第一章 緒 論

1.1 課題的背景及意義
1.1.1 課題的背景
生命線工程是由幾大類系統(tǒng)構成，每個系統(tǒng)由不同的結構物、工程設施和設備組成，系統(tǒng)之間相互聯(lián)系、相互影響。生命線工程系統(tǒng)在地震作用下一旦遭到破壞，整個社會的生產、生活都將受到嚴重的影響，人們日�；顒右蛏鐣⻊展δ艿闹袛喽霈F(xiàn)局部乃至全局癱瘓[21]，進而引發(fā)次生水災、火災、有毒物質泄漏和疾病流行，嚴重影響著人類社會的正常運轉[43]。生命線工程系統(tǒng)的歷史震害資料體現(xiàn)，系統(tǒng)中的結構或設施在地震作用下易損性較高，如橋梁、電氣設備和供水管道等[25]，當?shù)卣鹆叶忍幱冖鞫壬踔立龆染涂赡馨l(fā)生破壞，即地震作用反應十分敏感。生命線工程的破壞具有多重性、網絡性、間接性和廣泛性等特點，且因為系統(tǒng)破壞容易帶來嚴重的次生災害，因此，應適當提高生命線工程的抗震設防等級，并且要盡量減輕生命線工程在破壞性地震中的受損程度。對于生命線工程所承擔的震后搶險救災服務、后勤保障等重大責任，震后快速評定其受損程度、快速搶修受損的生命線工程、快速恢復其系統(tǒng)功能，對減輕地震災害及損失具有重要意義[111]。
而地震烈度憑借其悠久的歷史、廣泛的使用范圍和人們的認知程度，一次地震發(fā)生后，政府和普通民眾最想獲知的就是地震的震級及其烈度，可以粗略的了解這一地區(qū)的可能產生的人員傷亡、經濟損失和破壞程度。地震烈度是人們最容易接受的地震作用影響的直觀反映。我國現(xiàn)有地震烈度表中關于地震烈度的評定，主要依靠人的感覺、房屋震害和其他震害現(xiàn)象及水平地震動參數(shù)，其他震害現(xiàn)象包括懸掛物、家具、煙囪及地質地貌等。隨著社會的發(fā)展，應用現(xiàn)行地震烈度表判斷地震烈度，存在下面的這些問題：
1.各類型建筑在各地區(qū)的占有量不同，不同省份、不同人文風俗環(huán)境建筑物的類型上存在差異，導致利用房屋結構去評定地震烈度存在差異。
2.房屋種類隨著社會的發(fā)展，不斷推陳出新，結構形式不斷變換，對烈度表中劃分的三類建筑已逐漸不能一一對應，地震烈度評定時存在差異；且一些房屋設施等級高、質量好，在地震作用下不易發(fā)生破壞，在區(qū)域地震烈度評定時，存在評定差異。
3.野外或人煙稀少地區(qū)，缺少一定規(guī)模的房屋建筑群和人類居住點，無法合理的評定地震烈度。
在這種背景條件下，研究者試圖擴充地震烈度表中的評價指標，考慮在地震烈度表中引入一些典型的生命線工程指標，用于輔助地震區(qū)地震烈度的評定，并進行其可行性論證。根據(jù)生命線工程所涉及的一些工程結構和基礎設施，結合生命線工程的特點，考慮在地震烈度表中引入生命線工程評價指標，彌補上述地震烈度表存在的問題：
1.生命線工程系統(tǒng)中某一子系統(tǒng)的結構形式或選用設備在全國范圍內大同小異，變化種類少，如交通系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、供水供氣供熱系統(tǒng)。
2.各子系統(tǒng)分布區(qū)域廣泛，在一些野外及人煙稀少地區(qū)，也會出現(xiàn)一些道路、供水管道、輸電線路等生命線工程涉及的基礎設施，方便地震烈度的評定。
3.部分生命線工程結構，地震作用反應敏感，如橋梁、電氣設備和供水管道在地震烈度Ⅶ度甚至Ⅵ度情況下就可能發(fā)生破壞，可以有效的判定地震烈度等級。

