（交通运输规划与管理专业论文）城市道路交通系统抗震可靠性研究及应用.pdf

福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 城市道路交通系统抗震可靠性研究及应用 摘要：地震作为一种主要的灾害，造成城市功能的瘫痪和人民生命财产的损失。城市道 路交通系统是城市抗震系统的重要组成部分，它既是物资运输的通道，又是震时人员疏 散、派遣营救人员的通道，是生死攸关的抗震救灾生命线。随着城市化进程的加快以及 城市规模的不断扩大，道路交通系统抗震可靠性研究尤为重要。 论文运用生命线地震工程、防震减灾工程等研究成果，分析了影响交通系统连通可 靠性的主要因素；在借鉴网络可靠性评价方法的基础上，给出了交通系统组件和交通路 网连通可靠度的计算方法，建立了城市交通系统的抗震可靠性模型。通过灵敏度和概率 重要度计算找出道路的薄弱环节，进而为改善交通系统抗震性能提供依据。 道路交通系统抗震性能决定了应急救援的效率。物资供应、医疗救护等救援活动开 展都依赖于可靠的运输路线，论文以可靠性和效率性为主要考虑因素，采用k 条最短路 径算法求解震后应急救援路径。 破坏性的地震发生后，救援车辆应迅速到达灾区，除依靠高时效的救灾路径外，需 配合有力的交通管制。论文将道路交通系统的抗震可靠性理论运用到地震交通应急管制 中，该研究成果为采取紧急救灾措施和抗震防灾规划提供了依据。 在理论探讨和方法构建的基础上，论文将交通抗震可靠性评估应用于福州市道路交 通系统，建立了福州市二环内主干道交通系统网络图，通过实地调查，完善基础数据， 完成道路交通系统的抗震可靠性分析、应急救援路径的选择和交通应急管制措施。 关键词：城市地震灾害、组件可靠度、交通系统可靠度、应急救援路径、应急交通管制 中图分类号：u 4 9 1文献标识码：a 城市道路交通系统抗震可靠性研究及应用 r e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n o ns e i s m i cr e l i a b i l i t yf o ru r b a n t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m a b s t r a c t ：e a r t h q u a k e ，a sa m a i nd i s a s t e r ，i t so c c u r r i n ga l w a y sl e a d st of u n c t i o n a lp a r a l y s i so f u r b a na n d l o s s e so fl i f ea n dp r o p e r t y t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi st h em a i nc o m p o n e n tf o rr e l i e v i n gv i c t i m sf r o ma d i s a s t e r ，i ti st h em a i np a s s a g e w a yf o rt r a n s p o r t i n gm a t e r i a l s ，e v a c u a t i n gp e o p l ea n dd i s p a t c h i n gr e s c u e p e r s o n n e l a l o n gw i t ht h er a p i du r b a n i z a t i o na n df a s te x p a n s i o no fu r b a ns i z e ，t h es t u d yo ns e i s m i c r e l i a b i l i t yo ft r a n s p o r t a f i o ns y s t e mi sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t u s i n gs t u d i e da c h i e v e m e n t so fl i f e l i n ee a r t h q u a k ee n g i n e e r i n ga n dd i s a s t e rp r e v e n t i o na n dm i t i g a t i o n e n g i n e e r i n g ，f a c t o r si n f l u e n c i n gs e i s m i cr e l i a b i l i t yo fu r b a nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mw a sa n a l y z e di nt h i s p a p e r b a s e do i lt h ee v a l u a t i n gm e t h o d so fr e l i a b i l i t y , t w ol e v e l so fn e t w o r ke v a l u a t i o ni n c l u d i n g t h e e v a l u a t i o no fi n d i v i d u a lr