（土木工程专业论文）公路抗震预案路线抗震重要度分析.pdf

摘要 本文针对目前我国公路抗震预案普遍存在缺乏宏观确定路线抗震重要度理 论依据这一缺陷，在阐述了现行路线抗震重要度确定方法的基础上，具体分析了 影响路线抗震重要度的主要因素，得出公路抗震预案中路线的抗震重要度大小不 但与路线所在地区的地震烈度分布有关，还与路线本身的经济重要度、技术等级、 行政等级和交通流量有关的结论，并提出了利用主成份分析法建立的数学模型计 算出路线抗震重要度具体数值的方法，对如何分析计算路网中每条路线的抗震重 要度的理论方法进行了尝试。最后结合辽宁省部分路线进行了实例应用，指出了 此方法的应用前景。 关键词：公路抗震路线抗震重要度主成份分析 a b s tr a c t t h i sp a p e ri sa b o u tt h ep l a no fh i g h w a ye a r t h q u a k e r e s i s t a n t b e c a u s et h e r ei s l a c ko ft h e o r yo n e s t a b l i s h i n g t h e i m p o r t a n td e g r e e o f h i g h w a y r o t a e e a r t h q u a k e - r e s i s t a n t ，b a s e do na n a l y z i n gt h em a j o rf a c t o ro fe f f e c t i n gt h ei m p o r t a n t d e g r e eo fh i g h w a yr o u t ee a r t h q u a k e r e s i s t a n t ，t h i sp a p e rm a k e sac o n c l u s i o nt h a ti na p l a no fh i g h w a ye a r t h q u a k e r e s i s t a n t ，t h ei m p o r t a n td e g r e e o fh i g h w a yr o u t e e a r t h q u a k e r e s i s t a n t i sb a s e do ne a r t h q u a k ed i s t r i b u t i o n ，t h ei m p o r t a n c eo ft h e h i g h w a yi ne c o n o m y , t h et e c h n o l o g ya n da d m i n i s t r a t i o nc l a s so ft h eh i g h w a y , a n dt h e t r a f f i cq u a n t i t yo ft h er o a d t h i sp a p e rt r yb r i n g i n gf o r w a r dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h em a i nf a c t o ra n a l y s e st h e o r yt oc o m p u t et h ec o n c r e t ef i g u r e a tl a s t , t h ep a p e ru s e s t h et h e o r yt oc o m p u t et h ei m p o r t a n td e 伊e eo fl i a o n i n gp r o v i n c eh i g h w a yr o u t e e a r t h q u a k e r e s i s t a n ta n dp r e d i c tt h eu s ef o r e g r o u n do f t h et h e o r y k e yw o r d s ：h i g h w a ye a r t h q u a k e - r e s i s t a n t ，d e g r e eo fh i g h w a yr o u t e e a r t h q u a k e - r e s i s t a n t ，m a i nf a c t o ra n a l y s e s 公路抗震预案路线抗震重要度分析 1 上 j 一 一 日【l舌 1 1 问题的提如 随着人类社会的飞速发展，现代社会正在表现出越来越普遍的综合性。不同群 体、不同系统间的互相渗透、互相依赖、互相作用已成为社会发展的重要动力之一。 在这一宏观背景下，区域与城市生命线工程作为社会、经济功能的重要载体，其作用 与形象益发突出。作为生命线工程的重要组成部分，全世界范围内公路交通正在迅速 网络化、高速化，在人类社会经济生活中起着越来越重要的作用。发生在近、现代的 一系列强烈地震，以无可挽回的灾害反复地警醒世人：在强烈地震作用下，公路工程 系统的功能受到损害会直接加重地震灾害的程度、严重影响公众的社会和经济生活、 制约阻碍救灾活动的开展、引发重大的经济损失，甚至会导致区域与城市社会、经济 功能的瘫痪。