段滿珍，軋紅穎，李珊珊，曹會云

(1.華北理工大學 建筑工程學院，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估模型

段滿珍1，2，軋紅穎1，李珊珊1，曹會云1

(1.華北理工大學 建筑工程學院，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)對道路通行能力模型進行修正。為保證模型的實用性，完善了高烈度震害量化值，高墩臺、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)計概率作為評估過程的參考值。汶川震害數(shù)據(jù)模型驗證結果表明：修正系數(shù)模型對震后道路、橋梁的破壞程度能夠進行準確預測，表明該評估模型能夠用于震后救援道路通行能力的評估。

道路工程；通行能力；評估模型；統(tǒng)計分析；地震災害

中國是世界上地震災害最嚴重的國家之一，每年因地震給國家?guī)淼慕洕鷵p失重大。例如2014年2月于田7.3級地震造成的直接經濟損失為108 061.2×104元[1]；2008年汶川地震造成的直接經濟損失達8 451×108元[2]。因此，災后快速救援、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，快速有效評估震后道路通行能力對順利開展震后救援工作具有重要意義。

國內外許多學者對與地震災害發(fā)生后的道路通行能力進行過相關研究。姜淑珍等[3]和柳春光等[4]分別對城市道路系統(tǒng)易損性做了分析；王東升等[5]分別對公路橋梁震害預測問題進行了較為細致的研究。但從近些年發(fā)生的地震災害特點來看，先前的研究在實際應用中尚有許多不足：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，不能適應類似汶川地震等高烈度震害救援評估工作的需要；② 缺乏綜合考慮建筑物、道路、橋梁等各因素的評估模型[6]，尤其是高墩臺、大跨度橋梁系數(shù)過于寬泛，不具有實用性。

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)計與概率分析方法研究地震災害條件下城市道路通行能力的快速評估模型。

1 救援道路通行能力快速評估模型

救援道路通行能力反映救災交通系統(tǒng)的服務能力。影響救援道路通行能力的因素很多：如災后道路寬度、掩埋車道數(shù)、救災車種及構成比例、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的隨機性，當?shù)卣鸺按紊鸀暮Πl(fā)生時，其隨機性更為強烈，造成震害救援道路通行能力評估的復雜性。歷史震害經驗表明，影響災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。結合我國城市實際，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，研究中應綜合考慮道路、橋梁、沿街建筑物倒塌破壞對震后救援工作的影響。由于震后很難獲得有關道路實況的數(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、瓦礫堆積對第i條車行道通行能力的影響系數(shù)。

2 救援道路自損對通行能力的影響

災后道路交通系統(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個震害因子所對應的量化值。

若遇滑坡時，對每段道路應考慮滑坡影響。發(fā)生輕微滑坡趨勢時，ki需加上0.1；發(fā)生中等滑坡趨勢時，ki需加上0.3；當有發(fā)生嚴重滑坡趨勢時，ki需加上0.5。這時修正后的ki>1.0，則取ki=1.0。

救援道路路基路面震害因子分類[8]及對應的量化值見表1。

表1 道路路基路面震害量化值

注:1)括號內數(shù)值為相應的量化值；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)關系[9]，假設道路完好程度系數(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的道路完好程度。根據(jù)道路完好程度的定義，災后道路可通行程度用道路通行能力自損折減系數(shù)Pr進行估計(表3)。當i=1或者各車行道損壞差異不大時，Pir=Pr；損壞差異大時，則二者不同，需要單獨說明整體道路損壞對每一條車行道的影響。

假定道路嚴重破壞則完全喪失了通行能力；中等程度以下破壞時通行能力折減。針對上述系數(shù)模型的有效性，采集汶川地震的真實數(shù)據(jù)[10-11]進行驗證(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，計算結果如表5。其計算結果與震后道路實際震害情況相符，證明道路自損折減系數(shù)Pr有效。