o a d sa n dn e t w o r ks y s t e m sw e r ec o n s i d e r e di nt h es t u d y , a n dt h e r e f o r et h es e i s m i c r e l i a b i l i t ym o d e lw h i c hi ss u i t a b l ef o ru r b a nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mw a sb u i l tu p s e i s m i cp e r f o r m a n c eo f t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mw i l lb ei m p r o v e dt h r o u g ht h ew e a kl i n k sf i n d i n gi nt h ee a r t h q u a k ed i s a s t e rb y s e n s i t i v i t ya n dp r o b a b i l i t ya n a l y s i s t h ee m e r g e n c yr e s c u ee f f i c i e n c yr e l i e so nt h ea n t i - e a r t h q u a k ep e r f o r m a n c eo ft r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s o m ee m e r g e n c yr e s c u i n ga c t i o n s ，s u c ha sm a t e r i a ls u p p l ya n d m e d i c a lt r e a t m e n t s ，d e p e n do nt h e e m e r g e n c yr e s c u i n gp a t h s c o n s i d e r i n gt h ea c c e s sr e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo fr o a d s ，ks h o r t e s tp a t h s a l g o r i t h mi se m p l o y e dt os o l v et h eo p t i m a lr o u t i n gp r o b l e mo f e m e r g e n c yr e s c u ea f t e re a r t h q u a k e a f t e rad i s a s t e r ，r e s c u et e a m sa n ds u p p l i e ss h o u l db et r a n s p o r t e dt ot h ea f f e c t e da r e aa ss o o na s p o s s i b l e t oa c h i e v et h i sg o a l ，i td o e sn o to n l yd e p e n do naw e l l p l a n n e dr e s c u i n gp a t h ，b u ta l s os o m e e f f e c t i v et r a f f i cc o n t r o lm e a s u r e s m e t h o d so fs e i s m i cr e l i a b i l i t yt oe m e r g e n c yt r a f f i cc o n t r o lw e r ef n s t l y a p p l i e di nt h i st h ep a p e ra n dt h es t u d i e da c h i e v e m e n t so f f e r e dad e c i s i o nb a s i sw h e na d o p t i n gu r g e n tr e l i e f m e a s u r e sa n ds e i s m i cd i s a s t e rp r e v e n t i o np l a n s b a s e do nt h et h e o r yd i s c u s s i o na n dm e t h o d o l o g yd e s i g n i n g ，e v a l u a t i n gm e t h o d sw e r ea p p l i e dt o f u z h o uc i t y sm a i nr o a dn e t w o r k sa n dt h et r a n s p o r t a t i o ns y s t e mn e t w o r kc h a r to ff u z h o uw a sb u i l t a n a l y s i so nt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mr e l i a b i l i t y 