因此，建立公路系统破坏性地震应急预案( 即公路抗震预案) 是保障生 命线工程正常功能、减轻地震灾害损失的重要手段之一。 地震应急，是指为了减轻地震灾害而采取的不同于正常工作程序的紧急防灾和 抢险行动；公路抗震预案，是交通公路系统为在公路网发生破坏性地震前后，高效而 有秩序地做好临震和震后公路应急工作，最大限度地减轻地震对公路造成的灾害而制 定的应急方案，主要包括应急机构的组成和职责、应急通信保障、抢险救援的人员、 资金、物资准备、灾害评估准备、应急行动方案等方面内容。 为防御与减轻地震灾害，保护人民生命和财产安全，保障社会主义建设的顺利 进行，我国政府先后出颁布了中华人民共和国防震减灾法、破坏性地震应急条例、 国家破坏性地震应急预案和交通系统破坏性地震应急预案等法律、法规和行 业规定，对我国交通公路系统地震应急预案的建立具有直接的指导意义。 生命线系统是指与人类及社会日常生活息息相关的基础设施体系，它包括交 通、通信、供电、供水、供气等设施，还包括一些提供社会服务的其他子系统，如医 疗救护系统、治安维持系统等，以系统的整体形式发挥功能是其主要特点。每个生命 线子系统都具有与其自身功能牲相适应的复杂网络结构，并且不同生命线子系统间常 常相互影响，其中公路( 道路) 子系统是其他子系统的基础，公路( 道路) 子系统的破坏 将制约包括生命线各子系统在内的整个救灾工作的开展，所带来的损失是非常重大 的。因此，必须加大对公路( 道路) 子系统的抗震预案的理论研究。 公路是由节点和线段构成的网络，由于具有节点多、路线长、覆盖面广的特点， 使公路抗震预案的编制任务繁重、工作量浩大；如果能事先了解掌握公路网中每条路 线在公路抗震预案中的重要程度，有的放矢地针对不同抗震重要程度的路线，采取不 同的抗震应急措施，必然可以做到即保障重点，又兼顾一般，即减少了工作量、节约 人力物力财力，制定的抗震预案又具有针对性、科学性和实用性。因此，如何科学地 确定路网中每条路线( 线段) 的抗震重要程度，直接关系到抗震预案是否科学合理、 灵活实用，是一个重要的现实课题。 1 2 辽宁省公路抗震预案简介 国内外大量的震害实例表明，随着经济的迅速发展和社会财富的快速增长，现在 发生同等强度的破坏性地震所造成的经济损失，是十几年前的十几倍甚至上百倍。在 同地震灾害的长期斗争中我们逐渐认识到，公路的防震减灾工 公路抗震预案路线抗震重要度分析 图l 辽宁省抗震救灾指挥部机构示意图 f i g 1e a r t h q u a k ed i s a s t e r sr e l i e fc o m m a n dp o s to fl i a o n i n gp r o v i n c e 作涉及社会的方方面面，是一项复杂的社会系统工程；要提高整个公路网的防震减灾 能力，需要依靠科技进步，提高公路战线乃至全社会的防震减灾意识：需要依靠各级 政府强有力的领导和各部门的协调配合；需要制定正确的公路抗 震防震减灾战略和奋斗目标，动员广大人民群众积极参与和全社会协调一致的行动； 需要强有力的法律保障。在各级政府的领导下，按照“以防为主、防抗救结合”的抗 震方针，面对严重的地震灾害威胁，做到在地震灾害发生前有针对性地采取积极的防 御和准备措施，在地震灾害突然袭击时能够高效有序地开展抢险救灾工作、保障公路 的正常运输功能，在灾后能够迅速地恢复灾区人民的正常生活和生产秩序，早日重建 家园。 2 公路抗震预案路线抗震重要度分析 辽宁省各级政府非常重视防震、抗震和救灾工作，省政府专门成立了省防震抗震 救灾工作领导小组( 图1 ) ，由省长亲自任领导小组的组长，并制定了全省破坏性地 震应急预案，指导全省的全面抗震救灾工作。 辽宁省交通公路部门依据国家破坏性地震应急条例、国家破坏性地震应急预 案、交通部交通系统破坏性地震应急预案等的法规原则，参照省政府的地震应 急方案，结合辽宁省实际，以“提高认识、强化管理、加强养护、消除隐患、重点防 护、保障畅通、多方协调、全力服务”为预案编制的指导思想，制定了切实可行、专 业高效的省、市、县三级公路抗震应急预案，内容包括抗震应急机构的组成和职责； 应急通信保障：抢险救援人员的组织和资金、物资的准备；应急、救助装备的准备； 应急抢险方案，灾害损失评估等。至2 0 0 1 年底，全省十四个地级市、六十个县和县 级市的交通公路部门已制定了本地区的公路抗震预案，对全省现有各级公路4 5 5 4 7 公里( 其中国家级公路4 7 1 6 公里，省级公路7 1 9 0 公里，县级公路9 9 3 1 公里，乡级公 路2 2 5 7 6 公里，专用公路1 1 3 4 公里) 、现有桥梁1 6 6 9 0 座5 2 4 2 6 4 延长米( 其中特大桥 5 0 座4 3 7 4 1 延长米，大桥7 6 4 座1 3 5 7 0 1 延长米) 、现有公路渡口1 3 处、公路隧道2 5 处1 6 3 4 3 延长米做出了全面的应急预案；预案涉及应急保障路线5 l 条，长1 0 7 2 0 公 里；应急保障重点目标3 1 个，其中桥梁2 9 座，隧道2 个；其重点是包括国家级干线 公路9 条3 5 3 0 公里、省级干线公路4 2 条7 1 9 0 公里，连接全省1 4 个市，7 5 个县( 市、 区) ，沟通大连、营口、丹东、锦州四大港口，连通渤海和黄海，经济、战略地位十 分重要的交通干线。