地類別、地基失效程度、路基類型、路基高程、設防烈度所對應的震害因子量化值。

在城市交通系統(tǒng)中，第i路段平均震害指數(shù)按式(1)計算：

(1)

式(1)計算結果代表城市公路交通系統(tǒng)中每條公路本身的平均震害指數(shù)。由于計算平均震害指數(shù)時未考慮地震時路旁山體發(fā)生滑坡等次生災害對公路交通的影響，因此，為了求得各公路的平均震害指數(shù)，需用式(2)進行修正：

ind′=ind+Δind

(2)

式中：ind′為修正以后道路的震害指數(shù)；ind為道路的震害指數(shù)；Δind為修正值。當路旁山體發(fā)生小規(guī)?；纶厔輹r，Δind=0.15；當路旁山體發(fā)生中等規(guī)?；纶厔輹r，Δind=0.3；當路旁山體發(fā)生較大規(guī)模滑坡趨勢時，Δind=0.5。

公路路基路面的震害程度同樣可以用震害指數(shù)為變量的模糊集來表示。根據(jù)以往震害經(jīng)驗，并結合公路路基路面實際，設震害度為1條正態(tài)分布曲線[5]，即

(3)

式中：σi值為方差，由不同烈度下的實際震害離散程度決定，6～10設防烈度下σi的建議值見表2；μB i(ind)為正態(tài)分布值；e是自然對數(shù)的底。

表2　各級烈度下離散系數(shù)推薦值

2城市公路交通系統(tǒng)可靠度分析

2.1公路路段單元通行概率分析

進行城市公路交通系統(tǒng)網(wǎng)絡[6]抗震可靠度分析時，除了分析公路交通系統(tǒng)中每條公路易損性以外，還需對每條公路的通行概率進行分析。本文分析時，考慮了公路、橋梁、路邊建筑3方面對公路通行概率的影響,并對公路通行概率進行了如下分類。

1) 包含橋梁在內(nèi)的公路。這類公路相當于“路段單元”和“橋梁單元”的串連[7]。分析時不考慮其震害的相關性，其通行概率相當于“路段單元”和“橋梁單元”的通行概率之積。其中“橋梁單元”的通行概率規(guī)定見表3。

表3　橋梁單元的通行概率

2) 不包含橋梁在內(nèi)的公路。這類公路的“路段單元”通行概率即是整個公路通行概率。分析不同地震烈度下公路的破壞狀態(tài)，計算不含橋梁路段的通行概率。這部分主要包括道路本身的通行概率和瓦礫阻塞造成的概率值，以及人群干擾下公路交通系統(tǒng)的通行概率。

3) 路邊建筑。路邊建筑對公路通行概率的影響與道路寬度、沿路距離、建筑抗震能力等因素有關。按照抗震要求設計、施工的建筑，抗震能力較強，震后不易產(chǎn)生中等程度以上的破壞。如果結構整體較差，設計不合理、施工質(zhì)量差以及老舊、危房，則抗震能力弱。房屋越高，地震烈度就越大，建筑瓦礫散落的距離就越遠，對道路的影響就越大。如果地震烈度不大，則房屋震動的振幅不大，即使路邊建筑局部構件掉落，也不會對道路產(chǎn)生很大影響。

2.2城市公路交通系統(tǒng)通行概率計算

研究表明，公路交通系統(tǒng)中每條公路的車道寬度對行車速度都有影響。當車道寬度大于標準寬度時，車速會略有提高；而當車道寬度小于標準寬度時，車速會顯著降低。同時，沿街建筑倒塌形成瓦礫堆積對道路通行能力也有較大影響。道路通行能力主要與該路段瓦礫堆積的總土方量，道路長度、寬度及建筑路邊距離等因素有關。地震發(fā)生時，瓦礫堆積會使道路的有效面積減小，甚至完全堵塞。

計算公路交通系統(tǒng)通行概率時，首先需確定不同地震烈度下城市公路交通系統(tǒng)周邊各類建筑的瓦礫堆積，應主要考慮每條公路嚴重破壞面積百分比的1/2和倒塌面積百分比之和；其次，計算道路兩旁各類建筑中發(fā)生嚴重破壞和倒塌的沿道路立面面積之和，再乘以系數(shù)2/3；最后，得到瓦礫堆的總土方量：

(4)

式中：Ω 為瓦礫堆總土方量；Ai為嚴重破壞和倒塌的沿道路立面面積之和；Ψi為公路嚴重破壞面積百分比的1/2和倒塌面積百分比之和。

利用式(4)中的總土方量計算瓦礫阻塞密度，并將其與臨界瓦礫阻塞密度進行比較，以確定公路交通系統(tǒng)中每條公路的通行概率。每條公路的通行概率按下式判斷。

當Q≤Qc時，

(5)

