城市公路交通系統(tǒng)抗震可靠度分析

王毅恒，劉文方，趙　超，鄭婉婷

(1.四川理工學(xué)院 建筑工程學(xué)院， 四川 自貢　643000；2.四川衛(wèi)生康復(fù)職業(yè)學(xué)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(xué)院 建筑工程學(xué)院， 四川 自貢643000；2.四川衛(wèi)生康復(fù)職業(yè)學(xué)院， 四川 自貢643000)

摘要：城市公路交通系統(tǒng)在城市基礎(chǔ)設(shè)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)?huì)受到嚴(yán)重影響。因此，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(biāo)，對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。首先，對(duì)被選擇的城市主要道路的震害指數(shù)進(jìn)行計(jì)算；然后，對(duì)城市公路交通系統(tǒng)的通行概率進(jìn)行計(jì)算；最后，將計(jì)算結(jié)果作為整個(gè)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(jié)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(guān)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(yán)重破壞，其破壞后會(huì)嚴(yán)重影響災(zāi)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(qiáng)的抗震能力，需對(duì)城市公路交通系統(tǒng)抗震可靠度進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)部分抗震能力薄弱的道路進(jìn)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(duì)象，對(duì)其進(jìn)行抗震可靠度分析。該系統(tǒng)中公路總里程達(dá)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(dá)的交通網(wǎng)絡(luò)。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(duì)其公路交通系統(tǒng)進(jìn)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(biāo)[2]的計(jì)算，對(duì)公路交通系統(tǒng)的抗震可靠度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1城市公路震害指數(shù)分析

對(duì)城市公路震害指數(shù)[3]進(jìn)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(jìn)行分類，具體見表1。2) 計(jì)算每條公路平均震害指數(shù)，并將其分類數(shù)值進(jìn)行比較，以此評(píng)價(jià)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(shí)采用0.15、0.30作為分界數(shù)，當(dāng)震害指數(shù)小于0.15時(shí)，公路評(píng)價(jià)結(jié)果為基本完好；當(dāng)震害指數(shù)介于0.15和0.3之間時(shí)，公路評(píng)價(jià)結(jié)果為輕微破壞；當(dāng)震害指數(shù)大于0.30時(shí)，公路評(píng)價(jià)結(jié)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(jìn)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(yù)測量化

注：1～5表示對(duì)震害因子的劃分，括號(hào)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(shè)防烈度所對(duì)應(yīng)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(jì)算：

(1)

式(1)計(jì)算結(jié)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(jì)算平均震害指數(shù)時(shí)未考慮地震時(shí)路旁山體發(fā)生滑坡等次生災(zāi)害對(duì)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(jìn)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(dāng)路旁山體發(fā)生小規(guī)?；纶厔輹r(shí)，Δind=0.15；當(dāng)路旁山體發(fā)生中等規(guī)模滑坡趨勢時(shí)，Δind=0.3；當(dāng)路旁山體發(fā)生較大規(guī)?；纶厔輹r(shí)，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(yàn)，并結(jié)合公路路基路面實(shí)際，設(shè)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(shí)際震害離散程度決定，6～10設(shè)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(duì)數(shù)的底。

表2　各級(jí)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(jìn)行城市公路交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)[6]抗震可靠度分析時(shí)，除了分析公路交通系統(tǒng)中每條公路易損性以外，還需對(duì)每條公路的通行概率進(jìn)行分析。本文分析時(shí)，考慮了公路、橋梁、路邊建筑3方面對(duì)公路通行概率的影響,并對(duì)公路通行概率進(jìn)行了如下分類。

