城市公路交通系统抗震可靠度分析

王毅恒，刘文方，赵　超，郑婉婷

(1.四川理工学院 建筑工程学院， 四川 自贡　643000；2.四川卫生康复职业学院， 四川 自贡　643000)



城市公路交通系统抗震可靠度分析

王毅恒1，刘文方1，赵超1，郑婉婷2

(1.四川理工学院 建筑工程学院， 四川 自贡643000；2.四川卫生康复职业学院， 四川 自贡643000)

摘要：城市公路交通系统在城市基础设施中发挥着极其重要的作用，其一旦遭到破坏，城市正常交通秩序将会受到严重影响。因此，城市公路交通系统必须具备良好的抗震可靠度。采用震害指数和通行概率作为抗震可靠度指标，对其进行评价。首先，对被选择的城市主要道路的震害指数进行计算；然后，对城市公路交通系统的通行概率进行计算；最后，将计算结果作为整个城市交通系统抗震可靠度分析的依据，并将其与城市地理信息系统结合，直观地从城市地形图中划分出城市公路交通系统的薄弱环节。

关键词：公路交通系统；通行概率；抗震可靠性；地理信息系统

城市公路交通系统在地震中经常受到严重破坏，其破坏后会严重影响灾后救援工作。为了提高城市公路交通系统的抗震可靠度[1]，使城市公路交通系统具有较强的抗震能力，需对城市公路交通系统抗震可靠度进行评价，对部分抗震能力薄弱的道路进行抗震加固，以提高城市公路交通系统的抗震能力。

本文以福建省福州市宁德地区的公路交通系统作为研究对象，对其进行抗震可靠度分析。该系统中公路总里程达9 375.584 km，已形成以沈海高速公路宁德段、104国道、316国道和6条省道为主骨架，农村公路为支线，干支相连、四通八达的交通网络。由于宁德地区位于长乐—诏安断裂带，地震发生的可能性较大，因此有必要对其公路交通系统进行抗震可靠度分析。本文主要基于震害指数和通行概率等指标[2]的计算，对公路交通系统的抗震可靠度进行评价。

1城市公路震害指数分析

对城市公路震害指数[3]进行分析，过程如下：1) 将收集到的公路交通系统中每条公路参数[4]进行分类，具体见表1。2) 计算每条公路平均震害指数，并将其分类数值进行比较，以此评价城市公路交通系统中每条公路在地震作用下的破坏状态。震害分析时采用0.15、0.30作为分界数，当震害指数小于0.15时，公路评价结果为基本完好；当震害指数介于0.15和0.3之间时，公路评价结果为轻微破坏；当震害指数大于0.30时，公路评价结果为中等破坏。这样通过震害指数就可以判断城市公路交通系统中每条公路的可靠度，进而就可以初步得出城市公路交通的抗震可靠度。

表1　路基路面震害预测量化

注：1～5表示对震害因子的划分，括号中数据为每条公路不同基本烈度、路基土、场地类别、地基失效程度、路基类型、路基高程、设防烈度所对应的震害因子量化值。

在城市交通系统中，第i路段平均震害指数按式(1)计算：

(1)

式(1)计算结果代表城市公路交通系统中每条公路本身的平均震害指数。由于计算平均震害指数时未考虑地震时路旁山体发生滑坡等次生灾害对公路交通的影响，因此，为了求得各公路的平均震害指数，需用式(2)进行修正：

ind′=ind+Δind

(2)

式中：ind′为修正以后道路的震害指数；ind为道路的震害指数；Δind为修正值。当路旁山体发生小规模滑坡趋势时，Δind=0.15；当路旁山体发生中等规模滑坡趋势时，Δind=0.3；当路旁山体发生较大规模滑坡趋势时，Δind=0.5。

公路路基路面的震害程度同样可以用震害指数为变量的模糊集来表示。根据以往震害经验，并结合公路路基路面实际，设震害度为1条正态分布曲线[5]，即

(3)

式中：σi值为方差，由不同烈度下的实际震害离散程度决定，6～10设防烈度下σi的建议值见表2；μB i(ind)为正态分布值；e是自然对数的底。

表2　各级烈度下离散系数推荐值

2城市公路交通系统可靠度分析

2.1公路路段单元通行概率分析

进行城市公路交通系统网络[6]抗震可靠度分析时，除了分析公路交通系统中每条公路易损性以外，还需对每条公路的通行概率进行分析。本文分析时，考虑了公路、桥梁、路边建筑3方面对公路通行概率的影响,并对公路通行概率进行了如下分类。

1) 包含桥梁在内的公路。这类公路相当于“路段单元”和“桥梁单元”的串连[7]。分析时不考虑其震害的相关性，其通行概率相当于“路段单元”和“桥梁单元”的通行概率之积。其中“桥梁单元”的通行概率规定见表3。

表3　桥梁单元的通行概率

2) 不包含桥梁在内的公路。这类公路的“路段单元”通行概率即是整个公路通行概率。分析不同地震烈度下公路的破坏状态，计算不含桥梁路段的通行概率。这部分主要包括道路本身的通行概率和瓦砾阻塞造成的概率值，以及人群干扰下公路交通系统的通行概率。