全省十四个市设公路管理处，行政上隶属各市交通局领导，业务 上受省公路管理局和各市交通局指导，具体负责全省各市公路抗震减灾工作。全省各 县( 市、区) 设公路管理段，具体负责全省各县( 市、区) 公路抗震减灾工作。省交 通厅公路管理局负责全省普通公路抗震工作，局抗震办公室设在综合计划科。全省组 建了公路系统应急抢修纵队，各市组建应急抢修大队，县设抢修中队。全省公路系统 应急抢修纵队负责全省普通公路的抗震应急抢修、恢复、通讯联络、排除路障及后勤 表一辽宁省公路破坏性地震预案的启动 t a b 1t h ep l a nr e s i s t i n ge a r t h q u a k eo fl i a o n i n gp r o v i n c e 地震类别启动预案类别领导救灾级别 造成公路特大损失 级公路抗震预案省交通| 亍 的严重破坏性地震 省交通厅抗震救灾工作领 造成公路较大损失的 二级公路抗震预案导小组和省交通厅公路管 中等破坏性地震 理局负责 造成公路中等损失的 三级公路抗震预案省交i 西| 亍公路管理局负责 般i 生地震 公路抗震预案路线抗震重要度分析 服务等工作，承担抢修恢复受阻路段，保障路线畅通。要求各级公路部门全部人力、 物力、设备、车辆等均当破坏性地震发自生时均用于抗震保障需要，以保障公路路线 畅通。 根据辽宁省的具体社情、震情及震害程度，省级公路抗震预案的启动分为三类( 表 一) ：造成公路特大损失的严重破坏性地震启动一级公路抗震预案，由省交通厅负责： 造成公路重大损失的中等破坏性地震启动二级公路抗震预案，由省交通厅抗震救灾工 作领导小组和省交通厅公路管理局负责；造成公路中等损失的一般性地震启动三级公 路抗震预案，由省交通厅公路管理局负责。目前，辽宁省交通厅公路管理局正积极总 结以往的抗震经验，进行公路抗震预案的理论研究。 1 3 研究现状综述 为规范公路工程的抗震要求，保证公路工程具备一定的抗震能力，我国交通部 先后在一九七七年、一九八九年颁布了两次公路工程抗震设计规范，为公路工程 规定了详细的抗震要求。国内各级科研部门和高等院校对桥梁及软土地基抗震的设计 方法、抗震加固和减震措施进行了大量深入细致的研究和讨论，取得了一系列的新成 果、新经验，并在公路工程的设计、施工中推广，为增强我国公路工程抗震能力作出 了贡献。如： 同济大学桥梁工程系的林道锦等撰写的文章青州闽江大桥抗震性能研究， 通过确定动力计算分析模式，应用多点激励的动念时程法进行结构线性、非线性抗震 分析，研究不同塔梁之间约束关系及基础边界条件对桥梁抗震性能的影响，计算了几 种不同塔梁约束关系的力学模式的地震反应。 交通部重庆公路科学研究所贺学锋等撰写的文章大跨径混凝土斜拉桥动力特 性和地震时程响应分析，基于有限元方法，以重庆大佛寺长江大桥为例，建立大跨 径混凝土斜拉桥结构的空间动力计算模型，并进行动力特性分析和地震时程响应分 析。根据计算结果分析了大跨径混凝土斜拉桥动力特性的主要特点，以及行波效应对 主桥结构的影响，供大路径混凝土斜拉桥的动力试验和抗震设计参考。 生命线工程中的交通公路抗震内容在国内的学术研究中正进行热烈讨论，涌现 不少新建议、新思路，如： 北方交通大学土建系的赵成刚等撰写的珠江三角洲公路系统震害预测一文 中，在收集整理珠江三角洲地区几条主要干线道路上的桥梁和场地震害预测资料的基 础上，利用建立的基于人工神经元网络的预测方法，对道路上的桥梁进行了震害预测： 并在此基础上对道路系统的连通性进行了分析。 同济大学建工系江建华等撰写的上海市交通系统抗震可靠度分析文章中， 利用地理信息系统( g i s ) 强大的空问管理分析功能，以上海市内环城区交通系统为 背景，分析了路网的抗震连通可靠性，建立了基于g i s 平台的城市交通路网地震反 应仿真系统。 山西省地震局的撖凤玲等撰写的生命线工程震害对策的网络分析及实例中， 以某市供水管网为例，利用网络分析法对生命线工程进行分析，提出生命线工程中影 响整个网络可行性的关键元件，研究生命线工程的震害对策，提出已建城市生命线网 络系统抗震加固的最优决策方案，以求用最小的投入达到最佳的减灾效益。 但以上公路( 生命线) 抗震研究理论及课题往往针对具体结构构造物的抗震结 构进行研讨，或仅限于某一小范围区域( 如某一城市) ，缺少对整个公路网的宏观把 4 公路抗震预案路线抗震重要度分析 握及对其中重要路线抗震重要程度的研究。以往公路抗震预案中往往对公路网及其重 要路线的抗震重要程度绝少涉及、完全凭经验判断，或仅要求达到公路工程抗震设 计规范即可。前者完全忽略了地震分布和地震等级对公路抗震要求的影响，其制定 的抗震预案缺乏目的性，主观随意性较强，不够客观；后者主观上虽考虑了地震分布 和地震等级对公路抗震的影响，但只是机械照搬规范，缺乏对整个公路网和其中重要 路线的理论分析，没有计算数据支持，其制定的抗震预案没有理论支持，缺乏针对性 和灵活性，重点不够突出，实施效率低下。 以上情况说明，公路抗震预案是保证生命线工程的基础工作，迫切需要一种科 学合理确定路线抗震重要度的方法。 