4.隨著社會對生命線工程系統(tǒng)重要性認識和研究，以及近幾十年來地震應急救援和震后的科學考察獲取的大量豐富的震害調查資料，具備研究的基礎數(shù)據(jù)，可以考慮在地震烈度表中補充一些生命線工程的指標，做為震后地震烈度評定的有益補充，，并有效的拓寬地震烈度表的應用范圍。

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1.2 生命線工程中的典型震害
強烈地震對生命線工程的破壞是巨大的，而且體現(xiàn)在生命線工程系統(tǒng)的服務功能會在強烈地震后受到極大的損害乃至徹底喪失[66]。在一些系統(tǒng)中，個別元件或設備的破壞，可能引起部分區(qū)域甚至整個區(qū)域的系統(tǒng)功能發(fā)生大幅度的損壞。在國內外地震中，生命線工程系統(tǒng)受地震作用影響破壞導致其功能嚴重喪失的震害眾多。
1.1975 年海城地震（M7.3 級）
1975 年 2 月 4 日海城 7.3 級地震[116]，生命線系統(tǒng)遭到了嚴重破壞。由于這一帶歷史上強烈地震的記載不明，橋梁設計從未考慮過抗震設防，多數(shù)橋梁遭到不同程度的破壞，災害波及海城、大石橋、營口、盤錦、蓋縣、鞍山、遼陽、遼中等市縣。特別是地震區(qū)的西部，由于地處濱海沖積平原，覆蓋土層厚、地下水位高，橋梁災害比較普遍和嚴重。地震對供水系統(tǒng)的震害在東部丘陵地區(qū)較輕，西部平原地區(qū)較為嚴重，直接埋設的地下管道遭到折斷、接口拉開、管體破裂等不同程度的破壞，供水管網大量漏水，系統(tǒng)功能嚴重受損，水壓、水量無法保證，部分地區(qū)震后供水中斷，例如如，海城鎮(zhèn)，由于管道年代久遠，自然腐蝕嚴重，在地震烈度Ⅸ度情況下，破壞率達到 10 處/km；營口市，160 千米的供水管道，發(fā)生 372 處損壞，平均破壞率 2.35 處/km。因為海城地震發(fā)生在人口居住密集，工業(yè)發(fā)達的地區(qū)，強烈地震后的一定時間內，因給排水工程遭到重創(chuàng)，嚴重影響了工農業(yè)的生產、人們的生活和消防救火，加劇了次生災害。在震后25 天時間里，共發(fā)生火災 1090 次，在給水系統(tǒng)嚴重破壞情況下，滅火困難，損失巨大。電力系統(tǒng)中的多個火力發(fā)電廠、80 多個變電所和 100 多個輸配電線路受到了強烈地震的影響，電力設施發(fā)生不同程度的震害，間接致使人們日常生活、交通運輸、企業(yè)生產和城市供水系統(tǒng)受到影響，主要震害有：由于變壓器重瓦斯續(xù)電器保護誤動作，引起了 8 個 220 千伏一次變電所跳閘，5 個發(fā)電廠內 11 臺機組降低出力或停機，對電網沖擊很大；營口地區(qū)電網有 33 條輸電線路和 75 條配電線路相續(xù)跳閘，營口變電所主變壓器也同時跳閘，由于蓄電池損壞，無續(xù)電保護運行 19 小時 40 分鐘；這次強烈地震，震壞或影響了大量的電氣設備。
2.1976 年唐山地震（M7.8 級）

