基于典型生命线工程震害评定地震烈度的研究
第一章 绪 论
1.1.1 课题的背景
生命线工程是由几大类系统构成，每个系统由不同的结构物、工程设施和设备组成，系统之间相互联系、相互影响。生命线工程系统在地震作用下一旦遭到破坏，整个社会的生产、生活都将受到严重的影响，人们日常活动因社会服务功能的中断而出现局部乃至全局瘫痪[21]，进而引发次生水灾、火灾、有毒物质泄漏和疾病流行，严重影响着人类社会的正常运转[43]。生命线工程系统的历史震害资料体现，系统中的结构或设施在地震作用下易损性较高，如桥梁、电气设备和供水管道等[25]，当地震烈度处于Ⅶ度甚至Ⅵ度就可能发生破坏，即地震作用反应十分敏感。生命线工程的破坏具有多重性、网络性、间接性和广泛性等特点，且因为系统破坏容易带来严重的次生灾害，因此，应适当提高生命线工程的抗震设防等级，并且要尽量减轻生命线工程在破坏性地震中的受损程度。对于生命线工程所承担的震后抢险救灾服务、后勤保障等重大责任，震后快速评定其受损程度、快速抢修受损的生命线工程、快速恢复其系统功能，对减轻地震灾害及损失具有重要意义[111]。
而地震烈度凭借其悠久的历史、广泛的使用范围和人们的认知程度，一次地震发生后，政府和普通民众最想获知的就是地震的震级及其烈度，可以粗略的了解这一地区的可能产生的人员伤亡、经济损失和破坏程度。地震烈度是人们最容易接受的地震作用影响的直观反映。我国现有地震烈度表中关于地震烈度的评定，主要依靠人的感觉、房屋震害和其他震害现象及水平地震动参数，其他震害现象包括悬挂物、家具、烟囱及地质地貌等。随着社会的发展，应用现行地震烈度表判断地震烈度，存在下面的这些问题：
1.各类型建筑在各地区的占有量不同，不同省份、不同人文风俗环境建筑物的类型上存在差异，导致利用房屋结构去评定地震烈度存在差异。
2.房屋种类随着社会的发展，不断推陈出新，结构形式不断变换，对烈度表中划分的三类建筑已逐渐不能一一对应，地震烈度评定时存在差异；且一些房屋设施等级高、质量好，在地震作用下不易发生破坏，在区域地震烈度评定时，存在评定差异。
3.野外或人烟稀少地区，缺少一定规模的房屋建筑群和人类居住点，无法合理的评定地震烈度。
在这种背景条件下，研究者试图扩充地震烈度表中的评价指标，考虑在地震烈度表中引入一些典型的生命线工程指标，用于辅助地震区地震烈度的评定，并进行其可行性论证。根据生命线工程所涉及的一些工程结构和基础设施，结合生命线工程的特点，考虑在地震烈度表中引入生命线工程评价指标，弥补上述地震烈度表存在的问题：
1.生命线工程系统中某一子系统的结构形式或选用设备在全国范围内大同小异，变化种类少，如交通系统、电力系统、供水供气供热系统。
2.各子系统分布区域广泛，在一些野外及人烟稀少地区，也会出现一些道路、供水管道、输电线路等生命线工程涉及的基础设施，方便地震烈度的评定。
3.部分生命线工程结构，地震作用反应敏感，如桥梁、电气设备和供水管道在地震烈度Ⅶ度甚至Ⅵ度情况下就可能发生破坏，可以有效的判定地震烈度等级。
4.随着社会对生命线工程系统重要性认识和研究，以及近几十年来地震应急救援和震后的科学考察获取的大量丰富的震害调查资料，具备研究的基础数据，可以考虑在地震烈度表中补充一些生命线工程的指标，做为震后地震烈度评定的有益补充，，并有效的拓宽地震烈度表的应用范围。
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强烈地震对生命线工程的破坏是巨大的，而且体现在生命线工程系统的服务功能会在强烈地震后受到极大的损害乃至彻底丧失[66]。在一些系统中，个别元件或设备的破坏，可能引起部分区域甚至整个区域的系统功能发生大幅度的损坏。在国内外地震中，生命线工程系统受地震作用影响破坏导致其功能严重丧失的震害众多。
