基于结构与非结构碎屑评估地震诱发道路中断的方法及其在虚拟试验台中的应用

《International Journal of Disaster Risk Reduction》：Methodology for assessing earthquake-induced road interruption due to structural and nonstructural debris applied to a virtual testbed

　　

地震可能对建筑物造成不同程度的破坏，从轻微的非结构损伤到完全的结构倒塌。因此，由非结构构件倒塌和结构失效产生的碎屑可能在局部中断道路基础设施，影响车辆和行人通行，并可能延误应急行动。本研究提出一种在人口普查区段尺度上估算由钢筋混凝土与砌体建筑碎屑导致道路中断概率的方法。该方法应用于遭受强烈地震事件的虚拟试验台，以评估代表典型意大利建成环境的不同城市背景下人口普查区段尺度的道路网络易损性。结果表明，道路中断概率主要受城市特征控制，如建筑密度、结构类型、建造年代和街道布局。所提方法为基于聚合数据的大规模应用提供了实用框架，并为未来真实案例研究的发展与应用奠定了基础。

研究背景方面，在风险管理特别是地震风险框架下，建筑物预期损伤评估通常用于估算相关经济损失及部分或完全倒塌时的人身风险。然而，非结构构件如钢筋混凝土建筑外部填充墙的倒塌，以及整栋钢筋混凝土或砌体建筑的部分或完全倒塌，会产生大量碎屑坠落到相邻街道，可能导致道路无法通行甚至完全阻塞。道路阻塞会阻碍疏散与应急行动，多条道路阻塞可能孤立城市特定区域，若这些区域包含学校、医院等关键建筑，震后应急管理效能将严重受损，人身健康风险并非直接来自地震本身，而是源于其首要后果即建筑物损伤的二次效应道路阻塞。现有文献中早期方法主要基于定性或半经验公式，意大利相关手册考虑几何特征与交互建筑但未明确模拟道路阻塞的物理机制，部分概率框架依赖预定概率矩阵未提供碎屑数量或空间分布明确信息。近期研究引入定量方法模拟碎屑生成及空间效应，如结合建筑损伤、碎屑扩散、道路堵塞与火灾蔓延的集成地震灾害模拟系统应用于东京都市圈，但碎屑分布基于理想化假设且碎屑生成与道路阻塞关系未明确源自物理量；基于HAZUS框架估算碎屑生成的方法可物理量化碎屑但未明确处理碎屑对道路网络功能的影响；基于相邻建筑碎屑分布的城市道路网络易损性曲线将地震强度与道路可操作性通过碎屑累积后残余路宽关联，但碎屑范围源自简化几何假设而无详细物理估算；多灾害框架中地震碎屑对疏散过程作用的研究关注碎屑对流动性间接影响而未明确量化道路阻塞概率与碎屑生成及空间分布的函数关系。综上，现有文献在碎屑定量估算或道路可达性概率评估方面取得显著进展，但缺乏将基于物理的碎屑生成直接与道路阻塞概率关联的综合性方法，这促使本研究开展。

研究人员开展了基于全概率定律在人口普查区段尺度评估车辆与行人交通道路中断概率的方法研究，应用于RETURN项目开发的Inland RETURNVILLE VTB虚拟试验台RV2，该试验台整合意大利多个真实城市片段包括Rieti历史核心、Ascoli Piceno、Benevento、Avellino巩固区域及Gemona del Friuli、Pistoia分散区域，代表约38000人口与4000栋建筑且砌体与钢筋混凝土建筑分布均衡，输入为地震情景、道路宽度等几何信息与建筑存量基本信息，明确考虑不同建筑类型的碎屑生成机制，钢筋混凝土建筑考虑外部填充墙平面外倒塌碎屑体积概率分布与投影距离及整体结构倒塌概率，砌体建筑考虑部分与完全倒塌机制，通过定义阈值区分可通行与阻塞道路并基于聚合信息运行。研究得出道路中断概率主要受建筑密度、结构类型、建造年代与街道布局等城市特征控制，历史核心区因高密度与老旧砌体建筑成为车辆道路中断热点，巩固区平均易损性较低但Avellino与Ascoli Piceno存在局部峰值，分散区因假设设为可忽略，行人中断概率整体高于车辆因其仅依赖投影距离阈值更易触发，Historic core平均P(IP)为0.37、Consolidated area为0.26，P(IV)分别为0.36与0.18。该方法为基于聚合数据的大规模应用提供实用框架，弥补了物理基碎屑生成与道路阻塞概率关联的空白，对震后应急管理与风险评估具有重要意义，发表于《International Journal of Disaster Risk Reduction》。

