震害道路通行能力评估模型

段满珍，轧红颖，李珊珊，曹会云

(1.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

震害道路通行能力评估模型

段满珍1，2，轧红颖1，李珊珊1，曹会云1

(1.华北理工大学 建筑工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省地震工程研究中心，河北 唐山 063210)

提出一种评估震后救援道路通行能力的修正系数模型。采用震害条件下道路自损折减系数、桥梁震害影响系数和沿街建筑物损害影响系数对道路通行能力模型进行修正。为保证模型的实用性，完善了高烈度震害量化值，高墩台、大跨度桥梁震害影响系数，并给出不同地震烈度下各类建筑物损害的统计概率作为评估过程的参考值。汶川震害数据模型验证结果表明：修正系数模型对震后道路、桥梁的破坏程度能够进行准确预测，表明该评估模型能够用于震后救援道路通行能力的评估。

道路工程；通行能力；评估模型；统计分析；地震灾害

中国是世界上地震灾害最严重的国家之一，每年因地震给国家带来的经济损失重大。例如2014年2月于田7.3级地震造成的直接经济损失为108 061.2×104元[1]；2008年汶川地震造成的直接经济损失达8 451×108元[2]。因此，灾后快速救援、将震害损失降到最低是震害救援工作的重要环节。地震发生后因建筑物倒塌，通讯设施破坏，造成震后各种信息的不确定性，给震后救援工作带来较大难度。因此，快速有效评估震后道路通行能力对顺利开展震后救援工作具有重要意义。

国内外许多学者对与地震灾害发生后的道路通行能力进行过相关研究。姜淑珍等[3]和柳春光等[4]分别对城市道路系统易损性做了分析；王东升等[5]分别对公路桥梁震害预测问题进行了较为细致的研究。但从近些年发生的地震灾害特点来看，先前的研究在实际应用中尚有许多不足：① 缺乏高烈度震害条件下道路、桥梁等震害影响系数的参考值，不能适应类似汶川地震等高烈度震害救援评估工作的需要；② 缺乏综合考虑建筑物、道路、桥梁等各因素的评估模型[6]，尤其是高墩台、大跨度桥梁系数过于宽泛，不具有实用性。

基于以上不足，笔者利用历史震害数据，采用数理统计与概率分析方法研究地震灾害条件下城市道路通行能力的快速评估模型。

1 救援道路通行能力快速评估模型

救援道路通行能力反映救灾交通系统的服务能力。影响救援道路通行能力的因素很多：如灾后道路宽度、掩埋车道数、救灾车种及构成比例、自行疏散车辆及行人干扰、道路桥梁等破坏情况。这些因素本身具有较强的随机性，当地震及次生灾害发生时，其随机性更为强烈，造成震害救援道路通行能力评估的复杂性。历史震害经验表明，影响灾后救援道路通行能力的因素主要包括沿街建筑物破坏倒塌情况、道路自身破坏程度和有桥路段桥梁破坏程度。结合我国城市实际，处于地震带的大部分城市都包含有不同比例的有桥路段。因此，研究中应综合考虑道路、桥梁、沿街建筑物倒塌破坏对震后救援工作的影响。由于震后很难获得有关道路实况的数据，笔者采用道路理论通行能力修正系数的方法建立救援道路通行能力快速评估模型，如式(1)。

式中：Ce为震后道路单向可能的通行能力；C为道路基本通行能力，即理想条件下单向一条车道所能通行的最大交通量，pcu/h；i为路段单向可能的车行道数量；Pir为震后道路破坏对第i条车行道通行能力的折减系数(简称第i条车行道自损折减系数)；Piq为桥梁损害对震后有桥路段第i条车行道通行能力的影响系数(无桥路段取1)；Pib为震后因建筑物倒塌、瓦砾堆积对第i条车行道通行能力的影响系数。

2 救援道路自损对通行能力的影响

灾后道路交通系统的破坏主要是路基、路面的损坏。路基路面的自损破坏程度可以用平均震害指数[7]表示，平均震害指数可由道路各震害因子的量化值计算，如式(2)：

(2)