1976 年 7 月 28 日唐山 7.8 級地震[36,48]，地震造成的生命線系統(tǒng)破壞涉及范圍廣、破壞子系統(tǒng)多，其中電力、通信和交通系統(tǒng)破壞造成的后果最為嚴重。由于電廠無抗震設防，倒塌致使電力系統(tǒng)中斷，引起唐山煤礦地下通道中的排水設施停止工作，地下通道全部被淹，完全損毀，因地震的次生災害而造成停產數(shù)月[107]。通信設施、電力系統(tǒng)中斷，導致唐山市和外界失去聯(lián)系，河北省政府和中央政府不能及時獲取災情信息，無法及時采取應急救災措施。交通系統(tǒng)中的橋梁倒塌破壞，造成通達唐山市的交通線路中斷，薊運河大橋、灤河大橋是唐山市的門戶，薊運河大橋的倒塌使京津地區(qū)方向難以及時支援，灤河大橋倒坍延誤了東北的救援人員和物資進入唐山市。供水系統(tǒng)中，唐山市地下供水系統(tǒng)總長為 140 千米，地震以后，有 646 處遭到了破壞，平均破壞 4.61 處/km，最嚴重的路段破壞率達到 28.4 處/km，市區(qū)供水管網平均破壞率達 4 處/km，破壞嚴重，漏損率嚴重，震后整個給水系統(tǒng)功能喪失。震后約一周時間內無法供水，居民只能靠蓄水池、洼坑積水、養(yǎng)魚塘、游泳池內存水作為生活用水，同時還給醫(yī)療搶救工作帶來極大困難。由于供水管網和排水管網系統(tǒng)均遭嚴重破壞，污水橫流導致嚴重污染，影響供水水質。

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第二章 基于橋梁震害評定地震烈度的研究

本章對我國歷史上地震災害較嚴重的地震進行了詳細調查和整理，統(tǒng)計海城地震、唐山地震、汶川地震及其他破壞性地震中橋梁破壞的情況。以單座橋梁為單位收集以下資料：橋梁結構形式、地震時橋址區(qū)的實際烈度、破壞部位、破壞部位的數(shù)量、是否發(fā)生間接震害等，并篩除由于間接地震災害引起的橋梁嚴重損壞。按橋梁破壞的統(tǒng)計結果，判定橋梁震害分類、破壞等級、破壞部位與地震烈度。按照橋梁結構形式的不同，分類統(tǒng)計和歸納總結，尋找橋梁破壞與地震烈度間的統(tǒng)計關系，采用破壞等級和破壞部位兩種模式定義橋梁震害評定地震烈度的指標。
2.1 國外地震中的橋梁震害
1906 年美國舊金山 7.9 級地震[72]，橋梁震害首次被人們記載，此時地震引起橋梁震害的嚴重后果人們并未注意。
1923 年日本關東 8.2 級地震[18]，是地震工程研究上具有重要意義的一次地震。強烈的地面震動使交通系統(tǒng)破壞嚴重，橋梁結構破壞尤為嚴重，震后人們充分認識到對橋梁進行抗震設計的重要性，并于 1926 年日本頒布了第一部與公路橋梁抗震設計有關的規(guī)范《關于公路橋梁細則草案》[87]。
1971 年美國圣費爾南多 6.6 級地震[86]，震時橋梁遭受到嚴重破壞。地震中發(fā)生倒塌破壞的橋梁 5 座，發(fā)生不同程度破壞的橋梁 42 座。震后調查獲取最大的經驗教訓是兩座倒塌的互通式立交橋，地震導致墩臺間、墩柱間產生過大相對的地面位移，地震的加速度作用使得橋梁上部結構產生較大的振動。此次地震帶給世界橋梁抗震設計史上一個階梯性的進步，為保證橋梁能夠適應大的地面位移，應加強結構在反復循環(huán)作用下的變形能力。
1989 年美國洛馬·普里埃塔 7.0 級地震，大量城市高架橋發(fā)生嚴重破壞，甚至塌落，引發(fā)的間接震害使該地區(qū)經濟損失慘重。奧克蘭海外大橋，在相鄰橋墩之間產生了較大的相對位移，致使引橋公路橋面發(fā)生脫落；舊金山地區(qū)高速公路高架橋，在填海陸地區(qū)域橋梁發(fā)生許多破壞，如埃巴凱德羅高架橋、中央高架橋的柱體和框架毀壞，菜納貝新高架橋、南方高速高架公路橋的框架破壞，亞力曼內高架公路橋柱體毀壞，92 號與 101 號高速公路立交橋出現(xiàn)柱體、支座、基礎、伸縮縫的破壞。舊金山市區(qū)的Cypress 高架橋，因柱體斷裂使雙層高架橋中上層橋面墜落至底層橋面，橋梁框架與上層柱體受毀，震后分析：橋梁結點配筋率不足，橋柱內豎向鋼筋配筋不連續(xù)，且構造箍筋數(shù)量不足[50]。