主要关键技术方法包括：采用全概率定律构建人口普查区段尺度车辆P(IV)与行人P(IP)道路中断概率方程，按建造年代与层数将钢筋混凝土分为12类RC_i、砌体分为12类M_j并以类频率作为道路两侧分布概率；钢筋混凝土无倒塌工况采用Di Domenico等人模型以对数正态分布表征填充墙碎屑体积V与投影距离δ的概率分布，倒塌工况采用Del Gaudio等人易损性曲线取P(DS5)为P(RC_icollapse)；砌体部分与完全倒塌分别采用Follador等人易损性曲线取P(DS4)与P(DS5)，部分倒塌中断概率取0.50、完全倒塌取1；阈值V_lim取自Domaneschi等人车辆轮胎失效对应0.24 m³/m²乘车道宽，δ_lim取自Lu等人25%路面覆盖对应人行道宽加停车区加25%最近车道宽；道路断面按历史核心、巩固区、分散区分别假设车道与人行道宽，分散区假设中断概率为零；地震情景采用Paolucci等人物理模拟PGA空间分布场输入，RC建筑高度取层数乘3 m、填充墙厚按1980前后取20 cm与23 cm、开窗率0.30，基本周期T_1i按Ricci等人公式T_1i=0.041H_i估算并依Eurocode 8 Part 1转换PGA至Sa(T₁)。

研究结果部分保留小标题说明如下：

1. 1.
   Introduction 介绍部分指出建筑物损伤评估常用于经济损失与人身风险估算，但非结构与结构倒塌产生碎屑会局部中断道路影响疏散与应急，若阻塞含关键建筑区域会严重损害震后管理，现有方法或定性半经验或未明确物理机制或量化碎屑未关联道路功能或关联可达性无详细物理估算，缺乏物理基碎屑生成与道路阻塞概率的直接关联方法，故提出本研究在人口普查区段尺度评估道路阻塞概率，输入为地震情景、道路网几何信息与建筑存量基本信息，明确考虑钢筋混凝土外部填充墙平面外倒塌与整体倒塌及砌体部分与完全倒塌机制，通过阈值区分通行状态并基于聚合数据运行，应用于虚拟试验台。
2. 2.
   The virtual testbed 虚拟试验台部分说明采用RETURN项目开发的Inland RETURNVILLE VTB即RV2，位于RETURNLAND中央东部山间平原，整合Rieti历史核心、Ascoli Piceno、Benevento、Avellino巩固区及Gemona del Friuli、Pistoia分散区，人口约38000、建筑约4000栋，砌体与钢筋混凝土均衡分布；Fig1显示RV2概览与来源城市及功能背景、人口普查区段归一化建筑密度、RC建筑占比分级、主导建造年代、主导层数，Rieti历史核心极高建筑密度与老旧砌体为主两层结构，Benevento巩固区中等密度较新砌体与部分RC两层，Avellino巩固区中高密度大量RC与后1970 RC三层四层，Ascoli Piceno巩固区较高密度老旧RC与混合两层，Pistoia分散区低密度老旧砌体两层除中心密集区，Gemona del Friuli分散区低密度1970年代RC三层；Fig2雷达图以建筑密度、RC占比、平均层数、建筑年龄描述各片段，Fig3叠加雷达图显示RV2城市配置整体变异性。
3. 3.
   Methodology 方法部分提出在人口普查区段尺度评估P(IV)与P(IP)，以全概率定律通用表述，P(IV)=P(IV|RC)P(RC)+P(IV|M)P(M)、P(IP)=P(IP|RC)P(RC)+P(IP|M)P(M)，解释为普查区内随机选路的中断概率作为筛查指标；将建筑分为24类RC_i与M_j各12类，以类数量占比作为P(RC_i)与P(M_j)并假设沿道路均匀分布，细化方程为P(IV)=ΣP(IV|RC_i)P(RC_i)+ΣP(IV|M_j)P(M_j)同理P(IP)；假设道路两侧均为同类型建筑并取单位长1 m路段，忽略单侧暴露与开敞空间等除分散区外。