當Q>Qc時，

Pw=0

(6)

式中：Pw為公路的通行概率；Q為瓦礫阻塞量密度；Qc為臨界瓦礫阻塞量密度。

3應用實例

3.1城市交通系統(tǒng)可靠度分析結果

采用式(1)，對城市主要公路震害指數(shù)進行計算，以對城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)主要公路交通系統(tǒng)進行初步抗震可靠度分析，分析結果見表4。

表4　主要道路的抗震可靠度分析結果

注：6～9度為地震烈度。下同。

計算完城市交通系統(tǒng)每條道路震害指數(shù)后，還需計算該路段道路在整個城市交通網(wǎng)絡中的通行概率，并得出城市公路交通系統(tǒng)的抗震可靠度。計算方法采用式(5)、(6)。將城市交通系統(tǒng)中主要道路的路段通行概率值進行總結，見表5。

3.2基于城市GIS的震害分析結果

本文根據(jù)寧德地區(qū)的實地調(diào)研情況，將城市交通系統(tǒng)中每條公路的震害指數(shù)和通行概率導入城市地理信息系統(tǒng)中，分析不同設防烈度下城市道路系統(tǒng)的抗震能力，并找出整個城市道路系統(tǒng)的抗震薄弱路段。其中抗震能力薄弱路段為老城區(qū)個別路段。由此可知，寧德地區(qū)交通系統(tǒng)整體抗震可靠度較高。

表5　路段通行概率值

4城市交通系統(tǒng)震害分析結論

結合寧德地區(qū)GIS系統(tǒng)[8]，從城市地形圖中可以找出城市交通系統(tǒng)的抗震薄弱環(huán)節(jié)主要分布位置：在6度地震作用下，整個城市交通系統(tǒng)暢通；7、8、9度地震作用下，通行概率低的主要路段為鶴峰北路、塔山路；以及署前路、鶴峰北路南北段液化地區(qū)的道路。對上述抗震能力較弱路段，需采取如下措施來提高其抗震能力。

1) 對現(xiàn)有交通設施抗震性能進行鑒定，必要時進行加固并制定地震時交通應急方案，以提高其抗震能力。

2) 對于規(guī)劃區(qū)中比較重要的道路，如車流量、人口流量較多的署前路等路段，進行道路拓寬，以確保震害發(fā)生后道路能正常通行。

3) 對老城區(qū)老舊民房，根據(jù)舊城區(qū)改造規(guī)劃編制相應的方案逐步進行改造，將路邊建筑在震后造成的瓦礫堆積減至最小，以提高道路的通行概率，保證道路暢通。

4) 對公路旁的加油站等易引發(fā)火災等次生災害[9]的危險隱患，需進行相關的抗震性能和安全性能檢查，將次生災害發(fā)生的可能性減至最小，以提高城市道路基礎設施的抗震能力。

參 考 文 獻

[1]柳春光，張敬偉.交通系統(tǒng)地震服務性能分析[J].地震工程與工程震動，2006，26(4)：183-184．

[2]馬東輝.城市抗震防災規(guī)劃標準實施指南[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[3]劉莉，公茂盛，謝李立.生命線系統(tǒng)在城市防震減災能力標定中的評價方法研究[J].世界地震工程，2014，30(4)：78-79．

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Analysis for Seismic Reliability of Urban Highway Traffic System

WANG Yiheng1, LIU Wenfang1, ZHAO Chao1, ZHENG Wanting2

Abstract:Urban highway traffic system plays a very important role in urban infrastructure, once it is destroyed, normal traffic order of city will be seriously affected. Therefore, urban highway traffic system must have perfect seismic reliability. This paper adopts earthquake damage index and passing probability as seismic reliability indices to evaluate it. First, the paper calculates the earthquake damage index of the selected main urban roads; second, the paper calculates the passing probability of urban highway traffic system; and finally the paper takes the calculated results as the basis of analysis for seismic reliability of the whole urban traffic system, and combines them with urban geographic information system to mark out the weak links in urban highway traffic system from urban topographical map visually.

Keywords:highway traffic system; passing probability; seismic reliability; geographic information system

文章編號：1009-6477(2016)01-0118-04

中圖分類號：U491.2

文獻標識碼：A

作者簡介：王毅恒(1986-)，男，湖北省荊州市人，碩士，助教。

收稿日期：2015-05-18

基金項目：四川省高校重點實驗室開放基金項目(2014QYJ06，2014QZY06)；四川省教育廳資助項目(15SB0122,16ZB0246)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.026