1 4 本文的主要内容 本文针对我国现行公路抗震预案中缺乏确定路线抗震重要度的理论依据这一 缺陷，具体分析了影响路线抗震重要度的主要因素，提出了利用主成份分析法建立的 图2 论文流程图 f i g 2 f l o wd i a g r a mo ft h ep a p e r 公路抗震预案路线抗震重要度分析 数学模型计算出路线抗震重要度具体数值的方法，并结合辽宁省部分路线进行了实例 应用。 第一部分首先说明了确定路线抗震重要度对公路抗震预案的重要性，介绍了我 国现行公路抗震预案的缺陷，提出了必须解决如何确定路线抗震重要度这一问题。 在第二部分，提出了路线抗震重要度的定义，对其主要影响因素进行了分析。 文章第三部分，根据第二部分的分析，建立数学模型，采用主成份分析法等数 理统计方法，对公路网及其重要路线抗震相关因素指标进行量化和换算，得出具体数 值标定路线抗震重要度。 第四部分，根据辽宁省部分路线的具体数据，计算其路线( 路段) 的抗震重要 度，并与经验结论进行了比较，验证了理论的正确性。 第五部分为结论。 全文流程如图2 。 公路抗震预案路线抗震重要度分析 二路线抗震重要度的因素分析 2 1 路线抗震重要度的定义 公路是由节点和线段构成的网络，由于具有分布地域广、路线里程长的特点， 这就使全部公路网中的路线具有同样的抗震性能是不可能的；加之每条路线和路段的 技术等级、交通流量和所处的地理区域、连接的结点各不相同，其在公路抗震预案中 的重要程度也必然不尽相同。现定义公路网络中每条路线( 路线段) 在公路网抗震预 案中的重要程度为路线( 路段) 抗震重要度；其指标准确与否直接关系到抗震预案的科 学性、实用性，而如何科学地确定路线抗震重要度，是一个重要的现实课题。本文针 刑这一课题，依照数理统计分析的方法建立数学模型，将影响路线抗震重要度的多种 因素指标转化、变换、简化，综合成一个代表性指标，以达到准确定量地标定路线抗 震重要度的目的。 2 2 路线抗震重要度的因素分析 公路抗震预案中，路线的抗震重要度与诸多因素有关，尤其是与两侧节点的经 济重要度( 即路段经济重要度) 、区域地震烈度、路线技术等级、路线行政等级及交 通流量等因素密切相关。 路线( 路段) 最终目的是连通两端的节点。路线( 路段) 在抗震预案中是否重 要很大程度上取决于两端节点的经济重要度；路线分布区域处于何种地震分区、与之 相对应的抗震烈度直接决定路线的抗震重要程度；路线本身的技术等级表现出公路本 身对抗震要求的高低，间接决定了路线的抗震重要度；路线行政等级高低反映了公路 沿线区域的政治、经济、文化、军事等方面的需求，交通量真实反映了每条路线的通 行的车辆数量，对路线抗震重要度也有一定影响。 2 2 1节点和路段经济重要度 公路最终目的是满足运输的需要。运输需求是经济发展引起的区域之间联系的 要求，是指潜在的出行欲望中可以转化成运输量的部分。人员或货物的位置移动可以 采取多种运输方式，如步行、载运等。一般较长距离的位移，人们才会考虑乘长途客 车或使用货车，才会转化为公路站场的运输需求。运输需求并不一定会转化成运输量， 如果出行条件不具备，出行不便，运输需求只能被压制。 一般运输集散点都有一定集散范围，运输集散点的服务范围是一定的区域，把 所有可能作为运输集散点的区域抽象为一个一个的点，称之为节点；节点集散运输的 能力强弱可定义为节点经济重要度。节点的经济重要度与区域的社会经济状况如政 治、经济、商业、文化等方面有着千丝万缕的关系，为了使用方便，可以将这些领域 的众多指标综合成具有代表性的一个指标。综合的方法有多种，如选取相关程度最显 著的单经济指标、采用经验的方法合成单指标等。 根据国内外的研究结果，运输的需求强度与出行发生点的居民社会经济特性、 出行到达点的土地使用形态以及两点间出行阻抗密切相关。居民的社会经济特性是指 居民的收入水平、当地的社会经济状况、职业特点。土地使用形态是指土地使用的方 式、强度、规模等。出行阻抗主要是指出行的便利程度，如出行的时间多少、出行成 本( 花钱) 多少、出行的舒适程度等。宏观地，可以用出行发生点与到达点的社会经 公路抗震预案路线抗震重要度分析 图3 辽宁省干线公路示意图 f i g 3d i a g r a mo fp r i n c i p a la r t e r i a lh i g h w a yi nl i a o n i n g 济发展指标来度量居民社会经济特性、土地使用形态，如人口、国内生产总值、贸易 额、从事某行业人口数等；用出行时间或广义费用( 综合出行时间与出行成本) 来定 量出行阻抗。一般可以采用系统分析的方法，将某一点的社会经济发展指标合成一个 代表性的指数，来标识该点的经济重要度。由此，可以在两点之间准确的运输需求( 很 难做到) 并不清楚的情况下，通过经济重要度与出行阻抗的分析，来区分不同出行区 域之间出行需求的强弱。 各节点由于社会经济发展水平和条件等方面的差异，在交通网络中的地位是不 同的。一个运输集散点的功能强弱即节点的重要度是受很多因素影响的，它与区域的 政治、经济、文化、商业等方面都有联系，是综合诸多方面反映的结果。为了尽可能 真实地、全面地反映一个节点的重要程度，在选择一些定量指标时都需经过仔细斟酌， 最终选择人口、国内生产总值、居民人均纯收入、土地面积四个指标来作区域节点重 公路抗震预案路线抗震重要度分析 要度计算的相关指标。