3.1. Probability of road interruption induced by RC buildings RC建筑诱导道路中断概率部分，P(IV|RC_i)与P(IP|RC_i)以是否整体倒塌为条件，P(IV|RC_i)=P(IV|RC_ino collapse)P(RC_ino collapse)+P(IV|RC_icollapse)P(RC_icollapse)，车辆中断关联碎屑体积V超V_lim且投影距离δ超人行道宽L_sw，行人中断关联δ超δ_lim；倒塌概率P(RC_icollapse)=P(DS5)_i取自Del Gaudio等人RC建筑易损性曲线以PGA为强度指标按建造期与层数赋值，无倒塌为1-P(DS5)_i；倒塌工况假设V与δ必然超阈值故P(V≥V_lim∩δ≥L_sw|RC_icollapse)=1、P(δ≥δ_lim|RC_icollapse)=1，方程简化为P(IV|RC_i)=P(V≥V_lim∩δ≥L_sw|RC_ino collapse)(1-P(DS5)_i)+P(DS5)_i同理P(IP|RC_i)；无倒塌工况采用Di Domenico等人模型以对数正态分布描述归一化碎屑体积与投影距离，参数为Sa(T₁)与建造期，取P(V≥V_lim∩δ≥L_sw)≈P(V≥V_lim)×P(δ≥L_sw)假设独立，δ_lim为人行道宽加停车区加25%车道宽。

3.2. Probability of road interruption induced by masonry buildings 砌体建筑诱导道路中断概率部分，考虑无倒塌、部分倒塌、完全倒塌三条件，P(IV|M_j)=P(IV|M_jno collapse)P(M_jno collapse)+P(IV|M_jpartial collapse)P(M_jpartial collapse)+P(IV|M_jcollapse)P(M_jcollapse)，因非结构构件碎屑量不显著故无倒塌中断概率为0，简化为P(IV|M_j)=P(IV|M_jpartial collapse)P(M_jpartial collapse)+P(IV|M_jcollapse)P(M_jcollapse)同理P(IP|M_j)；部分倒塌取P(DS4)_j、完全倒塌取P(DS5)_j取自Follador等人砌体易损性曲线以PGA为指标按建造期与层数赋值；完全倒塌假设必然中断故P(IV|M_jcollapse)=P(IP|M_jcollapse)=1，部分倒塌因机制多样无详细分布取中断概率0.50，故P(IV|M_j)=0.50P(DS4)_j+P(DS5)_j、P(IP|M_j)=0.50P(DS4)_j+P(DS5)_j，车辆与行人概率相等。

3.3. Summary of methodology 方法总结部分给出最终方程P(IV)=Σ[P(V≥V_lim)P(δ≥L_sw)(1-P(DS5)_i)+P(DS5)_i]P(RC_i)+Σ[0.50P(DS4)_j+P(DS5)_j]P(M_j)，P(IP)=Σ[P(δ≥δ_lim)(1-P(DS5)_i)+P(DS5)_i]P(RC_i)+Σ[0.50P(DS4)_j+P(DS5)_j]P(M_j)，其中V为RC框架外部填充墙平面外倒塌产生碎屑体积、δ为其最大投影距离，分布按Di Domenico等人计算，L_sw为人行道宽，P(DS5)_i为Del Gaudio等人RC建筑第i类超限DS5概率，P(DS4)_j与P(DS5)_j为Follador等人砌体第j类DS4与DS5概率，P(RC_i)与P(M_j)为类频率，V_lim与δ_lim为阈值。