1995 年日本兵庫縣南部 7.2 級地震[50,67,72,74]，地震造成交通系統(tǒng)大面積的破壞，除航空港外的公路、快捷交通、鐵路等都處于癱瘓狀態(tài)。破壞的橋梁多為高架橋，地震中橋梁破壞形態(tài)大體有：因為橋墩的破壞而導致落梁和橋的傾側，如阪神高速公路第 3 號神戶線上有 14%的橋墩遭受破壞；混凝土橋墩出現(xiàn)了剪切、壓潰、壓彎等形式的破壞；橋墩在地基液化影響下沉降不均，橋面出現(xiàn)不平，嚴重至傾側[90]；鋼梁與鋼橋墩受屈服變形；因橋梁橫向變形過大，導致橋面出現(xiàn)橫向扭曲錯位；大量的鑄鋼支座破壞。

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2.2 國內地震中的橋梁震害
2.2.1 海城地震
1975 年遼寧省海城、營口地區(qū) 7.3 級地震[58]。這一帶，歷史上強烈地震的記載不明，橋梁設計從未考慮抗震設防，此次地震中許多橋梁遭到不同程度的破壞。尤其是地震區(qū)的西部，是在濱海沖擊平原上建立的城區(qū)，受場地土質影響，橋梁災害比較普遍和嚴重；其他地區(qū)上部覆土層薄，工程地質性質好，震害破壞較輕。通過調查和搜集公路交通的資料，進行地震烈度、結構形式、震害類型和破壞等級的統(tǒng)計。
一、海城地震橋梁破壞統(tǒng)計
海城地震，西部地區(qū)公路橋，共統(tǒng)計了 135 座橋梁，受震害的有 67座，遭受震害橋梁占總數(shù)的 50%，其中Ⅷ度區(qū)的橋梁的震害率約為 60%，Ⅶ度區(qū)震害率 40%。其他地區(qū)公路橋 341 座，受震害的 75 座，遭受震害的占總數(shù)的 22%，其中Ⅸ度區(qū)震害率 39%，Ⅷ度區(qū)震害率 30%，Ⅶ度區(qū)震害率 8%。地質條件不同致使橋梁破壞情況有較大區(qū)別。
二、海城地震中橋梁破壞特點
1.隨地震烈度的增加，橋梁的受損程度體現(xiàn)各自特點。Ⅶ度區(qū)，發(fā)生破壞的公路橋，如盤山橋（梁式橋），橋梁各墩柱產生裂紋、傾斜，并在余震中落梁，墩體朝岸坡傾斜，擺動支座歪斜或震落。Ⅷ度區(qū)，遼河大橋（雙曲拱橋），兩岸河灘墩臺朝河心偏移，橋墩有不同程度的下沉，一孔落梁，支座出現(xiàn)滑移、傾倒，雙曲拱在拱腳、拱頂、1/4 垮徑部位及腹拱均發(fā)生開裂和破碎；滾子泡紅光大橋（雙曲拱），橋臺朝河心滑移，胸墻剪斷，橋面鼓起，拱波和拱肋斷裂；西古樹東方紅橋（雙曲拱），橋臺下沉，向兩側推移，拱圈平伸，橋塌。Ⅸ度區(qū)，析木西橋（梁式橋）：墩柱傾斜，支座破壞，梁移動，橋臺胸墻撞裂、梁頂緊，臺帽下柱斷裂，橋墩開裂、傾斜。
2.橋梁震害受場地破壞的影響嚴重，比如地標錯動、砂土液化、土體滑移、岸坡失穩(wěn)等。
3.由于鐵路橋設計荷載大、基礎深、強度高、施工質量好，地震中公路橋梁比鐵路橋梁的震害普遍且嚴重。
4.拱橋對抵抗推力是有效的，但是對地基的變化很敏感。