式中：ki为第i条道路平均震害指数；Xij为第i条道路第j个震害因子所对应的量化值。

若遇滑坡时，对每段道路应考虑滑坡影响。发生轻微滑坡趋势时，ki需加上0.1；发生中等滑坡趋势时，ki需加上0.3；当有发生严重滑坡趋势时，ki需加上0.5。这时修正后的ki>1.0，则取ki=1.0。

救援道路路基路面震害因子分类[8]及对应的量化值见表1。

表1 道路路基路面震害量化值

注:1)括号内数值为相应的量化值；2)斜体部分为新增量化值。文中以下各表格相同。

震后道路完好程度与平均震害指数存在指数关系[9]，假设道路完好程度系数如式(3)：

(3)

式中：Proad为道路完好程度系数；k0为该路网范围路段最小震害指数(通常k0=0.1)；σ为震害离散系数，σ推荐值[9]如表2。

表2 各烈度下震害离散系数σ推荐值Table 2 Recommended values of discrete coefficient of seismic disaster σ in various intensities

用式(3)可求得各地震烈度时的道路完好程度。根据道路完好程度的定义，灾后道路可通行程度用道路通行能力自损折减系数Pr进行估计(表3)。当i=1或者各车行道损坏差异不大时，Pir=Pr；损坏差异大时，则二者不同，需要单独说明整体道路损坏对每一条车行道的影响。

假定道路严重破坏则完全丧失了通行能力；中等程度以下破坏时通行能力折减。针对上述系数模型的有效性，采集汶川地震的真实数据[10-11]进行验证(表4)。

表3 道路完好程度与通行能力折减系数

表4 道路震害因子及量化值

将表4数据带入模型，计算结果如表5。其计算结果与震后道路实际震害情况相符，证明道路自损折减系数Pr有效。

表5 道路震害预测结果

3 灾后桥梁通行概率分析模型

桥梁在道路交通系统中处于咽喉的位置，且一旦遭到破坏修复困难。桥梁震害除与地震烈度有较大关系外，还与桥梁设计、施工、桥址场地条件等许多因素的综合作用有关[12-13]。因此，桥梁震害对道路通行能力的影响首先应研究桥梁的震害度。结合吴文英等[13]的研究成果，给出强烈度地震时桥梁震害主要影响因素的加权系数(表6)。

桥梁震害度预测如式(4)：

(4)

式中：c0为调整系数；cjk为j项中k类因素的统计加权系数。

表6 震害影响系数

(续表 6)

j项目k类别统计加权系数Cjk3地基失效程度(液化、边域失稳)1无1.002轻度1.503重度1.804上部结构1刚架、单拱1.002连续梁、板梁、连孔拱1.103简支梁、悬臂梁1.405支座形式1有防落梁措施2消能支座(橡胶支座)1.003一般支座1.106墩台高度h/m1h<51.002h=5～101.103h=10～301.204h=30～501.305h>501.407墩台材料1钢筋混凝土1.002砖、石、混凝土1.108基础形式1扩大基础、沉井基础、多排桩基础1.002排架桩、高桩承台等1.209桥梁长度l/m1l跨度≤3,l跨长≤101.002l跨度>3,l跨长>101.20C00.98

给定桥梁各级震害相应的震害度和震害指数参考值如表7。根据表7对表6数据进行统计分析。

表7 震害程度及震害指数

结合桥梁震害程度和震害指数，研究桥梁震害对道路通行能力的影响系数。当桥梁完好或基本完好状态时，对道路通行能力几乎没有影响；当桥梁轻微损坏时(由于震时特殊环境)，小型车辆在有效疏导下可以谨慎通过(但是有桥梁路段的通行能力需要折减)；当桥梁中等程度破坏时，出于安全考虑，车辆几乎不能通过，行人和自行车可以有序通行；当桥梁倒塌或者破坏严重时，桥梁不能通行。综合以上几种情形，给定桥梁灾后道路通行能力影响系数推荐值见表8。