、c h o i c e st oo p t i m a le m e r g e n c y r e s c u ep a t h sa n dm a n a g e m e n t o ne m e r g e n c yt r a f f i cc o n t r o lw e r ec a r r i e do u ta f t e ra d o p t i n go n - s i t ei n s p e c t i o na n dp e r f e c t i n gf o u n d a t i o n d a t a 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 k e yw o r d s ：u r b a ne a r t h q u a k ed i s a s t e r 、t h ea c c e s sr e l i a b i l i t yo f r o a d 、t r a n s p o r t a t i o ns y s t e mr e l i a b i l i t y 、 e m e r g e n c y r e s c u ep a t h 、e m e r g e n c yt r a f f i cc o n t r o l c l cn u m b e r ：u 4 9 1d o c u m e n tc o d e ：a i l l 独创性声明 本人声明，所呈交的学位( 毕业) 论文，是本人在指导教师的指导下独立完成的研究 成果，并且是自己撰写的。尽我所知，除了文中作了标注和致谢中已作了答谢的地方外， 论文中不包含其他人发表或撰写过的研究成果。与我一同对本研究做出贡献的同志，都 在论文中作了明确的说明并表示了谢意，如被查有侵犯他人知识产权的行为，由本人承 担应有的责任。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 论文使用授权的说明 本人完全了解福建农林大学有关保留、 交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅， 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 学位( 毕业) 论文作者亲笔签名： 指剥僦躲覆 嗡砷、 使用学位( 毕业) 论文的规定，即学校有权送 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 保密，在年后解密可适用本授权书 口 不保密，本论文属于不保密一 乡 哆 卜 ， 钾7 加， 如 期 期 日 日 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 1 绪论 1 1选题背景 中国处于环太平洋地震带和喜马拉雅山地震带之间，是遭受地震灾害最为严重的国 家之一，地震烈度达6 度至9 度的地震区占国土面积的6 0 ，2 3 个省会城市和2 3 人口 达百万以上的大城市位于地震烈度7 度以上的高危险区 1 1 。 1 9 7 6 年，唐山市遭遇到突如其来的7 8 级地震，震源深度1 1 公里，极震区烈度为 1 1 度，顷刻间整座城市化为一片废墟，死亡人数达2 4 万，经济损失超百亿元。 1 9 9 5 年，在日本兵库县南部强烈地震中，由于道路破坏消防车无法进入火灾现场， 造成许多被埋在楼房瓦砾中的灾民丧失宝贵生命。 1 9 9 9 年，台湾“9 2 1 ”7 6 级地震，南投灾区因交通系统与通讯中断而形成孤立小岛， 灾情无法外传，救援人员、机械设备也无法进入灾区，造成严重伤亡损失。 2 0 0 8 年，“5 1 2 ”汶川8 0 级特大地震在救灾过程中再次显示了道路交通运输系统在 国家生命线工程基础设施中处于“生命线中的生命线”地位，天灾对道路交通运输系统的 抗灾应急能力提出了巨大挑战。 而1 9 9 1 年美国洛杉矶地震，由于政府反应迅速、决策正确，有效地降低了地震造 成的损失。美国政府得益于功能强大的灾时应急系统和完善的灾前预案工作，其中紧急 交通控制与管理、交通信息系统，对预防和消除交通拥堵，特别是对保证救灾通道的畅 通，起到了十分重要的作用。 这些地震灾害引起了人们对交通系统可靠性的重视。遇到灾害时，人们最关心的是 是否能够抵达目的地，即路网连通性，它是路网可靠性研究的基础。发生自然灾害时， 不可靠的交通系统不仅会阻碍该区域的修复过程，而且会导致更多的间接损失。如何保 证交通系统在某些路段遭受意外破坏下仍能够正常运行的难题需要迫切解决。 1 2 研究目的和意义 城市是人口与经济活动高度聚集的地区。交通系统是城市防灾救灾的生命线，是物 资运输的通道，又是震害发生时人员疏散、派遣营救人员及工程队伍和运送救灾物资的 路线。地震灾害发生除了交通系统中各结构设施造成了严重的破坏以及人员伤亡、经济 损失外，还会因为车辆停滞和道路中断给派遣营救人员、运送救灾物资以及工程队伍抢 城市道路交通系统抗震可靠性研究及应用 修其他生命线造成困难，从而引起更大的间接损失。 强烈地震会使受灾城市交通系统受到严重破坏。路面喷砂冒水、桥梁损坏、街道路 基路面断裂、道路被两侧建筑坍塌而产生的瓦砾阻塞而无法通行，以及次生灾害蔓延造 成阻隔等诸多因素造成交通瘫痪，给抢险救灾工作带来极大的困难。