震害道路通行能力評(píng)估模型

段滿珍，軋紅穎，李珊珊，曹會(huì)云

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

震害道路通行能力評(píng)估模型

段滿珍1，2，軋紅穎1，李珊珊1，曹會(huì)云1

(1.華北理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

提出一種評(píng)估震后救援道路通行能力的修正系數(shù)模型。采用震害條件下道路自損折減系數(shù)、橋梁震害影響系數(shù)和沿街建筑物損害影響系數(shù)對(duì)道路通行能力模型進(jìn)行修正。為保證模型的實(shí)用性，完善了高烈度震害量化值，高墩臺(tái)、大跨度橋梁震害影響系數(shù)，并給出不同地震烈度下各類建筑物損害的統(tǒng)計(jì)概率作為評(píng)估過程的參考值。汶川震害數(shù)據(jù)模型驗(yàn)證結(jié)果表明：修正系數(shù)模型對(duì)震后道路、橋梁的破壞程度能夠進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，表明該評(píng)估模型能夠用于震后救援道路通行能力的評(píng)估。

道路工程；通行能力；評(píng)估模型；統(tǒng)計(jì)分析；地震災(zāi)害

中國是世界上地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，每年因地震給國家?guī)淼慕?jīng)濟(jì)損失重大。例如2014年2月于田7.3級(jí)地震造成的直接經(jīng)濟(jì)損失為108 061.2×104元[1]；2008年汶川地震造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8 451×108元[2]。因此，災(zāi)后快速救援、將震害損失降到最低是震害救援工作的重要環(huán)節(jié)。地震發(fā)生后因建筑物倒塌，通訊設(shè)施破壞，造成震后各種信息的不確定性，給震后救援工作帶來較大難度。因此，快速有效評(píng)估震后道路通行能力對(duì)順利開展震后救援工作具有重要意義。

國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)與地震災(zāi)害發(fā)生后的道路通行能力進(jìn)行過相關(guān)研究。姜淑珍等[3]和柳春光等[4]分別對(duì)城市道路系統(tǒng)易損性做了分析；王東升等[5]分別對(duì)公路橋梁震害預(yù)測問題進(jìn)行了較為細(xì)致的研究。但從近些年發(fā)生的地震災(zāi)害特點(diǎn)來看，先前的研究在實(shí)際應(yīng)用中尚有許多不足：① 缺乏高烈度震害條件下道路、橋梁等震害影響系數(shù)的參考值，不能適應(yīng)類似汶川地震等高烈度震害救援評(píng)估工作的需要；② 缺乏綜合考慮建筑物、道路、橋梁等各因素的評(píng)估模型[6]，尤其是高墩臺(tái)、大跨度橋梁系數(shù)過于寬泛，不具有實(shí)用性。

基于以上不足，筆者利用歷史震害數(shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)與概率分析方法研究地震災(zāi)害條件下城市道路通行能力的快速評(píng)估模型。

1 救援道路通行能力快速評(píng)估模型

救援道路通行能力反映救災(zāi)交通系統(tǒng)的服務(wù)能力。影響救援道路通行能力的因素很多：如災(zāi)后道路寬度、掩埋車道數(shù)、救災(zāi)車種及構(gòu)成比例、自行疏散車輛及行人干擾、道路橋梁等破壞情況。這些因素本身具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，當(dāng)?shù)卣鸺按紊鸀?zāi)害發(fā)生時(shí)，其隨機(jī)性更為強(qiáng)烈，造成震害救援道路通行能力評(píng)估的復(fù)雜性。歷史震害經(jīng)驗(yàn)表明，影響災(zāi)后救援道路通行能力的因素主要包括沿街建筑物破壞倒塌情況、道路自身破壞程度和有橋路段橋梁破壞程度。結(jié)合我國城市實(shí)際，處于地震帶的大部分城市都包含有不同比例的有橋路段。因此，研究中應(yīng)綜合考慮道路、橋梁、沿街建筑物倒塌破壞對(duì)震后救援工作的影響。由于震后很難獲得有關(guān)道路實(shí)況的數(shù)據(jù)，筆者采用道路理論通行能力修正系數(shù)的方法建立救援道路通行能力快速評(píng)估模型，如式(1)。