表8 桥梁震害程度对道路通行能力的影响系数Table 8 Impact coefficient of bridge seismic damage degree on road traffic capacity

注：当路段无桥梁时，影响系数取值为1。

为验证桥梁灾后通行能力影响系数模型，采集汶川地震桥梁震害数据，如表9[14-16]。

表9 桥梁震害信息

表10为灾后桥梁震害数据对震害度模型的验证。结果表明：除回澜立交桥的预测值有误差外，其它各桥的预测结果与实际情况完全吻合。回澜立交桥为城市立交，震后主桥损伤相对较少，但是匝道桥桥墩严重破坏，造成整桥通行能力受损，根据桥梁震害标准统一认定为严重破坏[17]。

表10 桥梁震害预测结果

表10中根据模型预测的震害度为2.561，与主桥的震害情况比较吻合，但是用于匝道桥的评估出现误差。由此可见，城市曲线桥因其结构复杂，很难用统一的模型进行评估；但城市梁式桥主桥与公路桥类似，可适用于此模型。最终验证结果表明：此模型应用于直线桥具有较好的预测结果。

4 沿街倒塌建筑对救援道路通行能力的影响

建筑物一般只在严重破坏或倒塌时才会产生堆积。因此，需要求出其倒塌面积占其总面积的百分比[18]，即k类建筑物倒塌瓦砾量占其总建筑面积的百分比ψk，如式(5)。

ψk=0.5Yk%+Dk%

(5)

式中：Yk%为k类建筑物严重破坏建筑面积占其总建筑面积的百分比；Dk%为k类建筑物倒塌建筑面积占其总建筑面积的百分比。

震后路段单元总倒塌瓦砾阻塞量如式(6)[18]。

(6)

式中：Bk为k类建筑物倒塌瓦砾阻塞量，m2。

瓦砾阻塞密度与临界瓦砾阻塞密度分别如式(7)和式(8)：

瓦砾阻塞密度：

(7)

临界瓦砾阻塞密度：

(8)

式中：l，lc分别为路段的长度和标准计算长度；b，bc分别为路段的有效宽度和标准有效宽度。

沿街建筑物倒塌对路段通行能力的影响系数则可以用式(9)表示：

(9)

由式(5)～式(9)可知：若给出严重破坏百分比Yk%和倒塌百分比Dk%，则可推算出建筑物倒塌影响系数Pb。

根据汶川地震相关资料[11,19-20]，统计出能够对道路通行能力造成影响的高烈度震害下的建筑物损毁情况(严重破坏、倒塌)概率值作为评估参考，如表11、表12。

表11 建筑物严重破坏比例

表12 建筑物倒塌比例

5 结 语

基于前人在高烈度震害对道路、桥梁的破坏程度及灾后救援道路通行能力综合预测方面研究的不足，笔者从道路完好程度系数、道路自损通行能力折减系数、桥梁震害度与震害指数等方面构建了震后救援道路通行能力修正系数模型，完善了高烈度、高墩台、大跨度桥梁震害影响系数，给出了不同地震烈度下各类建筑物损害概率。

由于地震灾害的特殊性，很难收集到同一区域的建筑物、道路、桥梁破坏的全面历史震害数据。因此，笔者采用对模型影响系数分段验证的方式，利用汶川地震历史数据对各个系数模型分别验证。验证结果表明：系数模型对路网中道路、直线桥震害预测的一致性较好，表明该模型能够用于震后救援道路通行能力的快速评估。但是由于曲线桥或匝道立交桥受力结构的复杂性，桥梁系数模型的适用性较差，还需在后续研究中进一步深入。

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(责任编辑：刘 韬)

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

国家自然科学基金项目(51378171)

段满珍(1974—)，女，河北滦县人，副教授，博士，主要从事应急交通方面的研究。E-mail：1033838477@qq.com。

U121

A

1674- 0696(2017)05- 079- 07