研究城市交通网络 震害特点及连通可靠性，找出网络系统存在的薄弱环节，对于指导震害预测、抗震设计、 灾场的控制和降低震害损失是至关重要。 我国大中城市路网普遍缺乏冗余容量，加之应急交通管理措施不力，造成了路网运 行可靠性及应变能力下降，采取有效措施防止并及时弥补路网的缺陷，减少灾害发生引 起的损失，有效地发掘路网潜力，提高交通系统对突发灾害的免疫力，减少地震造成的 大面积交通堵塞，具有重大的社会意义和经济意义。 1 3 城市道路交通系统可靠性研究现状 1 3 1国外研究现状 近三十年来，在世界范围内，尤其是美国、日本、欧洲等发达西方国家，对交通系 统抗震可靠性研究与日俱增，生命线工程研究取得了一系列的重要进展。以道路交通系 统抗震可靠性为例，主要在大型复杂道路交通网可靠性分析方面取得重要进展。以此为 基础，将研究触角延伸到网络抗灾可靠性优化领域，从而实现工程系统层面的优化设计； 提高生命线工程网络的抗震能力，研究生命线工程网络的抗震可靠度分析方、法【2 1 。近十 年来，将可靠性应用在交通系统逐渐成为运输管理理论及实践研究的一个崭新热点。 连通可靠度最早是由日本的m i n ea n dk a w a i 在1 9 8 2 年提出，饭田恭敬等人在此 基础上做了进一步的研究【3 训。它反映交通网络节点两两间保持连通的概率。连通可靠度 求解过程中，一般研究路段或结点的o 、1 两种状态，即具有通行能力为零或最大通行 能力。当路段通行能力为零时，表示路段不连通：反之，则连通。连通可靠性反映了网 络o d 点的拓扑可及性以及连通的可能性。这一定义开创了在地震灾害等非常态下交通 系统可靠度的先河。当地震等灾害发生的极端条件下的路网运行状态，其评价还是可以 满足基本精度要求。1 9 8 9 年t i d a 和w a k a y a b a s h i 研究了路网的连通性，并通过寻找第 k 条最短路径研究网络的连通可靠性及其解法【5 1 。1 9 9 6 年，日本黑田胜彦对神户地震后 交通设施的受灾状况以及其对交通运输设施( 铁路、公路、港口) 产生的影响做了详细的 分析研究，并提出了如何建立抗灾能力更强的交通体系【6 1 。1 9 9 7 年，d u 和n i c h o l s o n 等 研究低劣天气条件下的交通系统，建立了受损交通系统可靠度分析的理论框架，提出了 2 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 受损交通系统的综合均衡计算模型。该模型在灾时交通系统分析基础上，根据交通供给 和交通需求之间的关系，考虑了交通需求弹性变化的特性和灾害发生的不同等级，提出 了因灾害造成的交通系统受损带来的社会经济影响的评价方法。近年来又提出并发展了 以某一规定的时间达到目的地的可靠性，即行程时间的可靠性以及满足一定交通需求， 用来衡量路网能力发挥的通行能力可靠性等【7 趣】1 9 9 9 年，s t e p h a n i ee c h a n g 和 n o b u o t on o j i m a 共同提出了灾后交通系统整体功能评估方法，根据交通网络的覆盖率 以及交通可达性来评估系统功能，并把这种方法运用于遭受1 9 9 5 年日本h y o g o k e n - n a n b u 地震破坏的神户地区的大城市铁路和高速公路交通系统，结果与当年震后的情况大 体一致【9 】。2 0 0 2 年，s m e n o n i 等人建立了生命线地震脆弱可靠性评估模型，此模型考虑 到了各种生命线的紧密结构、功能、组织等因素间的联系。该评估模型包括了描述震后 生命线响应能力的一系列参数【l o 】。2 0 0 2 年，b e l a n ds c h m o c k e r 研究了环型、放射型等 不同路网连通可靠性，同时还能判断交通系统的关键节点【i i 】。2 0 0 3 年，m a s a n o b us h i n o z u k a 等人研究震后高速公路交通系统整体功能的评估方法，并将震后交通情况进行可 视化显示【1 2 1 。 1 3 2 国内研究现状 国内对道路抗震可靠度的研究起步比较晚，随着人们对城市交通问题认识的加深， 出行者对交通抵抗风险要求不断提升，系统可靠性分析在交通系统抗灾害研究应用日益 加强。目前国内的北京工业大学、北京交通大学、东南大学、上海交通大学、同济大学、 大连理工大学等几所高校在此方面取得了一定成果。 同济大学的李杰等对城市交通系统等各种生命线震害进行了系统研究【1 3 1 4 】。燕山大 学的王海超等运用模糊网络随机分析理论，给出了震时路段容量估计办可行最大量的估 计方法，并运用神经网络b p 算法对城市公路进行震害预测研究【1 5 ，1 6 】。郑州工学院赵国 兴等人通过对城市交通系统震害预测方法的研究及实例分析，提出了道路富裕宽度及标 准长度的概念，制定了根据路长修正城市道路瓦砾阻塞量界限值的方案，并研究了交通 系统连通性的模拟方法【1 7 ，1 8 】。大连理工大学的柳春光等人开展了城市交通网络的可靠性 分析，即评估城市交通系统在震后的破坏情况，为震后救护队的最佳选址以及需要改建， 加固的路段等的确定提供参考。在进行震后交通系统震害预测时，考虑到了桥梁的毁坏 及建筑物倒塌散布的瓦砾造成的道路阻塞【1 9 , 2 0 】。同济大学的何军等研究了生命线工程系 统抗震可靠性常规算法的适用性，定义了算法的时间复杂性和结构复杂性，分析了使可 城市道路交通系统抗震可靠性研究及应用 行算法失效的原因，提出了优先降低结构复杂性的简化原则【2 。