人口是节点规模大小的直接反映，人口数往往表现了节点客运 量的大小；国内生产总值和土地面积反映了节点的经济发展水平，其值一般表征了一 个节点货运需求的大小，值高的节点，说明该区域的生产潜力大；居民人均纯收入是 反映居民家庭实际生活水平的综合性指标，其高低与居民出行和交通流量有密切关 系，以上几项指标可从不同角度反映出一个节点功能强弱情况，经济重要度应是综合 以上几项指标可定量描述区域内各节点相对重要性的指标。 按以上指标计算结果所得的是各节点当前相对重要度量值，对于长期而言，由于 发展的不平衡性，对节点层次规划结果需结合生产力布局、城镇体系规划进行必要调 整。 以上几个指标从不同角度反映出一个节点的功能强弱情况，可通过数理统计的 分析法计算出各指标的权重，然后采用加权平均值，作为节点当前相当重要性综合效 果，考虑到节点发展平衡性，采用调整系数，其计算公式为： = c 口。吾+ a 2x 等+ 码鲁+ 口。鲁， 式中：打一节点j 的重要度； 只一节点j 的总人口； 肛一节点j 的农民人均收入。 5 卜- 节点j 的国内生产总值： 爿广节点j 的土地面积； 、一分别为总人口、农民人均收入、国内生产总值和土地面积 的权系数，其中盯。+ d 。+ 盯。+ 口f 1 ； p 一各节点总人口的平均值； r _ 各节点农民人均收入平均值； 卜各节点国内生产总值平均值； 彳一各节点土地面积平均值： 口广对节点j 的修正系数。 经过计算标定各项指标的权重系数，具体如下式： i i = t o 。1 0 5 事a , 1 9 3 5 + 现2 7 5 5 宰p l 4 3 2 9 + o 4 2 4 4 抟s j 3 0 6 7 + 0 1 9 6 1 k ， 2 9 2 4 ) 宰0l 运用上式可计算出各运输节点的重要度计算结果。 根据系统聚类分析的原理，对辽宁省节点进行聚类分析，按照各节点重要度值 大小，可将其分为三类，即重要节点、次重要节点和一般节点。对节点进行系统聚类 分析的目的就是为了划分节点的类型，以便能够确定不同层次公路抗震预案中路线的 主要控制点，主次分明、层次清楚地进行公路抗震预案分析。 i 聚类分析原理 我们称所要进行分类的对象为样本，为了对样本进行合理分类，将样本的各种特 性数量化，称为样本的指标，如果某样本有m 种特性指标，则在距离空问中可以用m 维空间的一个点来描述该样本，若有n 个样本，每个样本有m 个指标，则它们可以表 示为如表二所示的矩阵形式。 公路抗震预案路线抗震重要度分析 表二系统聚类分析样本表示法 t a b 2 s a m p l em e t h o do ft h es y s t e ma n a l y z e db y c l a s s i f i c a t i o n 指标 指标l指标2指标m 样本 x x i lx 1 2x x 2 。x 2 2 x 2 m x n lx 由表可知，样本x 。可以由行向量( x n ，x 。，x 。) 来描述，记为x 】= ( x 。x 。，x 。) 。 为了刻划样本之间接近的程度，可以用广义的距离概念来描述，其中最常用的表示方 法为标准化平方欧氏距离法。定义为 m 峪啦| | = 一x j k ) 2 k 爿 式中s 。表示变量x k 的方差。 在传统的聚类分析中常用的是系统聚类法和逐步聚类法，而系统聚类法在模糊数 学领域中的推广就是目前常用的模糊聚类法。这里采用系统聚类标准化欧氏距离法， 其步骤如下： ( 1 ) 计算各样本之间的距离，将距离最近的两样本归并为一类； ( 2 ) 把拼成的类看成新的样本，用以代替该类中的所有样本，并以后者的各项 指标的平均值作为新样本的浚项指标： ( 3 ) 反复进行步骤( 1 ) 、( 2 ) ，直至所有的样本都归并成类，我们可以从中任意 选择所需要的分类系数。 2 节点聚类结果 经计算分析并考虑远景年发展前后所得聚类结果为重要节点11 个，次重要节点 3 3 个，一般节点3 6 个，具体结果见表三。 进行路线抗震重要度计算时，必须首先需要选择公路网的节点，也就是说，节点的选 择是分析公路网及其路线抗震重要程度的前提。在分析公路网及其重要路线抗震重要 程度的过程中，确定节点和主要控制点是一个十分重要的环节，因为节点是要求路网 必须连通的点，直接与区域经济的发展方向有关，直接关系到分析层次的深浅，节点 划分太粗，会脱离实际影响精度：划分太细，则会使分析工作过于繁杂，影响重点突 出。一般就省级公路网抗震分析而言，在综合考虑节点分布均衡、规模相当、数量适 宜的基础上，考虑与国省干道、生产区、旅游点的衔接。辽宁省有1 0 0 个市( 县、区) ， 包括1 7 个县级市、l g 个县、8 个自治县和5 6 个市辖区，1 1 7 0 个乡( 镇) ，如果选取 乡( 镇) 或行政村作为节点，则可能因为工作内容过于庞杂、细致，从而导致不能从 宏观方面把握好抗震预案的要求。本着节点均衡分布、规模相当、数量适宜的原则， 本文选取地级市( 市区) 、县级市、县及部份市辖区等共8 0 个比较重要的市县( 区) 作为节点。 