3.4. Limit values for the projected volume of debris V_limand for its projection distance δ_lim碎屑体积阈值V_lim与投影距离阈值δ_lim部分，V_lim取自Domaneschi等人有限元模拟车辆轮胎失效对应碎屑总体积低于15 m³于63 m²路面即0.24 m³/m²乘以车道宽；δ_lim取自Lu等人全尺度实验行人速度降零对应25%路面覆盖，假设δ_lim等于人行道宽加停车区宽加25%最近车道宽，若最大积累距离超此值则假定建筑立面至δ_lim间被碎屑占据导致行人中断。

1. 4.
   Assumptions for the application of the methodology in RV2 RV2中方法应用的假设部分，4.1 Assumptions on building features 建筑特征假设中RC建筑填充墙体积V_inf=nh(1-ρ)t×1 m，n为层数、h=3 m、ρ=0.30开窗率、1980前t=20 cm、1980后t=23 cm；投影距离归一化于建筑高n×h；Di Domenico等人模型需Sa(T₁)，由PGA按Eurocode 8 Part 1转换，基本周期T_1i=0.041H_i取自Ricci等人公式H_i为RC第i类建筑高。4.2 Assumptions on road network features 道路网特征假设中按普查区功能设道路断面，历史核心取单车道路宽3.5 m、两侧人行道各L_sw=1 m；巩固区取双车道、两侧停车区各2.2 m、两侧人行道各L_sw=1.5 m；分散区因路宽大建筑退距大假设中断概率可忽略。4.3 Assumed seismic scenario 假定地震情景中采用Paolucci等人物理模拟近源强震PGA空间场，RV2位于高强度区PGA介于3-6 m/s²，历史核心与巩固区4-5 m/s²，分散区高于5 m/s²但已假设零中断，PGA赋至各普查区作为输入。
2. 5.
   Results and discussion 结果与讨论部分，P(IV)空间分布图显示历史核心最高、巩固区中等、分散区零，历史核心平均0.36、最小0.10、最大0.46，巩固区平均0.18、最小0.09、最大0.42；Fig11定量显示P(IV)与建筑密度正相关与路宽负相关，RC占比高则P(IV)低反映RC较砌体低易损性，建筑年龄越老P(IV)越高，层数越高P(IV)越低因高层多为RC且位于宽路巩固区；Avellino与Ascoli Piceno局部峰值因混合类型与老旧RC，Benevento较低因较新砌体与较密路网；P(IP)分布与P(IV)一致但整体更高，历史核心平均0.37、最大0.55，巩固区平均0.26、最大0.44，因行人仅依赖δ阈值更易满足，最高P(IP)区段为历史核心内RC为主三层较新建筑，Di Domenico等人显示高层新RC碎屑量少但投影距离大故P(IP)显著；分散区零中断为应用假设可能低估；方法尚未用真实碎屑与道路中断数据验证。
3. 6.
   Conclusions 结论部分总结提出人口普查区段尺度道路中断概率评估方法，明确分离不同中断机制并简化概率表征，区分车辆与行人条件分别基于碎屑体积与投影距离联合及单一投影距离阈值，分离处理RC与砌体及全部部分倒塌；RV2应用表明道路中断概率空间分布主要受城市肌理控制，历史核心因高密度与老旧砌体为车辆中断热点，巩固区平均易损性低但有混合类型与老旧RC局部峰值；行人中断系统性高于车辆因条件更宽松，突显阻塞准则定义重要性；方法与结果存在局限如砌体部分倒塌影响简化、RC碎屑体积与投影距离独立假设、普查区尺度缺失建筑退距数据、无真实数据验证；未来将精炼联合概率模型与扩展至建筑级真实案例。

