中山市交通系统地震易损性分析

杜 鹏，聂树明，吴英琴，李 晋

（广东省地震局，广东 广州 510070）

中山市交通系统地震易损性分析

杜 鹏，聂树明，吴英琴，李 晋

（广东省地震局，广东 广州 510070）

交通系统地震易损性分析主要是针对系统中的道路、桥梁及路边建筑破坏的影响。分别采用经验统计法、单体桥梁分析方法、瓦砾堆积物计算方法得到了各自对应的道路路段通行概率，而这三个因素共同构成了道路路段的最终通行概率，通过Monte-Carlo算法即可得出交通系统连通可靠性。根据分析结果寻找薄弱环节，为制定相应的防震减灾对策提供依据。

桥梁；道路；瓦砾堆积；经验统计；连通性

引言

交通系统作为生命线系统之一，地震后其畅通与否直接影响到避震疏散和应急救援。交通系统主要由道路、桥梁、路边建筑、各场站组成，震后交通系统能否发挥正常功能，取决于各组成部分的破坏程度。道路破坏一般较轻，在路面变形、破裂的情况下依然可能实现通行，但当出现严重裂缝、沉陷、喷砂冒水、路面塌陷等震害现象会无法通行，桥梁则应视其承重构件的损坏情况，同时路边建筑物的坍塌、瓦砾散落同样会阻塞交通。

交通系统地震易损性分析，就是分别对道路、桥梁和建筑物进行震害预测，再综合考虑其影响，最终给出每条路段通行概率，进而得出整个城市路网的连通可靠性。

中山市交通发达、桥梁众多 （图1、图2）。市区道路呈网状布局，其中以石岐区道路分布最为密集。总体上，市区主次干道较为明确，功能基本合理。105国道、北环路、南环路和京珠高速共同构成了畅通的外环，横向博爱路、中山路、孙文路、莲员路和康华路，纵向起湾道、兴中道、岐关西路、悦来路和湖滨路共同组成了纵横交错、路况较好的主干路网。而石岐区中山路以北，莲员路以南区域内房屋密度大，道路分布错综复杂，路面宽度相对狭窄，容易造成拥堵现象。

图1 中山市主要道路图Fig.1 The main road map of Zhongshan city

图2 中山市桥梁分布图Fig.2 The bridge distribution map of Zhongshan city

1 分析方法

1.1 单体易损性分析

1.1.1 道路易损性分析

城市交通网络中，道路呈分段分布，是数字化地图中的 “线”，所以易损性分析是以路段为单位的。

第i路段平均震害指数[1]为：

式中Xij为第i路段第j个震害因子的量化值。计算值根据实际情况应做必要的修正。震害预测中采用0.15、0.30作为分界数，即当震害指数小于0.15时，为基本完好；当震害指数介于0.15和0.3之间时，为轻微破坏；当震害指数大于0.30时，为中等破坏。

1.1.2 桥梁易损性分析

（1）群体桥梁易损性分析

桥梁是数字化地图中的 “点”，其震害指数值[2]为：

其中，Ai为桥梁震害指数值，W0为修正权值系数值，通常选取0.85。该方法选择9个 （j=1，…，9）震害因素作为影响桥梁震害的主要因素。其中Wjk为各震害因素加权系数值。Xijk，当第i座桥对于第j个因素不属于第k类时取0；当第i座桥对于第j个因素属于第k类时取1。其预测基本完好、轻微破坏、中等破坏、严重破坏及毁坏的取值分别为：A≤1.23、1.23＜A＜2.20、2.20＜A＜3.38、3.38＜A＜4.40、A≥4.40。

（2）单体桥梁易损性分析

对于桥长大于100 m的桥梁，跨径也通常在40 m以上的大型桥梁，常位于交通要道，结构形式复杂多变，应采用单体震害预测方法进行分析。常见的易损性分析方法有Pushover法[3]、计算屈服强度系数法[4]、非线性动力时程分析法[5]。可通过建立有限元模型或者公式计算实现。

1.1.3 瓦砾堆积计算

瓦砾堆的总土方量：

然后与临界瓦砾阻塞密度进行比较，来确定路段的通行概率：

其中，Q为瓦砾阻塞量密度，Qc为临界瓦砾阻塞量密度，取0.25，其值分别定义如下：其中l、lc为路段的长度和标准计算长度，b、bc为路段的有效宽度和标准有效宽度，bc值计算同b。

1.2 道路通行概率

城市内的路段有以下两种情况[6]：

1.2.1 包含桥梁在内的路段

这种路段，相当于 “路段单元”和 “桥梁单元”的串联。在预测中暂不考虑它们震害的相关性。这样，其通行概率就相当于 “路段单元”和 “桥梁单元”的通行概率之积。

“桥梁单元”的通行概率规定如下：

表1 桥梁单元的通行概率Table1 The access probability of bridge unit

1.2.2 不包含桥梁的路段

这种路段的 “路段单元”通行概率即整个路段通行概率。

在分别计算出不同地震烈度下的破坏状态后，可得出通行概率值，与考虑瓦砾堆积后的通行概率相乘即可得该路段的通行概率值。

1.3 交通系统连通可靠性

本文采用Monte-Carlo算法计算出各节点与源点连通的概率 后，可得五种状态：可靠（P≥0.9），轻微不可靠 （0.9＞P≥0.7），中等不可靠 （0.7＞P≥0.5），严重不可靠 （0.5＞P≥0.3）， 中断 （P＜0.3）。