5.海城地震中橋梁都未進行抗震設計，在西部地區(qū)隨地震烈度的提高震害現(xiàn)象越嚴重的特征并不明顯，究其原因主要因為場地土性質不同導致震害嚴重于地震動的直接作用的影響。

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第三章 基于電氣設備震害評定地震烈度的研究.................. 68
3.1 國外電力系統(tǒng)的典型震害................................. 68
3.2 國內電力系統(tǒng)的典型震害................................. 69
3.2.1 海城地震............................................... 69
第四章 基于供水管道震害評定地震烈度的研究................. 97
4.1 國外供水管道震害調查研究............................. 97
4.1.1 美國舊金山地震....................................... 97
4.1.2 日本關東地震........................................... 97
4.1.3 美國圣費爾南多地震........................................ 98
第五章 基于定性比較分析方法的生命線工程震害評定地震烈度的研究.....132
5.1 定性比較分析方法簡介......................................... 132

5.2 采用定性比較分析方法的可行性分析............................ 133

第五章 基于定性比較分析方法的生命線工程震害評定地震烈度的研究

5.1 定性比較分析方法簡介
定性比較分析方法是一種案例分析的方法。它最早由拉金在 1987 年提出[127]，被應用于社會科學領域中，近些年正在管理學科中悄然興起。定性比較分析方法在國外研究領域的應用已相當廣泛，但在我國卻仍然是一新鮮事物，提及 QCA 方法的學術論文僅有十余篇，分屬社會科學和管理科學領域[37],[56]。

QCA 方法以布爾代數(shù)算法為運算法則[16]，通過對各個案例數(shù)據(jù)的比較并賦值，找出某個特定結果與各個選定變量的因果聯(lián)系。QCA 方法最初只能對各變量進行 0、1 賦值，即基于明確集的定性比較分析方法，得到一種結果的變量組合；2000 年隨著研究的深入，該方法可以對各變量進行其他賦值，如 0.1、0.33 等，使該方法能夠更準確的衡量各變量的程度狀況，即基于模糊集的定性比較分析方法；2004 年，該方法能夠處理產生多種結果的變量組合[14],[68]。運用定性比較分析方法不是為了針對某一現(xiàn)象原因進行不斷深入挖掘并細化，而是從整體角度探究原因變量與結果之間的宏觀聯(lián)系，可以獲得現(xiàn)象原因與結果之間非線性的、相互依賴的關系情況。