3) 路边建筑。路边建筑对公路通行概率的影响与道路宽度、沿路距离、建筑抗震能力等因素有关。按照抗震要求设计、施工的建筑，抗震能力较强，震后不易产生中等程度以上的破坏。如果结构整体较差，设计不合理、施工质量差以及老旧、危房，则抗震能力弱。房屋越高，地震烈度就越大，建筑瓦砾散落的距离就越远，对道路的影响就越大。如果地震烈度不大，则房屋震动的振幅不大，即使路边建筑局部构件掉落，也不会对道路产生很大影响。

2.2城市公路交通系统通行概率计算

研究表明，公路交通系统中每条公路的车道宽度对行车速度都有影响。当车道宽度大于标准宽度时，车速会略有提高；而当车道宽度小于标准宽度时，车速会显著降低。同时，沿街建筑倒塌形成瓦砾堆积对道路通行能力也有较大影响。道路通行能力主要与该路段瓦砾堆积的总土方量，道路长度、宽度及建筑路边距离等因素有关。地震发生时，瓦砾堆积会使道路的有效面积减小，甚至完全堵塞。

计算公路交通系统通行概率时，首先需确定不同地震烈度下城市公路交通系统周边各类建筑的瓦砾堆积，应主要考虑每条公路严重破坏面积百分比的1/2和倒塌面积百分比之和；其次，计算道路两旁各类建筑中发生严重破坏和倒塌的沿道路立面面积之和，再乘以系数2/3；最后，得到瓦砾堆的总土方量：

(4)

式中：Ω 为瓦砾堆总土方量；Ai为严重破坏和倒塌的沿道路立面面积之和；Ψi为公路严重破坏面积百分比的1/2和倒塌面积百分比之和。

利用式(4)中的总土方量计算瓦砾阻塞密度，并将其与临界瓦砾阻塞密度进行比较，以确定公路交通系统中每条公路的通行概率。每条公路的通行概率按下式判断。

当Q≤Qc时，

(5)

当Q>Qc时，

Pw=0

(6)

式中：Pw为公路的通行概率；Q为瓦砾阻塞量密度；Qc为临界瓦砾阻塞量密度。

3应用实例

3.1城市交通系统可靠度分析结果

采用式(1)，对城市主要公路震害指数进行计算，以对城市规划区内主要公路交通系统进行初步抗震可靠度分析，分析结果见表4。

表4　主要道路的抗震可靠度分析结果

注：6～9度为地震烈度。下同。

计算完城市交通系统每条道路震害指数后，还需计算该路段道路在整个城市交通网络中的通行概率，并得出城市公路交通系统的抗震可靠度。计算方法采用式(5)、(6)。将城市交通系统中主要道路的路段通行概率值进行总结，见表5。

3.2基于城市GIS的震害分析结果

本文根据宁德地区的实地调研情况，将城市交通系统中每条公路的震害指数和通行概率导入城市地理信息系统中，分析不同设防烈度下城市道路系统的抗震能力，并找出整个城市道路系统的抗震薄弱路段。其中抗震能力薄弱路段为老城区个别路段。由此可知，宁德地区交通系统整体抗震可靠度较高。

表5　路段通行概率值

4城市交通系统震害分析结论

结合宁德地区GIS系统[8]，从城市地形图中可以找出城市交通系统的抗震薄弱环节主要分布位置：在6度地震作用下，整个城市交通系统畅通；7、8、9度地震作用下，通行概率低的主要路段为鹤峰北路、塔山路；以及署前路、鹤峰北路南北段液化地区的道路。对上述抗震能力较弱路段，需采取如下措施来提高其抗震能力。

1) 对现有交通设施抗震性能进行鉴定，必要时进行加固并制定地震时交通应急方案，以提高其抗震能力。

2) 对于规划区中比较重要的道路，如车流量、人口流量较多的署前路等路段，进行道路拓宽，以确保震害发生后道路能正常通行。

3) 对老城区老旧民房，根据旧城区改造规划编制相应的方案逐步进行改造，将路边建筑在震后造成的瓦砾堆积减至最小，以提高道路的通行概率，保证道路畅通。

4) 对公路旁的加油站等易引发火灾等次生灾害[9]的危险隐患，需进行相关的抗震性能和安全性能检查，将次生灾害发生的可能性减至最小，以提高城市道路基础设施的抗震能力。

参 考 文 献

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[4]严秋荣，皱维列，邓卫东.考虑含水量变化的路基回弹模量特性研究[J].公路交通技术，2010(5)：1-5．

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[6]袁伟民.中外公路桥梁抗震规范的差异[J].中外公路，2015，35(2)：148-149.

[7]贾婧，高惠瑛，庄丽.道路网络抗震功能失效空间决策支持方法研究[J].世界地震工程，2006，22(3)：121-122.

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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

文章编号：1009-6477(2016)01-0118-04

中图分类号：U491.2

文献标识码：A

作者简介：王毅恒(1986-)，男，湖北省荆州市人，硕士，助教。

收稿日期：2015-05-18

基金项目：四川省高校重点实验室开放基金项目(2014QYJ06，2014QZY06)；四川省教育厅资助项目(15SB0122,16ZB0246)

DOI:10.13607/j.cnki.gljt.2016.01.026