1.1975 年海城地震（M7.3 级）
1975 年 2 月 4 日海城 7.3 级地震[116]，生命线系统遭到了严重破坏。由于这一带历史上强烈地震的记载不明，桥梁设计从未考虑过抗震设防，多数桥梁遭到不同程度的破坏，灾害波及海城、大石桥、营口、盘锦、盖县、鞍山、辽阳、辽中等市县。特别是地震区的西部，由于地处滨海冲积平原，覆盖土层厚、地下水位高，桥梁灾害比较普遍和严重。地震对供水系统的震害在东部丘陵地区较轻，西部平原地区较为严重，直接埋设的地下管道遭到折断、接口拉开、管体破裂等不同程度的破坏，供水管网大量漏水，系统功能严重受损，水压、水量无法保证，部分地区震后供水中断，例如如，海城镇，由于管道年代久远，自然腐蚀严重，在地震烈度Ⅸ度情况下，破坏率达到 10 处/km；营口市，160 千米的供水管道，发生 372 处损坏，平均破坏率 2.35 处/km。因为海城地震发生在人口居住密集，工业发达的地区，强烈地震后的一定时间内，因给排水工程遭到重创，严重影响了工农业的生产、人们的生活和消防救火，加剧了次生灾害。在震后25 天时间里，共发生火灾 1090 次，在给水系统严重破坏情况下，灭火困难，损失巨大。电力系统中的多个火力发电厂、80 多个变电所和 100 多个输配电线路受到了强烈地震的影响，电力设施发生不同程度的震害，间接致使人们日常生活、交通运输、企业生产和城市供水系统受到影响，主要震害有：由于变压器重瓦斯续电器保护误动作，引起了 8 个 220 千伏一次变电所跳闸，5 个发电厂内 11 台机组降低出力或停机，对电网冲击很大；营口地区电网有 33 条输电线路和 75 条配电线路相续跳闸，营口变电所主变压器也同时跳闸，由于蓄电池损坏，无续电保护运行 19 小时 40 分钟；这次强烈地震，震坏或影响了大量的电气设备。
2.1976 年唐山地震（M7.8 级）
1976 年 7 月 28 日唐山 7.8 级地震[36,48]，地震造成的生命线系统破坏涉及范围广、破坏子系统多，其中电力、通信和交通系统破坏造成的后果最为严重。由于电厂无抗震设防，倒塌致使电力系统中断，引起唐山煤矿地下通道中的排水设施停止工作，地下通道全部被淹，完全损毁，因地震的次生灾害而造成停产数月[107]。通信设施、电力系统中断，导致唐山市和外界失去联系，河北省政府和中央政府不能及时获取灾情信息，无法及时采取应急救灾措施。交通系统中的桥梁倒塌破坏，造成通达唐山市的交通线路中断，蓟运河大桥、滦河大桥是唐山市的门户，蓟运河大桥的倒塌使京津地区方向难以及时支援，滦河大桥倒坍延误了东北的救援人员和物资进入唐山市。供水系统中，唐山市地下供水系统总长为 140 千米，地震以后，有 646 处遭到了破坏，平均破坏 4.61 处/km，最严重的路段破坏率达到 28.4 处/km，市区供水管网平均破坏率达 4 处/km，破坏严重，漏损率严重，震后整个给水系统功能丧失。震后约一周时间内无法供水，居民只能靠蓄水池、洼坑积水、养鱼塘、游泳池内存水作为生活用水，同时还给医疗抢救工作带来极大困难。由于供水管网和排水管网系统均遭严重破坏，污水横流导致严重污染，影响供水水质。
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第二章 基于桥梁震害评定地震烈度的研究
2.1 国外地震中的桥梁震害
1906 年美国旧金山 7.9 级地震[72]，桥梁震害首次被人们记载，此时地震引起桥梁震害的严重后果人们并未注意。
1923 年日本关东 8.2 级地震[18]，是地震工程研究上具有重要意义的一次地震。强烈的地面震动使交通系统破坏严重，桥梁结构破坏尤为严重，震后人们充分认识到对桥梁进行抗震设计的重要性，并于 1926 年日本颁布了第一部与公路桥梁抗震设计有关的规范《关于公路桥梁细则草案》[87]。