定性比較分析的特點在于有著不同于定量分析的特殊邏輯。第一，它假定的因果關系是復雜的(complexity)并且是可替代的(substitutability)，因此 研 究 人 員 關 注 的 是 現(xiàn) 象 的 多 因 素 同 發(fā) 的 原 因 ( multipleconjecturalcause) 。所謂多因素同發(fā)的原因指：一個因素對結果的影響同時取決于其他因素，比如驅動因素 A 和 B 一同引發(fā)結果 Y 的出現(xiàn)(即A*B→Y)；同一個結果可能由多個不同的驅動因素引致，比如 A 和 B 可以導致 Y，C 和 D 也可以導致 Y(即 A*B+C*D→Y)；在一種驅動因素 B下，某個驅動因素 A 出現(xiàn)(即 A*B)可能導致 Y，而在另一個驅動因素 C下，某個驅動因素 A 不出現(xiàn)(即 a*C)可能導致 Y(即 A*B+a*C→Y)。所以，定性比較分析假定現(xiàn)象的因果關系是非線性的、解釋條件對結果的效應是相互依賴的，并且同一個現(xiàn)象的發(fā)生可能會有不同的原因組合[129]。第二，定性比較分析的分析單位是驅動條件的組合。在分析的過程中，研究人員可以先將不同的目標確定為自變量，以個案為單位進行數(shù)據(jù)匯總，得到自變量、因變量的所有組合，將這些組合采用表格的形式表達，稱之為事實表（truth table）。研究人員從所有的組合出發(fā)， 依據(jù)布爾代數(shù)對條件組合進行簡化。最為基本的運算邏輯為：如果 A*B+A*b→Y， 根據(jù)布爾算術法則得到 A→Y，此計算的過程是為了尋找不同情況組合的共同之處。第三，在分析過程中，研究人員能夠分析導致特定結果(Y)的原因，也能夠分析無法導致特定結果(y)的原因，兩種分析過程互為獨立，即在分析前者時，后者的數(shù)據(jù)并不進入運算程序；反之亦然。單獨分析兩種情況時，對后者的獨立分析可以做為前者的有力補充，即分析不產生某特定結果的原因，即研究人員不能從 X→Y 直接推斷出 x→y。

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第六章 結論與展望

6.1 主要研究結論
文章主要對生命線工程中易損性高和典型的結構或設備進行大量震害資料的收集，統(tǒng)計其破壞現(xiàn)象、分析發(fā)生原因，尋求各種破壞機理與一些參數(shù)之間的統(tǒng)計關系。在這種研究思路的指導下，分別對交通工程中的橋梁、電力系統(tǒng)中變電站內的電氣設備和供水系統(tǒng)中的地下供水管道進行了大量的震害調查，得到基于典型生命線結構震害評定地震烈度的指標，為地震烈度表的應用及拓寬適用范圍做了一些基礎性的工作。文章有以下四方面的創(chuàng)新點：
1. 依據(jù)橋梁結構的破壞程度和破壞部位，分別提出梁式橋和拱橋基于橋梁震害評定地震烈度的指標。2. 依據(jù)電氣設備的破壞等級和震害程度及功能失效模式，提出基于電氣設備震害評定地震烈度的指標。
3. 依據(jù)地下供水管道的破壞特征，提出基于供水管道震害評定地震烈度的指標。

4. 首次在地震工程領域使用定性比較分析方法，獲得震害現(xiàn)象與烈度之間以布爾法則為基礎的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，相較于傳統(tǒng)的、各變量間相互獨立的百分比式結論更加科學合理。并有效的驗證傳統(tǒng)的橋梁和電氣設備震害評定地震烈度的指標的合理性。

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6.2 未來展望

生命線工程種類繁多，文中僅選取了交通系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和供水系統(tǒng)中的橋梁、變電站和供水管道進行震害研究，總結其不同地震烈度下的震害特點。而其他生命線工程系統(tǒng)，在今后的研究中都可以作為調查研究的基礎，進行地震烈度的評定，如交通工程中的道路、隧道，電力系統(tǒng)中的供電線路等等。文中進行了大量的震害資料收集和整理工作，采用了建國后地震中的典型破壞現(xiàn)象得到了文中各章節(jié)的結論，但是對文中的結論沒有進行有效的驗證，所以，在今后的工作中，應進一步驗證并逐步完善。受時間和作者能力所限，文中應用的定性比較分析法，采用的是明確集的統(tǒng)計，即對各變量只進行 0、1 的賦值。后續(xù)工作中應該將每一種破壞現(xiàn)象再具體區(qū)分，比如，橋墩的破壞可以分為完好、輕度、中等、嚴重和毀壞，將這種分等級的破壞分別賦值 0、0.1、0.33、0.9 和 1.0，能夠更準確的衡量各變量的破壞程度，在“定性”的基礎上進行“定量”分析。

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參考文獻（略）

本文編號：38293