式中：Ce為震后道路單向可能的通行能力；C為道路基本通行能力，即理想條件下單向一條車道所能通行的最大交通量，pcu/h；i為路段單向可能的車行道數(shù)量；Pir為震后道路破壞對(duì)第i條車行道通行能力的折減系數(shù)(簡稱第i條車行道自損折減系數(shù))；Piq為橋梁損害對(duì)震后有橋路段第i條車行道通行能力的影響系數(shù)(無橋路段取1)；Pib為震后因建筑物倒塌、瓦礫堆積對(duì)第i條車行道通行能力的影響系數(shù)。

2 救援道路自損對(duì)通行能力的影響

災(zāi)后道路交通系統(tǒng)的破壞主要是路基、路面的損壞。路基路面的自損破壞程度可以用平均震害指數(shù)[7]表示，平均震害指數(shù)可由道路各震害因子的量化值計(jì)算，如式(2)：

(2)

式中：ki為第i條道路平均震害指數(shù)；Xij為第i條道路第j個(gè)震害因子所對(duì)應(yīng)的量化值。

若遇滑坡時(shí)，對(duì)每段道路應(yīng)考慮滑坡影響。發(fā)生輕微滑坡趨勢時(shí)，ki需加上0.1；發(fā)生中等滑坡趨勢時(shí)，ki需加上0.3；當(dāng)有發(fā)生嚴(yán)重滑坡趨勢時(shí)，ki需加上0.5。這時(shí)修正后的ki>1.0，則取ki=1.0。

救援道路路基路面震害因子分類[8]及對(duì)應(yīng)的量化值見表1。

表1 道路路基路面震害量化值

注:1)括號(hào)內(nèi)數(shù)值為相應(yīng)的量化值；2)斜體部分為新增量化值。文中以下各表格相同。

震后道路完好程度與平均震害指數(shù)存在指數(shù)關(guān)系[9]，假設(shè)道路完好程度系數(shù)如式(3)：

(3)

式中：Proad為道路完好程度系數(shù)；k0為該路網(wǎng)范圍路段最小震害指數(shù)(通常k0=0.1)；σ為震害離散系數(shù)，σ推薦值[9]如表2。

表2 各烈度下震害離散系數(shù)σ推薦值Table 2 Recommended values of discrete coefficient of seismic disaster σ in various intensities

用式(3)可求得各地震烈度時(shí)的道路完好程度。根據(jù)道路完好程度的定義，災(zāi)后道路可通行程度用道路通行能力自損折減系數(shù)Pr進(jìn)行估計(jì)(表3)。當(dāng)i=1或者各車行道損壞差異不大時(shí)，Pir=Pr；損壞差異大時(shí)，則二者不同，需要單獨(dú)說明整體道路損壞對(duì)每一條車行道的影響。

假定道路嚴(yán)重破壞則完全喪失了通行能力；中等程度以下破壞時(shí)通行能力折減。針對(duì)上述系數(shù)模型的有效性，采集汶川地震的真實(shí)數(shù)據(jù)[10-11]進(jìn)行驗(yàn)證(表4)。

表3 道路完好程度與通行能力折減系數(shù)

表4 道路震害因子及量化值

將表4數(shù)據(jù)帶入模型，計(jì)算結(jié)果如表5。其計(jì)算結(jié)果與震后道路實(shí)際震害情況相符，證明道路自損折減系數(shù)Pr有效。

表5 道路震害預(yù)測結(jié)果

3 災(zāi)后橋梁通行概率分析模型

橋梁在道路交通系統(tǒng)中處于咽喉的位置，且一旦遭到破壞修復(fù)困難。橋梁震害除與地震烈度有較大關(guān)系外，還與橋梁設(shè)計(jì)、施工、橋址場地條件等許多因素的綜合作用有關(guān)[12-13]。因此，橋梁震害對(duì)道路通行能力的影響首先應(yīng)研究橋梁的震害度。結(jié)合吳文英等[13]的研究成果，給出強(qiáng)烈度地震時(shí)橋梁震害主要影響因素的加權(quán)系數(shù)(表6)。

橋梁震害度預(yù)測如式(4)：

(4)