1971 年美国圣费尔南多 6.6 级地震[86]，震时桥梁遭受到严重破坏。地震中发生倒塌破坏的桥梁 5 座，发生不同程度破坏的桥梁 42 座。震后调查获取最大的经验教训是两座倒塌的互通式立交桥，地震导致墩台间、墩柱间产生过大相对的地面位移，地震的加速度作用使得桥梁上部结构产生较大的振动。此次地震带给世界桥梁抗震设计史上一个阶梯性的进步，为保证桥梁能够适应大的地面位移，应加强结构在反复循环作用下的变形能力。
1989 年美国洛马·普里埃塔 7.0 级地震，大量城市高架桥发生严重破坏，甚至塌落，引发的间接震害使该地区经济损失惨重。奥克兰海外大桥，在相邻桥墩之间产生了较大的相对位移，致使引桥公路桥面发生脱落；旧金山地区高速公路高架桥，在填海陆地区域桥梁发生许多破坏，如埃巴凯德罗高架桥、中央高架桥的柱体和框架毁坏，菜纳贝新高架桥、南方高速高架公路桥的框架破坏，亚力曼内高架公路桥柱体毁坏，92 号与 101 号高速公路立交桥出现柱体、支座、基础、伸缩缝的破坏。旧金山市区的Cypress 高架桥，因柱体断裂使双层高架桥中上层桥面坠落至底层桥面，桥梁框架与上层柱体受毁，震后分析：桥梁结点配筋率不足，桥柱内竖向钢筋配筋不连续，且构造箍筋数量不足[50]。
1995 年日本兵库县南部 7.2 级地震[50,67,72,74]，地震造成交通系统大面积的破坏，除航空港外的公路、快捷交通、铁路等都处于瘫痪状态。破坏的桥梁多为高架桥，地震中桥梁破坏形态大体有：因为桥墩的破坏而导致落梁和桥的倾侧，如阪神高速公路第 3 号神户线上有 14%的桥墩遭受破坏；混凝土桥墩出现了剪切、压溃、压弯等形式的破坏；桥墩在地基液化影响下沉降不均，桥面出现不平，严重至倾侧[90]；钢梁与钢桥墩受屈服变形；因桥梁横向变形过大，导致桥面出现横向扭曲错位；大量的铸钢支座破坏。
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2.2.1 海城地震
1975 年辽宁省海城、营口地区 7.3 级地震[58]。这一带，历史上强烈地震的记载不明，桥梁设计从未考虑抗震设防，此次地震中许多桥梁遭到不同程度的破坏。尤其是地震区的西部，是在滨海冲击平原上建立的城区，受场地土质影响，桥梁灾害比较普遍和严重；其他地区上部覆土层薄，工程地质性质好，震害破坏较轻。通过调查和搜集公路交通的资料，进行地震烈度、结构形式、震害类型和破坏等级的统计。
一、海城地震桥梁破坏统计
海城地震，西部地区公路桥，共统计了 135 座桥梁，受震害的有 67座，遭受震害桥梁占总数的 50%，其中Ⅷ度区的桥梁的震害率约为 60%，Ⅶ度区震害率 40%。其他地区公路桥 341 座，受震害的 75 座，遭受震害的占总数的 22%，其中Ⅸ度区震害率 39%，Ⅷ度区震害率 30%，Ⅶ度区震害率 8%。地质条件不同致使桥梁破坏情况有较大区别。
二、海城地震中桥梁破坏特点
1.随地震烈度的增加，桥梁的受损程度体现各自特点。Ⅶ度区，发生破坏的公路桥，如盘山桥（梁式桥），桥梁各墩柱产生裂纹、倾斜，并在余震中落梁，墩体朝岸坡倾斜，摆动支座歪斜或震落。Ⅷ度区，辽河大桥（双曲拱桥），两岸河滩墩台朝河心偏移，桥墩有不同程度的下沉，一孔落梁，支座出现滑移、倾倒，双曲拱在拱脚、拱顶、1/4 垮径部位及腹拱均发生开裂和破碎；滚子泡红光大桥（双曲拱），桥台朝河心滑移，胸墙剪断，桥面鼓起，拱波和拱肋断裂；西古树东方红桥（双曲拱），桥台下沉，向两侧推移，拱圈平伸，桥塌。Ⅸ度区，析木西桥（梁式桥）：墩柱倾斜，支座破坏，梁移动，桥台胸墙撞裂、梁顶紧，台帽下柱断裂，桥墩开裂、倾斜。
2.桥梁震害受场地破坏的影响严重，比如地标错动、砂土液化、土体滑移、岸坡失稳等。