同济大学的江建华利用 地理信息系统( g i s ) 强大的空间管理分析功能，分析了上海市交通系统抗震可靠度分析 【2 2 】。上海交通大学的侯立文在分析路网可靠性和服务水平关系的基础上对城市道路网进 行了可靠性研究，在建立可靠性指标的基础上，利用m a t l a b 语言作为建模和仿真的工 作，对给定网络进行仿真研究，为出行决策提供了依据，为网络优化提供了思路2 3 , 2 4 。 2 0 0 3 年北京工业大学陈艳艳等人借鉴可靠度理论，通过震后交通需求及道路震后通行能 力的随机性分析并考虑灾后不同阶段的交通供需特性，分析交通系统震后阻塞发生的概 率及预测引发损失【2 5 1 。 此外，台湾地区对交通系统震害研究较为重视，特别是在1 9 9 9 年“9 2 1 ”地震后，投 入相当多的研究到相关议题的讨论。 1 9 9 7 年，魏伟杰利用扩张可靠度评估架构对串联系统的算法，发展出模糊可靠度系 统，以过滤出受控制系统具有显著意义，避免反复微调控制所造成的巨额成本【2 6 1 。在对 总体生产规划的模拟实验中，模糊可靠度系统不但发挥了减少劳动力变动的作用、提供 管理者弹性的决策空间，也增加了模糊控制在类似问题上的应用弹性。2 0 0 0 年，王清正、 王韫清指出由于防灾运输路网需要计算其可靠性，因此其利用布尔代数符号运算法，来 评估节点与节点之间之网络可靠度的演算公式【2 7 1 。2 0 0 0 年，王保丹根据具有三角模糊 数的z a d e h 扩展原理，将探讨模糊状态结构函数和它的可能性可靠度，并提出具有三角 模糊数的共生系统和它们的串并联模糊可靠度系统。另外，该研究也建立串并联模糊系 统的的可能性可靠度函数及其特性【2 8 】。2 0 0 0 年，郭儒洋发展模糊网图可靠度评估模式， 结合模糊集合与可靠度理论，以解决资料不易获得，再运用网图评核术( g e i 玎) 处理复杂 的可靠度回路问题，以求得整个系统或某路段的模糊可靠度【2 9 】。2 0 0 1 年，许添本、江 文声指出道路使用者在选择路径时，不仅关心旅行时间的长短，同时也在乎是否能够及 时到达目的地可靠度【3 0 】。2 0 0 4 年，冯正民等人利用系统可靠度概念，分析乘客对于行 车延误的容忍程度。以乘客角度来作分析，将有助于改善地铁行车控制及管理的基础。 因此，该研究利用可靠度工程评估方法，以可靠度作为进行路径选择时的依据，在求解 方面构建双目标算法，此算法可同时求解最短路径及最可靠路径，并解决k 条路径算法 求解时间过长的问题【3 。 4 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 1 4 论文框架 本文共有七章，主要研究的内容及章节安排如下： 第一章，绪论。从我国城市抗震防灾基础性研究的重要性和必要性出发，结合我国 城市道路交通系统的实际情况，阐述了国内外城市交通道路系统抗震可靠性研究现状。 第二章，城市交通网络抗震可靠性分析基本框架。本章首先介绍了可靠性等其相关 知识；阐述了城市道路交通系统震害特征，并从城市道路供给、交通需求、网络拓扑结 构三个方面讨论了城市交通网络抗震可靠性的影响因素。 第三章，城市道路交通系统抗震可靠性模型的建立。探讨了现有的路段和交通网络 抗震可靠性评估模型，建立交通系统可靠性模型；通过城市道路交通网抗震敏感度和单 元重要度两个方面找出其在地震灾害中的薄弱环节。 第四章，考虑可靠性和时效性因素的救灾路径选择模型。该模型建立可靠性和时效 性的基础上，研究了震后救援物资的运输和受伤人员的救护运输路径模型。 第五章，制定了基于可靠性的灾时交通应急交通组织策略。结合城市道路交通系统 震时应急交通流的特点，探讨了在不同震级下应急交通组织方法，研究制定应急交通疏 散、救援组织等交通应急管理措施。 第六章，以福州市为例。在理论探讨和算法构建的基础上，本章节将交通系统抗震 性能评价方法应用于福州道路交通系统。 第七章，总结研究工作。总结论文的主要结论和需要进一步解决的问题。 城市道路交通系统抗震可靠性研究及应用 2 城市道路交通系统的抗震可靠性分析基础 2 1网络可靠性的分析基本概念 2 1 1 可靠性的基本概念 在技术词典中“可靠性”指的是“产品在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的 可能性，并用概率表示，【3 2 】。这个定义包含了五个方面的内容：对象、条件、时间、功 能和能力。将此定义内涵移置到网络系统中，网络系统的可靠性就意味着网络系统在规 定条件下和规定时间里完成所规定功能的可能性。这就表示在一定的限制条件下，系统 达到一定目标的可能性越大，系统的可靠性就越大，反之则越小。城市道路交通系统抗 震可靠性反映道路交通系统在地震发生时以及震后一段时间内完成特定任务的抗震能 力，这种预定能力用概率的形式表示。 2 1 2 可靠性模型 2 1 2 1简单可靠性模型 简单可靠性模型主要有：串联系统模型、并联系统模型以及由串联和并联系统组成 的复合系统模型。简单的可靠度计算是交通系统抗震可靠度分析的基础。 ( 1 ) 串联系统模型【3 3 】 若系统中只要有一个单元故障，那么这个系统就故障，这样的系统叫做串联系统。 可靠性框图如图2 1 。 