1) 包含橋梁在內(nèi)的公路。這類公路相當(dāng)于“路段單元”和“橋梁單元”的串連[7]。分析時(shí)不考慮其震害的相關(guān)性，其通行概率相當(dāng)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(gè)公路通行概率。分析不同地震烈度下公路的破壞狀態(tài)，計(jì)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(duì)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(guān)。按照抗震要求設(shè)計(jì)、施工的建筑，抗震能力較強(qiáng)，震后不易產(chǎn)生中等程度以上的破壞。如果結(jié)構(gòu)整體較差，設(shè)計(jì)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(yuǎn)，對(duì)道路的影響就越大。如果地震烈度不大，則房屋震動(dòng)的振幅不大，即使路邊建筑局部構(gòu)件掉落，也不會(huì)對(duì)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(jì)算

研究表明，公路交通系統(tǒng)中每條公路的車道寬度對(duì)行車速度都有影響。當(dāng)車道寬度大于標(biāo)準(zhǔn)寬度時(shí)，車速會(huì)略有提高；而當(dāng)車道寬度小于標(biāo)準(zhǔn)寬度時(shí)，車速會(huì)顯著降低。同時(shí)，沿街建筑倒塌形成瓦礫堆積對(duì)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(guān)。地震發(fā)生時(shí)，瓦礫堆積會(huì)使道路的有效面積減小，甚至完全堵塞。

計(jì)算公路交通系統(tǒng)通行概率時(shí)，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(yīng)主要考慮每條公路嚴(yán)重破壞面積百分比的1/2和倒塌面積百分比之和；其次，計(jì)算道路兩旁各類建筑中發(fā)生嚴(yán)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(yán)重破壞和倒塌的沿道路立面面積之和；Ψi為公路嚴(yán)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(jì)算瓦礫阻塞密度，并將其與臨界瓦礫阻塞密度進(jìn)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(dāng)Q≤Qc時(shí)，

(5)

當(dāng)Q>Qc時(shí)，

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(yīng)用實(shí)例

3.1城市交通系統(tǒng)可靠度分析結(jié)果

采用式(1)，對(duì)城市主要公路震害指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以對(duì)城市規(guī)劃區(qū)內(nèi)主要公路交通系統(tǒng)進(jìn)行初步抗震可靠度分析，分析結(jié)果見表4。

表4　主要道路的抗震可靠度分析結(jié)果

注：6～9度為地震烈度。下同。

計(jì)算完城市交通系統(tǒng)每條道路震害指數(shù)后，還需計(jì)算該路段道路在整個(gè)城市交通網(wǎng)絡(luò)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(jì)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(jìn)行總結(jié)，見表5。

3.2基于城市GIS的震害分析結(jié)果

本文根據(jù)寧德地區(qū)的實(shí)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(dǎo)入城市地理信息系統(tǒng)中，分析不同設(shè)防烈度下城市道路系統(tǒng)的抗震能力，并找出整個(gè)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(gè)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(jié)論

結(jié)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(gè)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(duì)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(duì)現(xiàn)有交通設(shè)施抗震性能進(jìn)行鑒定，必要時(shí)進(jìn)行加固并制定地震時(shí)交通應(yīng)急方案，以提高其抗震能力。

2) 對(duì)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(jìn)行道路拓寬，以確保震害發(fā)生后道路能正常通行。

3) 對(duì)老城區(qū)老舊民房，根據(jù)舊城區(qū)改造規(guī)劃編制相應(yīng)的方案逐步進(jìn)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(duì)公路旁的加油站等易引發(fā)火災(zāi)等次生災(zāi)害[9]的危險(xiǎn)隱患，需進(jìn)行相關(guān)的抗震性能和安全性能檢查，將次生災(zāi)害發(fā)生的可能性減至最小，以提高城市道路基礎(chǔ)設(shè)施的抗震能力。

參 考 文 獻(xiàn)

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

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[3]劉莉，公茂盛，謝李立.生命線系統(tǒng)在城市防震減災(zāi)能力標(biāo)定中的評(píng)價(jià)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(hào)：1009-6477(2016)01-0118-04

中圖分類號(hào)：U491.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(xiàng)目：四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目(2014QYJ06，2014QZY06)；四川省教育廳資助項(xiàng)目(15SB0122,16ZB0246)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.026