3.由于铁路桥设计荷载大、基础深、强度高、施工质量好，地震中公路桥梁比铁路桥梁的震害普遍且严重。
4.拱桥对抵抗推力是有效的，但是对地基的变化很敏感。
5.海城地震中桥梁都未进行抗震设计，在西部地区随地震烈度的提高震害现象越严重的特征并不明显，究其原因主要因为场地土性质不同导致震害严重于地震动的直接作用的影响。
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3.1 国外电力系统的典型震害................................. 68
3.2 国内电力系统的典型震害................................. 69
3.2.1 海城地震............................................... 69
第四章 基于供水管道震害评定地震烈度的研究................. 97
4.1 国外供水管道震害调查研究............................. 97
4.1.1 美国旧金山地震....................................... 97
4.1.2 日本关东地震........................................... 97
4.1.3 美国圣费尔南多地震........................................ 98
第五章 基于定性比较分析方法的生命线工程震害评定地震烈度的研究.....132
5.1 定性比较分析方法简介......................................... 132
5.2 采用定性比较分析方法的可行性分析............................ 133
第五章 基于定性比较分析方法的生命线工程震害评定地震烈度的研究
定性比较分析方法是一种案例分析的方法。它最早由拉金在 1987 年提出[127]，被应用于社会科学领域中，近些年正在管理学科中悄然兴起。定性比较分析方法在国外研究领域的应用已相当广泛，但在我国却仍然是一新鲜事物，提及 QCA 方法的学术论文仅有十余篇，分属社会科学和管理科学领域[37],[56]。
QCA 方法以布尔代数算法为运算法则[16]，通过对各个案例数据的比较并赋值，找出某个特定结果与各个选定变量的因果联系。QCA 方法最初只能对各变量进行 0、1 赋值，即基于明确集的定性比较分析方法，得到一种结果的变量组合；2000 年随着研究的深入，该方法可以对各变量进行其他赋值，如 0.1、0.33 等，使该方法能够更准确的衡量各变量的程度状况，即基于模糊集的定性比较分析方法；2004 年，该方法能够处理产生多种结果的变量组合[14],[68]。运用定性比较分析方法不是为了针对某一现象原因进行不断深入挖掘并细化，而是从整体角度探究原因变量与结果之间的宏观联系，可以获得现象原因与结果之间非线性的、相互依赖的关系情况。
定性比较分析的特点在于有着不同于定量分析的特殊逻辑。第一，它假定的因果关系是复杂的(complexity)并且是可替代的(substitutability)，因此 研 究 人 员 关 注 的 是 现 象 的 多 因 素 同 发 的 原 因 ( multipleconjecturalcause) 。所谓多因素同发的原因指：一个因素对结果的影响同时取决于其他因素，比如驱动因素 A 和 B 一同引发结果 Y 的出现(即A*B→Y)；同一个结果可能由多个不同的驱动因素引致，比如 A 和 B 可以导致 Y，C 和 D 也可以导致 Y(即 A*B+C*D→Y)；在一种驱动因素 B下，某个驱动因素 A 出现(即 A*B)可能导致 Y，而在另一个驱动因素 C下，某个驱动因素 A 不出现(即 a*C)可能导致 Y(即 A*B+a*C→Y)。