图2 - 1 串联模型 f i 9 2 1 s e r i e sm o d e l 若单元的间相互独立，数学模型为： r ，( f ) = 兀r ( f ) ( 2 1 ) i = 1 式中 足( f ) 一表示系统可靠度；r ( f ) 一第f 个单元可靠度；阼一单元数目； ( 2 ) 并联系统模型【3 3 】 若系统由刀个子系统组成，只要有一个子系统正常工作时，则系统正常工作，当系 统故障时，必定是以个子系统全部故障，这时称系统是由刀个子系统构成的可靠性并联系 6 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 统，其可靠性框图如图2 2 所示。 数学模型： 图2 - 2 并联模型 f i 醇- 2p a r a l l e lm o d e l & ( t ) - - 1 一兀 1 - r ，( f ) 】 f l i ( 2 - 2 ) 式中 r ( f ) 一表示系统可靠度；r ( f ) 笫f 个单元可靠度；刀一单元数目； ( 3 ) 复合系统模型【3 3 】 有些系统总体上是串联系统，但它的子系统是并联系统称作串并联模型( 如图2 3 ) ； 有些系统总体上是并联系统，但它的子系统是串联系统称作并串联模型( 如图2 4 ) 。 5 ll l 34i i llil l 6 2 ll 一 1 7 l f i 9 2 3s e r i e s - p a r a l l e lm o d e l 1 h 2 r 1 3 r - ll 4 56 图2 _ 4 并串联模型 f i 9 2 - 4 p a r a l l e l s e r i e sm o d e l 在计算这类系统可靠度时，先判断子系统的类型，计算其可靠度，再把每个子系统 当作一个单元，再分析整个系统的可靠性。这属于两个层次的分析，必要时要进行多层 7 城市道路交通系统抗震可靠性研究及应用 次的分析。 2 1 2 2 复杂可靠性模型 网络系统的可靠性分析方法，目前有解析法和模拟法两大类。解析方法主要有状态 枚举法、概率图法、布尔定理展开法、最小路集分析法、最小割集分析法、全概率分解 法等。解析法主要使用的是最小路集法。最小路集法求解复杂系统可靠性的思路，即是 找出节点间的所有最小路集，从而可求解系统可靠性，这种方法已经在工程实际中得到 了广泛的应用 3 4 , 3 5 1 。 计算机模拟方法常用的是蒙特卡洛法( m o n t ec a r l o ) 。它属于统计试验方法，易被工 程技术人员掌握和理解，能够处理比较复杂的因素。经过长期的研究与实践，人们在肯 定其对于复杂网络的普遍适用性的同时，也发现这一方法存在若干不容忽视的弱点。主 要包括：对于城市交通系统，使用m o n t ec a r l o 法得到可靠性指标的无偏估计，采样巨 大，计算效率不高，精度不易估计：不适合分析网络系统的单元重要度，因此难以利用 它进行系就网络可靠度分析的【3 5 3 引。 2 2 城市道路交通系统抗震特征 地震灾害影响城市交通系统可靠性的各种因素之间是相互联系的，常具有伴生、因 果等关系。其影响结果首先表现为路网两种基本组件，路段和交叉口的功能失效或通行 能力下降，最终通过路网的交通供需矛盾反映出来【3 9 1 。道路网络可靠性影响因素的发生 规律各不相同，导致路网不可靠的作用机理也不尽一致。 ( 1 ) 复杂性 城市道路交通系统地震灾变具有很强的复杂性。它与电力、通讯、供水管道等其它 城市生命线系统密切相关，不仅其本系统容易破坏，并由此引发的二次灾害，如火灾的 发生、危险物的爆炸、有毒气体的扩散等，对城市以及城市居民产生更加严重的危害。 因此交通抗震问题必须采定性到定量的方法，研究灾变城市交通系统在不同层次上的结 构，灾变事件与城市交通系统的相互作用和由此而产生的可靠性等问题，探究其发生、 变化与适应的规律和原因，揭示整体演化机理，预测未来可能变化，为建立具有稳定性 和鲁棒性功能的灾变城市交通系统规划、管理与控制的决策理论与相应方案等理清思 路【4 0 , 4 1 】。 ( 2 ) 随机性 地震灾害发生是随机的，道路供给及交通需求在震时将发生重大变化。由于地震发 8 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 生规模不确定，致使未来路网供给能力具有很强的随机性，而灾后及突发事件发生后交 通需求异常变化，加之车辆盲目流动，交通需求的变化也具有很强的随机性。供需的随 机性导致了路网运行状态也具有很强的随机性和不确定性。研究灾变事件的分布规律及 其发生机理、研究城市交通系统抗灾建设的投入与产出，为城市交通系统抗灾决策提供 有力的理论支撑。 ( 3 ) 时效性 地震一旦发生，要求城市交通系统对灾变救援做出快速反应，瞬时时效要求极高。 需要定量评价城市交通系统在每一阶段的抗灾变性能，更需要建立城市交通系统抗灾变 性能的长期监测体系，研究城市关键的交通基础设施可靠性的长期衰变规律，科学制定 城市交通系统抗灾变性能的维护策略，尽量减少灾害对城市交通运输系统的影响，进而 减少人员伤亡和经济损失。 ( 4 ) 综合性 由于城市道路交通系统本身涉及面广，不但有技术因素，即工程措施和管理方案， 还涉及到社会、政治、经济等社会因素，抗震救援工作要求具备强有力的组织领导和各 部门综合协调增强城市交通系统的抗震性能。 2 3 城市道路交通系统抗震可靠度影响因素 2 3 1 城市道路交通系统组件抗震影响因素 2 3 1 1不包含桥梁路段可靠性影响因素 强烈地震造成受灾城市区域内交通系统严重破坏。