1 0 公路抗震预案路线抗震重要度分析 表三辽宁省各节点聚类结果表 t a b 3t a b l eo fn o d ec l a s s i f l o a t i o ni nl i a o n i n gp r o v i n c e 重要节点较重要节点一般节点 合计 小计节点名称小计节点名称小计节点名称 7 51 l3 33 6 东陵、于洪、新民辽中、苏家屯、 沈阳 833 2 康平、法库 巾新城子 金州、瓦房店市、 大连 75甘井子、普兰店市、l旅顺口1长海 庄河市 鞍山 41海城市2千山、台安l岫岩 新抚、东洲、 抚顺 62清原、新宾4 顺城、抚顺 本溪、明山、溪 本溪 4 31垣仁 湖 风城市、振兴、 丹东 61东港市41 宽甸 振安、元宝 凌海市、黑山、 锦州 532太和、义县 北宁市 大石桥市、盖州 营口 422老边、鲅鱼圈 巾 阜新 31阜新2清河门、彰武 辽阳、宏伟、太 辽阳 5l ，丁塔市31弓长岭 子河 双台子、兴隆 盘锦 4 2大洼、盘山2 铁法市、铁岭、 铁岭 7 2昌图、开原市5清河、银州、 西丰 喀左、双塔、 朝阳 72凌源市、北票市5 龙城、建平、 朝阳 绥中、兴城市、 葫芦岛 5 32建昌、南票 连山 选取完节点后，即可利用2 0 0 2 年辽宁省统计数据，按节点经济重要度的计算公 式计算辽宁省市、县、乡政府所在地的公路网结点经济重要度。 节点是公路网的基本元素，两节点间的连线即为路段。既然前面已计算得到公路 公路抗震预案路线抗震重要度分析 网各节点的重要度，那么，由节点所连成的路段也必然有其相对应的经济重要度，它 们跟节点一样，每一个路段的功能强弱也是受多种因素影响的。显然它的经济重要度 大小受节点经济重要度的直接影响，如果两个节点的经济重要度比较大，那么其节点 连线的经济重要程度相对来说就大，也就是说，如果两个节点在路网上是比较重要的， 那么其连接的路段也就比较重要，地位和功能就较高、较强。路段经济重要度除了受 节点经济重要度的影响外，从物流交换方面看，显然还受两节点间距离的影响，所以 从模型类比的观点出发，可参照牛顿万有引力定律，定义路段经济重要度的计算公式 如下： _ r n v = t i i ij ，l i ) a 式中 图4 辽宁省地震区划图 f i g 4s e i s m i cz o n i n gi nl i a o n i n g i ，：节点j 的经济重要度： 公路抗震预案路线抗震重要度分析 删，? 节点i 、j 之间的路段经济重要度： ，：节点i 的经济重要度； 上，：节点i 、j 之间路段的里程，单位公里。 节点是公路网的基本元素，两节点间的连线即为路段。连接节点的路段在抗震 预案中的重要程度显然受路段本身的经济重要度( 即它所连接的节点经济重要度) 大 小的直接影响，如果路段本身的经济重要度( 即其两端节点) 的重要度比较大，那么 其在抗震预案中的重要程度相对来说就越大；也就是说，如果两个节点在路网上是比 较重要的，那么其连接的路段也就比较重要，其路段抗震重要度也就重要、在抗震预 案中的地位和作用就相对较高、较强。 2 2 2 区域地震烈度 地震烈度是指某一地区地面和建筑物遭受一次地震影响的强弱程度，是地震灾害 程度的综合性量度指标，属宏观地震学中的概念范畴，是对地震灾害的一种综合判定。 地震基本烈度是指平均土质条件下，未来百年内区域可能遇到的地震最高烈度。以基 本烈度所表示的地震烈度区划图不包含地震发生的概率，而是将同等的地震烈度视为 具有同等的地震危险性，事实上同等烈度区的年地震发生率可能是完全不同的。由于 地震发生的时间、空间和强度至今不能精确预报，大中地震的发生可作为一随机过程， 我国地震部门按此概念编制审定了全国地震烈度区划图。 公路抗震预案的最终目标是保证公路在遭遇地震灾害时其正常的通行能 力不丧失或在经短期抢修即可投入使用，其路线抗震重要度必然受路线所在区域的地 震分布情况影响；而描述地震分布情况最直接、简洁的指标是地震烈度，因此路线所 在区域的地震烈度情况必然直接影响路线的抗震重要度。 本文根据我国地震烈度区划图，以公路路线所在区域的地震烈度作为路线抗震重要度 的影响因素之一。鉴于我国发生烈度为7 度、8 度、9 度的地区的区域比较广，并积 累了一定( 上述震级) 的抗震经验，故本文以上述烈度的计算路线重要度的指标因素。 对小于7 度的地震，由于对公路的震害一般比较轻微，一般可不予考试：但因地震本 身不确定因素较多，我国交通部公路工程抗 震设计规范规定，对位于6 度地震区的重要公路桥梁要求按7 度设防。 鉴于以上情况，本文研究的地震烈度范围是v 度至x 度。考虑到从v 度烈度开 始，烈度每提高一级，地震峰值加速度即提高约一倍，可按指数增长选用地震烈度参 数如表四。 2 2 3 路线技术等级 根据公路的使用任务、功能及适应交通量，我国交通部发布的公路工程技术 标准( j t j o o l - 9 7 ) 把公路分为高速公路和一级、二级、三级、四级公路五个等级： 高速公路为专供汽车分向、分车道行驶并全部控制出入的干线公路，四车道高 速公路一般适应按各种汽车折合成小客车的远景设计年限年平均昼夜交通量为 2 5 0 0 0 - - - 5 5 0 0 0 辆。