所以，定性比较分析假定现象的因果关系是非线性的、解释条件对结果的效应是相互依赖的，并且同一个现象的发生可能会有不同的原因组合[129]。第二，定性比较分析的分析单位是驱动条件的组合。在分析的过程中，研究人员可以先将不同的目标确定为自变量，以个案为单位进行数据汇总，得到自变量、因变量的所有组合，将这些组合采用表格的形式表达，称之为事实表（truth table）。研究人员从所有的组合出发， 依据布尔代数对条件组合进行简化。最为基本的运算逻辑为：如果 A*B+A*b→Y， 根据布尔算术法则得到 A→Y，此计算的过程是为了寻找不同情况组合的共同之处。第三，在分析过程中，研究人员能够分析导致特定结果(Y)的原因，也能够分析无法导致特定结果(y)的原因，两种分析过程互为独立，即在分析前者时，后者的数据并不进入运算程序；反之亦然。单独分析两种情况时，对后者的独立分析可以做为前者的有力补充，即分析不产生某特定结果的原因，即研究人员不能从 X→Y 直接推断出 x→y。
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第六章 结论与展望
文章主要对生命线工程中易损性高和典型的结构或设备进行大量震害资料的收集，统计其破坏现象、分析发生原因，寻求各种破坏机理与一些参数之间的统计关系。在这种研究思路的指导下，分别对交通工程中的桥梁、电力系统中变电站内的电气设备和供水系统中的地下供水管道进行了大量的震害调查，得到基于典型生命线结构震害评定地震烈度的指标，为地震烈度表的应用及拓宽适用范围做了一些基础性的工作。文章有以下四方面的创新点：
1. 依据桥梁结构的破坏程度和破坏部位，分别提出梁式桥和拱桥基于桥梁震害评定地震烈度的指标。2. 依据电气设备的破坏等级和震害程度及功能失效模式，提出基于电气设备震害评定地震烈度的指标。
3. 依据地下供水管道的破坏特征，提出基于供水管道震害评定地震烈度的指标。
4. 首次在地震工程领域使用定性比较分析方法，获得震害现象与烈度之间以布尔法则为基础的统计数据，相较于传统的、各变量间相互独立的百分比式结论更加科学合理。并有效的验证传统的桥梁和电气设备震害评定地震烈度的指标的合理性。
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生命线工程种类繁多，文中仅选取了交通系统、电力系统和供水系统中的桥梁、变电站和供水管道进行震害研究，总结其不同地震烈度下的震害特点。而其他生命线工程系统，在今后的研究中都可以作为调查研究的基础，进行地震烈度的评定，如交通工程中的道路、隧道，电力系统中的供电线路等等。文中进行了大量的震害资料收集和整理工作，采用了建国后地震中的典型破坏现象得到了文中各章节的结论，但是对文中的结论没有进行有效的验证，所以，在今后的工作中，应进一步验证并逐步完善。受时间和作者能力所限，文中应用的定性比较分析法，采用的是明确集的统计，即对各变量只进行 0、1 的赋值。后续工作中应该将每一种破坏现象再具体区分，比如，桥墩的破坏可以分为完好、轻度、中等、严重和毁坏，将这种分等级的破坏分别赋值 0、0.1、0.33、0.9 和 1.0，能够更准确的衡量各变量的破坏程度，在“定性”的基础上进行“定量”分析。
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参考文献（略）
本文编号：38293
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/lwfw/38293.html