路面喷砂冒水、桥梁损坏、街道 路基路面断裂、道路被两侧建筑坍塌的瓦砾阻塞而无法通行，以及次生灾害蔓延造成阻 隔等诸多因素的影响会使交通运输瘫痪，给抢险救灾工作带来极大的困难。 1 ) 路段的可靠性 路段作为城市道路网络的组件之一，具有连通状态、通行能力和通行方向三项基本 属性。路段不可靠是指由于路段的这三种属性的突变，使其满足不了出行者的通行要求。 ( 1 ) 道路本体受损 地震灾害引起路面开裂、滑坡现象、路基坍塌和泥石阻断等，导致路段不连通。不 同道路的宽度、表层土、下层土、冲击厚度、路基情况确定其可靠度【4 2 1 。对于城市道路， 考虑到城市道路的路基一般较好，历史震害经验表明其结构破坏较城市外部公路居次要 地位且轻微【4 3 1 。因此在文本的研究中，暂不考虑道路本身震害的影响。 9 城市道路交通系统抗震可靠性研究及应用 ( 2 ) 道路沿线建筑物 历史地震灾害表明城市道路自身结构破坏的概率远小于周围建筑物倒塌影响下道 路的通行概率【1 8 】。周围建筑物倒塌影响下的通行概率即为整个路段通行概率，这是城市 道路交通系统震后可靠性最主要的影响因素。城市道路两边分布着高低不同、各种不同 结构的建筑物，建筑物的新旧程度、结构抗震能力存在巨大差异性，有些建筑易被破坏 甚至倒塌，由此产生的瓦砾堆积会使道路的面积减小，甚至完全堵塞，从而影响道路的 连通性，特别是一些老城区，房屋老损，抗震能力差，给震后人群疏散和救援伤员带来 极大的困难。 ( 3 ) 其他因素 道路的关闭受到其他生命线工程的影响。如：自来水管线断裂导致道路关闭；天然 气管线断裂导致道路关闭；有害物质外泄断裂所导致道路关闭；水坝破坏引起的水灾等 导致道路关闭。 2 ) 交叉口的可靠性 交叉口作为城市道路网络的转向组件，具有通行能力和转向自由度两种基本功能。 交叉口转向功能是由进口车道和出v i 车道的衔接来实现的。地震灾害引起交叉v i 的某一 方向或几个方向进口或出口阻塞，车辆在交叉口的转向自由度减小，某些转向行为不能 实现；如果自然因素作用强度稍小，引起的是某一方向或几个方向进口车道或出口车道 的数量减少或宽度变窄，则会导致交叉v i 通行能力减小【4 4 1 ，交叉1 ：3 可靠性在地震发生时 大大降低 2 3 1 2包含桥梁的路段可靠性分析 桥梁是城市道路交通系统的重要工程结构，是道路畅通的关键组件之一。一旦桥梁 严重破坏，整个路段甚至较大范围的城市内交通网络都将处于瘫痪状态。地震对桥梁的 破坏取决于地震破坏力、桥梁的结构以及地基土的性质。按其功能划分，城市桥梁主要 分为人行桥、高架桥、立交桥、运河桥四大类型。城市高架桥是城市道路系统震害的主 要组成，近年高架桥的抗震研究成了热点议题。由于高架桥桥墩随地形或跨越需要而高 低不等，空间复杂，高架桥结构可靠性计算有一定的复杂性，但对群体桥梁而言，可以 考虑统计分析法【4 4 1 。 包含桥梁的路段相当于路段单元和桥梁单元的串联。路段上桥梁、路口立交桥等抗 震可靠度近似作为这个路段和路口的可靠度，路段或桥梁其中之一破坏则这个路段就破 坏【4 2 1 。 1 0 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 2 3 2 城市道路交通系统抗震影响因素 2 3 2 1交通需求的不确定性 城市道路交通系统中基本组件( 路段和交叉口) 的可靠性下降，最终通过路网供需矛 盾反映出来。城市的交通供给有限，交通需求的机理又是个人的出行决定的，它是出行 者随机产生的，特别是发生地震后，它随着居民的出行目的、路径选择、交通方式、交 通吸引等因素改变而发生剧烈变化。 地震发生后，人们出行的目的发生了重大的改变。上班、上学的交通出行有较大的 降低，而一些公园、仓储用地等抗震救灾紧密相关的地块吸引和生成交通量急剧增长， 引起了交通出行和吸引发生了异常变化。 在地震的初期，由于交通管制和出行者对安全的考虑等因素，交通方式有重大的转 变。由于道路破坏、交通管制等特殊性，私人车辆大幅度减少，基于步行、自行车和路 面公交、医疗救援车辆和救援物资车辆等应急车辆组合将是震后的主要出行方式。 由于震后交通需求与日常交通运输迥异，因此在某个时刻或某个地点出现交通需求 大于交通供给的情况概率大大增加，导致局部道路发生阻塞，降低整个道路网络的通行 能力，在一点上的交通堵塞会很快扩展到整个路网，系统可靠性就大大降低。 2 3 2 2 路网拓扑结构 城市路网拓扑结构是对路网规模的总体描述，城市道路网络形成了不同结构布局模 式。道路网路空间布局的好坏及是否合理，直接影响城市的运输效率和抗震能力。 典型的城市道路网络布局有方格网形( 棋盘形) 、带形、自由形、放射环形、混合式 路网等【4 5 1 。路网的基本拓扑结构一般是历史遗留下来的，我国城市道路网以方格状最常 见。近现代城市发展了许多其他形式的道路网格局。目前，城市道路网也许可完全满足 日常的交通需求，但发生地震等特殊情况下，随着整个交通系统特征的改变，路网拓扑 结构就可能不再适应交通需求，从而降低了区域路网可靠性【矧。 2 4 小结 以上部分从城市道路供给、路网拓扑结构和交通需求三个层次来分析讨论影响城市 路网可靠性的关键因素，它们不仅构成了路网可靠性的评价基准，同时为改进震后路网 指标体系、路网可靠性评估方法、制定交通管理抗灾预案提供了依据，如图2 5 所示。 