表5 道路震害預測結果

3 災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困難。橋梁震害除與地震烈度有較大關系外，還與橋梁設計、施工、橋址場地條件等許多因素的綜合作用有關[12-13]。因此，橋梁震害對道路通行能力的影響首先應研究橋梁的震害度。結合吳文英等[13]的研究成果，給出強烈度地震時橋梁震害主要影響因素的加權系數(shù)(表6)。

橋梁震害度預測如式(4)：

(4)

式中：c0為調整系數(shù)；cjk為j項中k類因素的統(tǒng)計加權系數(shù)。

表6 震害影響系數(shù)

(續(xù)表 6)

j項目k類別統(tǒng)計加權系數(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上部結構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墩臺高度h/m1h<51.002h=5～101.103h=10～301.204h=30～501.305h>501.407墩臺材料1鋼筋混凝土1.002磚、石、混凝土1.108基礎形式1擴大基礎、沉井基礎、多排樁基礎1.002排架樁、高樁承臺等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

給定橋梁各級震害相應的震害度和震害指數(shù)參考值如表7。根據(jù)表7對表6數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

表7 震害程度及震害指數(shù)

結合橋梁震害程度和震害指數(shù)，研究橋梁震害對道路通行能力的影響系數(shù)。當橋梁完好或基本完好狀態(tài)時，對道路通行能力幾乎沒有影響；當橋梁輕微損壞時(由于震時特殊環(huán)境)，小型車輛在有效疏導下可以謹慎通過(但是有橋梁路段的通行能力需要折減)；當橋梁中等程度破壞時，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；當橋梁倒塌或者破壞嚴重時，橋梁不能通行。綜合以上幾種情形，給定橋梁災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：當路段無橋梁時，影響系數(shù)取值為1。

為驗證橋梁災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為災后橋梁震害數(shù)據(jù)對震害度模型的驗證。結果表明：除回瀾立交橋的預測值有誤差外，其它各橋的預測結果與實際情況完全吻合?；貫懥⒔粯驗槌鞘辛⒔唬鸷笾鳂驌p傷相對較少，但是匝道橋橋墩嚴重破壞，造成整橋通行能力受損，根據(jù)橋梁震害標準統(tǒng)一認定為嚴重破壞[17]。

表10 橋梁震害預測結果

表10中根據(jù)模型預測的震害度為2.561，與主橋的震害情況比較吻合，但是用于匝道橋的評估出現(xiàn)誤差。由此可見，城市曲線橋因其結構復雜，很難用統(tǒng)一的模型進行評估；但城市梁式橋主橋與公路橋類似，可適用于此模型。最終驗證結果表明：此模型應用于直線橋具有較好的預測結果。

4 沿街倒塌建筑對救援道路通行能力的影響

建筑物一般只在嚴重破壞或倒塌時才會產生堆積。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準計算長度；b，bc分別為路段的有效寬度和標準有效寬度。

沿街建筑物倒塌對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)汶川地震相關資料[11,19-20]，統(tǒng)計出能夠對道路通行能力造成影響的高烈度震害下的建筑物損毀情況(嚴重破壞、倒塌)概率值作為評估參考，如表11、表12。

表11 建筑物嚴重破壞比例

表12 建筑物倒塌比例

5 結 語

基于前人在高烈度震害對道路、橋梁的破壞程度及災后救援道路通行能力綜合預測方面研究的不足，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、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，筆者采用對模型影響系數(shù)分段驗證的方式，利用汶川地震歷史數(shù)據(jù)對各個系數(shù)模型分別驗證。驗證結果表明：系數(shù)模型對路網中道路、直線橋震害預測的一致性較好，表明該模型能夠用于震后救援道路通行能力的快速評估。但是由于曲線橋或匝道立交橋受力結構的復雜性，橋梁系數(shù)模型的適用性較差，還需在后續(xù)研究中進一步深入。

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(責任編輯：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

國家自然科學基金項目(51378171)

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

U121

A

1674- 0696(2017)05- 079- 07