式中：c0為調(diào)整系數(shù)；cjk為j項(xiàng)中k類因素的統(tǒng)計(jì)加權(quán)系數(shù)。

表6 震害影響系數(shù)

(續(xù)表 6)

j項(xiàng)目k類別統(tǒng)計(jì)加權(quán)系數(shù)Cjk3地基失效程度(液化、邊域失穩(wěn))1無1.002輕度1.503重度1.804上部結(jié)構(gòu)1剛架、單拱1.002連續(xù)梁、板梁、連孔拱1.103簡支梁、懸臂梁1.405支座形式1有防落梁措施2消能支座(橡膠支座)1.003一般支座1.106墩臺(tái)高度h/m1h<51.002h=5～101.103h=10～301.204h=30～501.305h>501.407墩臺(tái)材料1鋼筋混凝土1.002磚、石、混凝土1.108基礎(chǔ)形式1擴(kuò)大基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)、多排樁基礎(chǔ)1.002排架樁、高樁承臺(tái)等1.209橋梁長度l/m1l跨度≤3,l跨長≤101.002l跨度>3,l跨長>101.20C00.98

給定橋梁各級(jí)震害相應(yīng)的震害度和震害指數(shù)參考值如表7。根據(jù)表7對(duì)表6數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

表7 震害程度及震害指數(shù)

結(jié)合橋梁震害程度和震害指數(shù)，研究橋梁震害對(duì)道路通行能力的影響系數(shù)。當(dāng)橋梁完好或基本完好狀態(tài)時(shí)，對(duì)道路通行能力幾乎沒有影響；當(dāng)橋梁輕微損壞時(shí)(由于震時(shí)特殊環(huán)境)，小型車輛在有效疏導(dǎo)下可以謹(jǐn)慎通過(但是有橋梁路段的通行能力需要折減)；當(dāng)橋梁中等程度破壞時(shí)，出于安全考慮，車輛幾乎不能通過，行人和自行車可以有序通行；當(dāng)橋梁倒塌或者破壞嚴(yán)重時(shí)，橋梁不能通行。綜合以上幾種情形，給定橋梁災(zāi)后道路通行能力影響系數(shù)推薦值見表8。

表8 橋梁震害程度對(duì)道路通行能力的影響系數(shù)Table 8 Impact coefficient of bridge seismic damage degree on road traffic capacity

注：當(dāng)路段無橋梁時(shí)，影響系數(shù)取值為1。

為驗(yàn)證橋梁災(zāi)后通行能力影響系數(shù)模型，采集汶川地震橋梁震害數(shù)據(jù)，如表9[14-16]。

表9 橋梁震害信息

表10為災(zāi)后橋梁震害數(shù)據(jù)對(duì)震害度模型的驗(yàn)證。結(jié)果表明：除回瀾立交橋的預(yù)測值有誤差外，其它各橋的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際情況完全吻合?；貫懥⒔粯?yàn)槌鞘辛⒔?，震后主橋損傷相對(duì)較少，但是匝道橋橋墩嚴(yán)重破壞，造成整橋通行能力受損，根據(jù)橋梁震害標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一認(rèn)定為嚴(yán)重破壞[17]。

表10 橋梁震害預(yù)測結(jié)果

表10中根據(jù)模型預(yù)測的震害度為2.561，與主橋的震害情況比較吻合，但是用于匝道橋的評(píng)估出現(xiàn)誤差。由此可見，城市曲線橋因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難用統(tǒng)一的模型進(jìn)行評(píng)估；但城市梁式橋主橋與公路橋類似，可適用于此模型。最終驗(yàn)證結(jié)果表明：此模型應(yīng)用于直線橋具有較好的預(yù)測結(jié)果。

4 沿街倒塌建筑對(duì)救援道路通行能力的影響

建筑物一般只在嚴(yán)重破壞或倒塌時(shí)才會(huì)產(chǎn)生堆積。因此，需要求出其倒塌面積占其總面積的百分比[18]，即k類建筑物倒塌瓦礫量占其總建筑面積的百分比ψk，如式(5)。

ψk=0.5Yk%+Dk%

(5)