城市道路交通系统抗震可靠性研究及应用 图2 5 城市道路交通系统抗震可靠度影响因素 f i 9 2 5i n f l u e n c i n gf a c t o r so fu r b a n t r a n s p o r t a t i o ns y s t e ms c i s m i cr e l i a b i l i t y 1 2 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 3 城市道路交通系统抗震可靠性 3 1城市道路交通系统组件抗震可靠性评估 3 1 1 路段可靠性评估 道路瓦砾阻塞量主要由沿街建筑高度、抗震能力、结构形式等条件决定，国内外地 震工程界分别提出建筑类型震后瓦砾分布模型：多层砖房、框架房( 包括底层框架结构、 多层框架结构和高层框架结构) 、平房【彻。沿街有大量的围墙可将其归入平房类。建筑 物倒塌的主要原因有结构丧失整体性、建筑物地基失效、承重结构强度不足、由于变形 过大导致非结构性破坏。倒塌的形式主要有：整体坍塌、局部倒塌、外墙甩出、整体倒 塌、整体倾倒、有薄弱层的框架的坐落、框架的蛋糕式坐落等 4 7 , 4 8 】。 3 1 1 1 某类型建筑物瓦砾产生面积百分比【4 9 】 纺2 口弓- i - 印_ ， ( 3 - 1 ) 式中 吩一某类型建筑物瓦砾产生面积百分比； e 一某类型建筑物严重破坏面积百分比； d ，一某种建筑物倒塌面积百分比； 口，一系数；历史震害调查表明：一般情况下，建筑物严重破坏或倒塌时，才产 生阻塞瓦砾，根据经验取值分别为o 5 和l 。 3 1 1 2 某类建筑物瓦砾阻塞量的计算 通过上述三种主要沿街各种建筑类型倒塌模型的分析计算，得出以下结论：各种房 屋倒塌后的瓦砾堆分布范围，一般不超过其高度的一半。国内外地震界出于保守估计， 统一各种房屋的瓦砾堆分布范围取值其建筑高度的2 3 ，计算时假设为均匀分布【1 9 】。沿 街建筑的一层( 商铺) 高度取为3 6 m ，平房、多层砖房及框架房屋层高取为3 0 m 。 q ，= 雩柴a j ( 3 - 2 ) 7 ( 2 3 ) 月， 式中q j 一某类建筑瓦砾阻塞量，单位是m 3 ； 日j 一某类建筑的高度； a ；某类建筑类型同标高的层面积； 城市道路交通系统抗震可靠性研究及应用 一道路一侧建筑物距车行道的距离； 有两种特殊情况需要考虑。其一，当沿街建筑的长轴与街道垂直时，可按实际情况， 将建筑面积乘以o 2 0 4 折算系数后，并计入彳，：其二，当路段上有大段的围墙时，可 将围墙长度乘以0 5 ，折算成“等效平房面积【5 0 1 ，然后归入平房面积中计算。最后得到 震后路段总瓦砾阻塞量q ： q = q ， ( 3 3 ) 一 、 3 1 1 3 路段瓦砾阻塞量界值 如果瓦砾散落到车行道内，也不一定完全堵塞道路。如果将道路整个宽度考虑在内 的话，可以通过概率的值来较为准确的反应堵塞情况。所以引入了道路有效宽度w r ， 主要由道路一侧建筑物到车行道距离w l 和车行道宽度w 2 组成川。 其计算公式如下： w r = 2 w l + w 2 ( 3 - 4 ) 式中 w l 一道路一侧建筑物距车行道的距离； w ，行车道宽度； 一道路的有效宽度； 瓦砾阻塞量界值q 。与车辆的越障能力及清除障碍的难易程度等因素有关。根据历 史震害资料，就目前车辆的越障能力和清障机械的效率而言，对于路长4 0 0 1 2 0 0 m ，道 路有效宽度为2 5 m 情形( 其中道路车行道宽度为1 5 m ，建筑物到车行道距离为5 m ) ，当 瓦砾总量超过5 0 0 0 m 3 时，道路就几乎丧失了供车辆通行的功能。考虑瓦砾分布密度的 影响，将8 0 0 m 作为基准路长厶，道路有效宽度为2 5 m 作为基准宽度，取瓦砾阻塞量界 值q 取为5 0 0 0m 3 ，计算具体路段瓦砾阻塞界限值【1 8 4 4 1 。 q 。：q o _ c l 一, , , , w o r ( 3 - 5 ) w ， 式中q 。一具体路段的瓦砾阻塞界限值； q 。一基准路长瓦砾阻塞量界值，取5 0 0 0m 3 ： l 一具体路段长度； 福建农林大学2 0 0 9 届硕士学位论文 k 一基准路长，取8 0 0 m ； 一具体路段有效宽度： 基准路段有效宽度，取2 5 m ； 3 1 1 4 路段可靠度计算 根据对历史震害的考察及对地震场的认识，提出了在周围建筑物倒塌影响下估算路 段经验公式【删： 讯) ： 一虽 当q 以。 ( 3 - 6 ) i - 0 当q q 。 式中p z ，) 一具体路段通行可靠性； 3 1 2 桥涵可靠性评估 计算桥梁的抗倒塌结构可靠度工程巨大复杂，只有在进行精细的桥梁抗震可靠性设 计时才有必要这么做。对于城市桥梁群可靠性，可以通过类比推断法计算所得的系数进 行归一化，再参考给出建议值。 通常根据震害资料，选择9 个震害因素作为影响桥梁震害的主要因素：地震烈度、 桥址处的场地类别、地基失效程度( 液化、沉陷、滑坡、地裂等) 、上部结构形式、支座 类别、墩台高度、墩台材料、基础类型、跨长和跨数等 5 2 - 5 4 。 瓦= w o 兀兀嘧 ( 3 7 ) 式中 w o ，一计算系数，可按下表中“采用系数值”选用； 瓦一具体桥梁的震害度； = 侣霎譬嚣昌辜喜纛鬟 p 8 ， 一独 1 1第f 座桥，项目中有第楼因素； ”。 表3 1 桥梁参数量化表 t a b l e3 - 1t h et a b l eo ft h eb r