六车道高速公路一般适应按各种汽车折合成小客车的远景设计年 限年平均昼夜交通量为4 5 0 0 0 8 0 0 0 0 辆，八车道高速公路一般适应按各种汽车折合 成小客车的远景设计年限年平均昼夜交通量为6 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 辆； 一级公路为专供汽车分向、分车道行驶的公路，一般能适应按各种汽车折合成 小客车的远景设计年限年平均昼夜交通量为1 5 0 0 0 3 0 0 0 0 辆； 公路抗震预案路线抗震重要度分析 二级公路一般能适应按各种汽车折合成中型载重汽车的远景设计年限年平均昼 夜交通量为3 0 0 0 7 5 0 0 辆； 表四中国地震烈度及计算参数表 t a b 4s i s m i ci n t e n s i t ya n dc a l c u l a t i o np a r a m e t e r s 地震峰地震鼐 地震夏在地面上人的感值加速度计算 度 觉 房屋震害现象其它现象 度参数 室内多数人、室门窗、屋项、屋不稳定器物摇动或翻 外少数人有感架颤动作响，灰倒 觉，少数人梦中土掉落，抹灰出 惊醒现微细裂缝。有 檐瓦掉落，个别 v 屋顶烟囱掉砖 o 3 11 站立不稳，少数损坏一墙体出现河岸和松软土出现裂 人惊逃户外裂缝，檐瓦掉缝，饱和砂层出现喷 落，少数屋顶烟砂冒水；有的独立砖 囱裂缝、掉落烟囱轻度裂缝 o 6 32 大多数人惊逃户 轻度破坏一局部河岸出现塌方；饱和 外，骑自行车的 破坏、开裂、小砂层常见喷砂冒水， 人有感觉，行驶修或不需要修理松软土地上地裂缝较 巾的汽车驾乘人可继续使用多；大多数独立砖烟 员有感觉囱巾等破坏 1 2 54 多数人摇晃颠中等破坏一结构干硬土上亦有裂缝； 簸，行走困难破坏，需要修复大多数独立砖烟囱严 才能使用重破坏：树梢折断； 房屋破坏导致人畜伤 亡 2 5 08 行动的人摔倒严重破坏一结构干硬土上许多地方 严重破坏，局部出现裂缝：基岩可 倒塌，修复困难能出现裂缝、错 动；滑坡坍方常 见；独立砖烟囱出 现倒塌 i x5 o o1 6 骑自行车的人会大多数倒塌山崩和地震断裂出 摔倒，处于不稳现；基岩上拱桥破 定状态的人会摔 坏；大多数独立砖 出，有抛起感烟囱从根部破坏或 倒毁 xl o o o3 2 公路抗震预案路线抗震重要度分析 三级公路一般能适应按各种汽车折合成中型载重汽车的远景设计年限年平均昼 夜交通量为1 0 0 0 4 0 0 0 辆； 四级公路一般能适应按各种汽车折合成中型载重汽车的远景设计年限年平均昼 夜交通量为双车道1 5 0 0 辆以下，单车道2 0 0 辆以下。 各个等级分别适应不同的交通量。不同等级的公路在路网中的重要程度是不同 的，并且对抗震的要求也不尽相同。我国交通部部颁标准中的公路工程抗震设计规 范( j t j 0 0 4 - - 8 9 ) 明确规定“在发生与之相当的基本烈度地震影响时，位于一般地 段的高速公路、一级公路工程，经一般整修即可正常使用；位于一般地段的二级公路 工程及位于软弱粘性土层或液化土层上的高速公路、一级公路工程，经短期抢修即可 恢复使用；三、四级公路工程和位于抗震危险地段、软弱粘性土层或液化土层上的二 级公路以及位于抗震危险地段的高速公路、一级公路工程，保证桥梁、隧道及重要的 构造物不发生严重破坏”。 从我国具体情况出发，考虑到公路工程的重要性和抗震救灾作用，本着确保重 点和节约投资的原则，对不同工程给予不同的抗震安全度。按重要性和修复( 抢修) 难易程度，可以把各技术等级公路划分为五个档次： 第一档次为高速公路和一级公路上的抗震重点工程。这类建筑物地震破坏后会 引起严重后果，经济上造成重大损失，国防上也有特别重要的影响； 第二档次为高速公路、一级公路的一般工程和二级公路的抗震重点工程以及二、 三级公路上桥梁的支座。高速公路和一级公路具有特别重要的政治、经济意义，一般 专供汽车分道行驶并全部或部分控制出入，其使用要求、技术标准和交通量都很高， 对抗震设防要求也很高，故要求在一般地段上发生相当地震基本烈度的地震时，基本 表五公路技术等级及计算参数表 t a b 5t e c h n i c a lc l a s s i f i c a t i o np a r a m e t e ro fh i g h w a y 熏要性修正 路线技术等级及构造物计算参数 系数 高速公路和一级公路上的抗震重 1 7l7 点工程 高速公路和一级公路的一般工程1 3l3 二级公路的一般工程、三级公路 上的抗震重点工程、四级公路上 1 010 桥梁的梁端支座 三级公路的一般工程、四级公路 o 66 上的抗震重点工程 四级公路l 公路抗震预案路线抗震重要度分析 不坏或略有损坏，经一般整修即可按原设计标准继续使用。而二级公路上的抗震重点 工程又是抗震救灾上具有与一级公路同等重要的意义。 第三档次为二级公路上的一般工程和三级公路上的抗震重点工程以及四级公路 上的梁端支座、梁端连接、支挡措旋。二级公路是连续重要政治、经济中心或大工矿 区的主要干线公路或运输繁重的城郊公路，不论在平时还是在地震时都具有比较重要 的意义。三级公路上的抗震重点工程( 如特大桥等) ，一旦受震破坏后，后果比较严 重。为充分发挥量大面广的四级公路在公路运输及抗震救灾中的作用，因此规定工程 按基本烈度设计。 第四档次为三级公路的一般工程和四级公路的抗震重点工程。