式中：Yk%為k類建筑物嚴(yán)重破壞建筑面積占其總建筑面積的百分比；Dk%為k類建筑物倒塌建筑面積占其總建筑面積的百分比。

震后路段單元總倒塌瓦礫阻塞量如式(6)[18]。

(6)

式中：Bk為k類建筑物倒塌瓦礫阻塞量，m2。

瓦礫阻塞密度與臨界瓦礫阻塞密度分別如式(7)和式(8)：

瓦礫阻塞密度：

(7)

臨界瓦礫阻塞密度：

(8)

式中：l，lc分別為路段的長度和標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算長度；b，bc分別為路段的有效寬度和標(biāo)準(zhǔn)有效寬度。

沿街建筑物倒塌對(duì)路段通行能力的影響系數(shù)則可以用式(9)表示：

(9)

由式(5)～式(9)可知：若給出嚴(yán)重破壞百分比Yk%和倒塌百分比Dk%，則可推算出建筑物倒塌影響系數(shù)Pb。

根據(jù)汶川地震相關(guān)資料[11,19-20]，統(tǒng)計(jì)出能夠?qū)Φ缆吠ㄐ心芰υ斐捎绊懙母吡叶日鸷ο碌慕ㄖ飺p毀情況(嚴(yán)重破壞、倒塌)概率值作為評(píng)估參考，如表11、表12。

表11 建筑物嚴(yán)重破壞比例

表12 建筑物倒塌比例

5 結(jié) 語

基于前人在高烈度震害對(duì)道路、橋梁的破壞程度及災(zāi)后救援道路通行能力綜合預(yù)測方面研究的不足，筆者從道路完好程度系數(shù)、道路自損通行能力折減系數(shù)、橋梁震害度與震害指數(shù)等方面構(gòu)建了震后救援道路通行能力修正系數(shù)模型，完善了高烈度、高墩臺(tái)、大跨度橋梁震害影響系數(shù)，給出了不同地震烈度下各類建筑物損害概率。

由于地震災(zāi)害的特殊性，很難收集到同一區(qū)域的建筑物、道路、橋梁破壞的全面歷史震害數(shù)據(jù)。因此，筆者采用對(duì)模型影響系數(shù)分段驗(yàn)證的方式，利用汶川地震歷史數(shù)據(jù)對(duì)各個(gè)系數(shù)模型分別驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：系數(shù)模型對(duì)路網(wǎng)中道路、直線橋震害預(yù)測的一致性較好，表明該模型能夠用于震后救援道路通行能力的快速評(píng)估。但是由于曲線橋或匝道立交橋受力結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，橋梁系數(shù)模型的適用性較差，還需在后續(xù)研究中進(jìn)一步深入。

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(責(zé)任編輯：劉 韜)

Assessment Model for Traffic Capacity after Seismic Disaster

DUAN Manzhen1, 2, YA Hongying1, LI Shanshan1, CAO Huiyun1

(1.School of Civil and Architecture Engineering, North China University of Technology, Tangshan 063210, Hebei, P.R.China;2.Hebei Province Earthquake Engineering Research Center, Tangshan 063210, Hebei, P.R.China)

A modified coefficient model was proposed to evaluate the traffic capacity of the rescue road after earthquake. The coefficients include the reduction coefficient of the damaged road, the impact coefficient of the damaged bridge and the damaged buildings along the street in seismic disaster were used to modify the traffic capacity model. In order to guarantee the practicability of the model, the high intensity seismic quantitative value, the influence coefficients of high pier and long-span bridge in seismic disaster were improved, and the statistical probability of buildings damage under different earthquake intensity was given as the reference value of the evaluation process. Some real data in Wenchuan earthquake were used to illustrate the applicability and reliability of the proposed model. The results show that the modified coefficient model can accurately predict the damage degree of the roads and bridges after seismic disaster, which shows that the proposed model can be used to evaluate the traffic capacity of the rescue road after earthquake.Key words: road engineering; traffic capacity; assessment model; statistical analysis; seismic disaster

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.05.14

2015-12-23；

2016-04-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378171)

段滿珍(1974—)，女，河北灤縣人，副教授，博士，主要從事應(yīng)急交通方面的研究。E-mail：1033838477@qq.com。

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1674- 0696(2017)05- 079- 07