讨论部分总结指出该方法结合简化概率模型与建筑存量及路网聚合信息适用于数据有限场景，明确区分中断机制与不同评价标准，RC与砌体分别处理并考虑倒塌状态；RV2应用显示空间分布受城市肌理主导而非PGA变异，历史核心为热点，巩固区有局部峰值；行人中断高于车辆源于条件差异，暴露阻塞准则需完善如行人缺体积标准、RC碎屑两变量独立假设；局限来自知识缺口与数据缺失如砌体部分倒塌、分散区退距、真实验证数据；未来方向为联合概率模型与建筑级真实研究以提升物理一致性与预测能力。

结论部分翻译为：本研究提出了一种在人口普查区段尺度评估道路中断概率的方法，明确了考虑了地震需求、建筑特征与城市配置之间的相互作用。所提方法旨在通过结合简化概率模型与建筑存量和道路网络的聚合信息，即使在数据有限的情况下也能适用。该方法包括明确分离导致道路中断的不同机制，并为每种机制使用简化的概率表示。特别是，该方法区分了车辆与行人中断条件，并采用不同标准进行评估，反映了所涉及的不同物理过程。对于车辆交通，道路阻塞通过同时考虑产生的碎屑量及其到达车行道的能力来定义，从而隐含地捕捉了结构损伤与道路几何形状之间的相互作用。对于行人交通，采用基于超过投影距离阈值的简化条件，这与文献中既定标准有限的情况一致。这是通过分离并不同管理钢筋混凝土与砌体结构，并考虑其全部或部分倒塌的概率来实现的。在RV2虚拟试验台上的应用强调，道路中断概率的空间分布主要受城市肌理控制。事实上，尽管采用的地震情景表现出不可忽略的PGA值，但其研究区域核心内的空间变异性相对有限，并未显著影响结果的分布。特别是，历史核心因密集城市肌理与老旧砌体建筑的共同存在，明显成为车辆交通道路中断的热点。巩固区显示出较低的平均易损性，但仍存在与混合建筑类型和老旧钢筋混凝土结构相关的局部峰值。车辆与行人中断的比较凸显了行人流动性脆弱性的系统性增加。这主要是由于阻塞条件的定义不同，行人仅基于超过投影距离阈值，而车辆则需要涉及碎屑体积与投影距离的更严格条件。因此，即使车辆交通仍可行的区域，行人中断也更容易触发。结果还强调了正确定义阻塞标准的重要性。虽然所采用的公式允许方法的一致与实际应用，但引入了可能影响结果准确性的简化。特别是，缺乏碎屑体积与投影距离的联合建模，以及缺乏基于体积的行人中断标准，是值得进一步研究的方面。方法的发展与应用需要若干假设与简化。一方面，这些代表了方法有效性及应用所得结果的局限性；另一方面，它们为未来研究提供了有用方向，其中一些已在进行中。这些局限性主要源于缺乏专门研究与科学认知，或缺乏可用信息。缺乏专门研究涉及评估砌体填充墙部分倒塌对道路可达性影响的所有简化，以及钢筋混凝土建筑填充墙投影体积与其投影距离统计独立性假设。其他简化假设与缺乏可用信息有关，例如方法在人口普查区段尺度提出与应用意味着缺乏某些重要数据如建筑立面与路面边缘之间的退距距离，这可能显著影响分散与低密度城市区的应用结果。更重要的是，由于验证所需数据不可用，所提方法尚未验证，尽管已收集大量震后调查数据关于建筑损伤与可用性，但关于碎屑分布与数量及其如何影响道路可达性的信息既未公开也无法获取。未来发展将聚焦于精炼这些方面，包括定义碎屑生成的联合概率模型，以及将方法扩展至具有详细建筑级数据的真实案例研究。预计此类进展将提高所提方法的物理一致性与预测能力。