三级公路是沟通 县以上城市、运输任务较大的一般干线公路，在政治、经济、国防和抗震救灾方面都 具有比较重要的意义。四级公路上的个别抗震重点工程( 如联系几个乡镇广大地区的 特大桥和大桥) ，一旦破坏影响较大，可视其重要性和修复难易程度，进行必要的设 防。 第五档为一般四级，是沟通县、乡、村直接为农业运输服务的支线公路，年平均 昼夜交通量一般在2 0 0 辆以下，一般可不进行抗震强度和稳定验算。 我国编制的地震区划图是以概率定量给出设计中的地震荷载，这对工程抗震设 计是非常合适的；另外，我国工程结构设计标准将进入安全度时代，亦要求以作用与 抗力两大部分的概率定量给出结构的可靠性指标。鉴于以上情况， 公路工程抗震 设计规范对技术等级不同、重要性程度不同的工程，以概率统计为基础给出不同的 重要性系数。由于公路抗震预案中抗震重要度分析实际上是在宏观上对公路网的抗震 重要性作分析，而宏观的公路网是由微观的具体工程构成，那么微观工程的重要性系 数与宏观路网、路线的重要性系数必然相关。 以上情况说明，公路的技术等级对路线的抗震重要度也产生一定影响。参照规 范中规定的重要性修正系数，对抗震预案中路线抗震重要度，不同等级公路的技术等 级计算系数可采用表四数值。 2 2 4 路线行政等级 公路按行政等级分为国道、省道、县道、乡道和专用公路五种。 国道是指具有全国性政治、经济意义的主要干线公路，包括重要的国际公路、 国防公路、连接首都与各省、自治区首府和直辖市、各大军区的公路，连接各大经济 中心、港站枢纽、商品生产基地和战略要地的公路。 省道是指具有全省( 自治区、直辖市) 政治、经济意义，连接省内中心城市和 主要经济区的公路，以及不属于国道的省际间重要公路。 县道是指具有全县( 旗、县级市) 政治、经济意义，连接县城和县内主要乡镇、 主要商品生产基地和集散地的公路，以及不属于国道、省道的县际问公路。 乡道是指主要为乡( 镇) 村经济、文化、行政服务的公路，以及不属于县道以 上公路的乡与乡之间及乡与外部联络的公路。 专用公路是指由企业或者其他单位建设、养护、管理，专为本企业或者本单位 提供运输服务的公路。 可以看出，公路的行政等级直接反映出路线两端和途经沿线区域的政治、 经济、文化、军事等重要程度，其重要程度大的，地震预防和地震发生后的抢险救灾 重要程度相应也大，在防震预案中的地位也相对重要。因此，路线的行政等级也间接 1 6 公路抗震预案路线抗震重要度分析 反映了其抗震重要度。本文采用德尔菲专家评判法，经征询有关专家意见，确定不同 行政等级公路的抗震计算参数见表五。 表六公路行政等级及计算参数 行政等级计算参数 国道 8 省道 4 县道 2 乡道 1 专用 1 2 2 5 路段交通量 公路抗震预案是为当破坏性地震发生时，保证公路的正常功能一即保证车辆的 正常通行而准备的方案，其中路线的抗震重要度必然与该路线的交通流量有关，交通 量大的路线，其在公路抗震预案中的重要程度必然也大。前面分析路线技术等级时， 虽也涉及路线的交通量( 公路分级即是根据各级公路适应交通量确定的) ，但技术等 级涉及的交通量是公路的设计远景适应交通量，并不是其真实交通量。这里分为三种 情况，一种是实际交通量的增长尚未达到设计远景适应交通量，一种是由于路网改造 等原因，交通量分流、并流，造成路线交通量明显小于或大于其技术等级所适应的交 通量。如辽宁省境内的国道1 0 2 线( 北京至哈尔滨) ，2 0 0 0 年以前，年平均昼夜交通 量达到6 5 0 0 量至1 2 5 0 0 量，远高于二级公路标准：当沈山高速公路( 沈阳至山海关 段) 开通后，由于过境车辆大部分分流到高速公路，部分路段的年平均昼夜交通量迅 速降为1 0 0 0 辆至4 0 0 0 车辆，仅为三级路标准。因此，评价路线抗震重要度，考虑路 线的技术等级的同时，必须还要考虑路线实际交通量的影响。 上述分析说明，路段抗震重要度可由其两侧连接的节点重要度、路段所在地区 地震烈度、路段本身的技术等级和行政等级交通量等指标所确定，计算路线的抗震重 要度可采用以上几个主要影响因素做为计算指标体系。 2 3 小结 本部分在引入路线抗震重要度的基础上，从节点重要度、地震烈度、路线技术 等级和行政等级、交通量等不同角度，系统分析公路抗震预案方案中确定路线抗震重 要度主要影响因素，建立的路线抗震重要度的评价指标体系，为建立计算路线抗震重 要度的数学模型做好准备。 公路抗震预案路线抗震重要度分析 三、路线抗震重要度的数学模型 3 1 路线抗震重要度模型建立 公路网中路线抗震重要度的确定是公路抗震预案工作的重要环节之一，科学、 合理的确定路线抗震重要度可以充分揭示抗震预案的特征和全貌，对其适用性及使用 效能做出系统全面的判断、发现本质问题，并为公路网抗震提供客观依据及目标途径。 在对路线抗震重要度进行评价确定时，由于指标众多且各项指标均从不同侧面反映了 路线抗震重要度的各种状况，并且彼此之间具有一定的相关性，这使得路线抗震重要 度指标在一定程度上反映的信息量有所重叠，从而导致难以确定哪种确定方法最优。 目前常用的路线抗震重要度确定评价方法基本上是以单项指标( 指规范中的抗震烈 度) 或经验评价来比较判定，但前者方法过于简单，难免以偏概全，具有一定的片面 性：后者受人为影响较大，决策者的主观偏好往往左右评价结果，具有较强的主观