2 分析结果

2.1 道路易损性分析结果

共完成了中山市区584条路段的震害预测工作。以下为部分主干道的部分路段结果。

表2 道路震害预测结果Table2 Earthquake damage prediction for roads

2.2 群体桥梁易损性分析结果

共完成了中山市区52座桥梁的群体震害预测工作。以下为部分桥梁震害预测结果。

表3 群体桥梁震害预测结果Table3 Earthquake damage prediction for bridge groups

2.3 单体桥梁易损性分析结果

东明大桥采取Push－over法进行易损性分析。建模时墩与梁之间为刚性连接，墩底处均设置PMM塑性铰。其主桥模型、桥墩计算简图分别如图3，Push－over分析结果如图4。

图3 东明大桥主桥模型Fig.3 The main bridge model of Dongming bridge

图4 Push-over结果曲线Fig.4 Push-over curve

表4 单体桥梁震害预测结果Table 4 Earthquake damage prediction for a singe bridge

2.4 交通系统连通可靠性预测结果

共完成了中山市358个节点连通性分析工作。该计算是以各场站为源点进行分析的。以下为部分节点的计算结果。

表5 交通系统连通性结果Table5 The connectivity of transportation system

3 结论

中山市区多数道路为平整的沥青混凝土路面或水泥混凝土路面，环城路路面等级高且养护较好，绿化带将道路划分得错落有致，多数主干道路基路面稳定，使用正常。结合道路路段震害预测结果可以得出：

（1）在烈度为Ⅶ度时，市区绝大多数道路保持完好，只有沿岐江、河涌分布的一些道路 （多为沿河路基的原因），以及场地条件不是很好的地段，发生轻微破坏的可能性大一些，但车辆运行基本正常，路面也基本稳定。桥梁破坏程度较轻，仅易发生地震地质灾害的地方有发生中等破坏的可能。当烈度升为Ⅷ度、Ⅸ度时，沿河路段的破坏进一步加重，多数小桥也发生轻微破坏，其它主干道基本处于完好状态。石岐区部分狭窄街道由于房屋严重破坏和毁坏，致使瓦砾堆积路面可能阻塞交通。

（2）在地震烈度为Ⅹ度时，有近10%的道路路面发生严重破坏，桥梁有23%左右倒塌，60%左右需大规模维修加固方可通行，致使其所在路段交通终止，综合路边建筑影响，大约导致26.3%的交通节点严重不可靠，连通性大幅降低。

总的来说，道路、桥梁的地震破坏多发路段多分布于岐江、河涌两侧，以及地质条件较差的地方，如易发生砂土液化的区域和Ⅲ类场地分布区域。中山市交通系统具备较好的抗震连通可靠性。

［1］陈一平,陈欣.公路交通系统震害预测计算机辅助系统DPLH简介 ［J］.建筑科学，1994，6(4):71-75.

［2］朱美珍.公路桥梁震害预测的实用方法 ［J］.同济大学学报,1994,22(3):280-282.

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［5］秦泗凤.桥梁抗震性能评价的静力非线性分析方法研究 ［D］.大连：大连理工大学,2008.

［6］李杰，生命线工程抗震 ［M］.北京：科学出版社,2005:181-185.

［8］JTJ004一89,公路工程抗震设计规范 ［S］.北京：人民交通出版社，1989.

［9］GB/T19428－2003,地震灾害预测及其信息管理系统技术规范 ［S］.北京：中国标准出版社，2004.

Abstract：The paper analyzed seismic vulnerability of roads and bridges considering the effect of roadside buildings.The paper jointly used the statistical empiric formula method，single bridge analysis method and debris piling method to get the corresponding road sections'access probability respectively.The three factors formed the final access probability of road sections.By the Monte-Carlo algorithm,the paper obtained the connectivity and reliability of transportation system.Based on the results,the analysis of weak links can provide the reference for drawing up the corresponding earthquake disaster mitigation measures.

Keywords：Bridge;road;Debris piling;Statistical empiric;Connectivity

Q=Ω ，Qc= Ωc，
l×blc×ba

Seismic Vulnerability Analysis of Transportation System of Zhongshan City

DU Peng,NIE Shuming,WU Yingqin,LI Jin
（Earthquake Administration of Guangdong Province,Guangzhou 510070,China）

P315.9

A

1001-8662（2010）04-0048-07

2010-05-25

杜鹏，女，1979年生，工程师.主要从事震灾预测研究. E-mail:dupeng4589@126.com