一种整合结构减灾与金融转移以增强关键交通基础设施地震风险管理的混合概率框架

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：A Hybrid Probabilistic Framework for Integrating Structural Mitigation and Financial Transfer to Enhance the Seismic Risk Management of Critical Transportation Infrastructure

　　

**摘要要点**
• 提出了一个综合风险管理框架。
• 开发了一种新颖的离散风险评估方法（ETB-SRA）。
• 屈曲 restrained 筋（BRBs）将预期年度损失降低了37%。
• 有针对性的保险策略将保险费用削减了87%。
• 从单一设计范式向成本效益风险管理转变。

**引言**

近年来，随着自然灾害频繁发生，全球交通基础设施系统面临的风险日益增加[1]。地震是最不可预测的自然灾害之一，会给交通基础设施造成灾难性破坏。过去一个世纪，全球发生了超过1,250次大地震，造成的经济损失总计超过1万亿美元[2]。交通基础设施资产损毁导致的直接和间接经济损失通常约占这些损失的60%[3,4]。美国西海岸、日本太平洋沿岸和西部中国是全球受地震影响最严重的地区[5]。1994年加州北岭地震、2008年中国西南汶川地震以及2011年日本东北大地震，均对交通基础设施造成了巨大破坏。

其中，中国交通基础设施在过去二十年间发展速度居世界首位[6]。截至2025年，运营铁路里程已超过16.2万公里，公路总里程已突破549万公里[7]。约60%的交通基础设施资产建在中国中西部地区[8]，而该地区同时也是全国地震最活跃的区域[9,10]（注：中国西南山区位于世界三大地震带之一——地中海-喜马拉雅地震带）。近年来，除2008年汶川地震外，该地区还发生了多起大地震，包括2010年青海玉树地震和2017年九寨沟地震[11]。在这一全球和全国背景下，对中国快速扩展的交通网络实施有效的地震风险管理策略的迫切性日益凸显。

交通基础设施主要包括桥梁、隧道和道路三大核心组成部分[12,13]。特别是桥梁，由于其结构高度，在地震中最易受损[[14], [15], [16]]。例如，在2008年汶川地震期间，核心灾区1,408座桥梁中有947座（67.3%）遭受了不同程度的损毁[17]。此外，研究发现，随着桥梁跨度的增加，损毁比例和损毁严重程度的加剧趋势明显，导致震中区域交通完全中断。这造成了直接经济损失8,500亿元人民币，间接经济损失估计超过8,000亿元[18]。应当理解的是，桥梁，尤其是大跨径桥梁，通常是交通网络中的关键节点。该关键基础设施的地震风险需要特别关注，因为不仅桥梁抗震损毁后果严重，而且运营中断还会严重影响整个区域交通网络的韧性及灾害救援生命线[19]。自2000年以来，中国西部已建成超过152座特大桥（跨度≥300米），另有42座在建[8]。该关键基础设施的结构设计差异显著，导致抗震性能存在明显区别，例如损毁模式、恢复时间和整体风险特征。这一大量新增高价值基础设施集中分布于全球地震最活跃区域之一的现象，在区域发展目标与灾害风险暴露之间造成了关键的张力，这种张力亟需创新性的风险管理解决方案。因此，通常需要针对性的抗震设计和风险管理方案。

关键基础设施的地震风险研究主要采用工程措施来减轻地震引起的损毁[20]。近年来，随着交通基础设施韧性研究的推进[19]，工程师们提出了一系列具有自复位和快速修复特性的桥梁结构[21]。然而，保证桥梁在所有地震情景下完全无损是不现实的。只要存在损毁，桥梁在地震灾害下就会面临残余风险。这意味着大量分布在中国西部的关键交通基础设施仍面临不可忽视的地震风险。随着进一步工程改进带来的韧性增益递减，仅依赖硬措施的边际效益变得越来越有限[22]。这给工程师和基础设施管理者带来了关键挑战。因此，一个迫切的问题随之产生：如何恰当利用非工程措施（软措施，SM），如巨灾保险或风险共担等，来应对即使在最优工程设计后仍然存在的地震残余风险？

为解决硬措施和软措施在提升灾害韧性方面协同应用不足的问题，本研究提出了一个针对关键基础设施的综合风险管理框架，包括风险度量、风险评估、风险缓释、风险转移和决策。建立了与上述风险管理框架相对应的全过程理论计算方法。随后，从PEER开放数据库[23]中精心选取了95条符合研究区域特征的天然近断层地震动记录进行易损性分析。案例研究选取了一座500米跨径的拱桥。在此基础上，配置了两套结构设计方案和五种地震情景，并开展了七组抗震阻尼装置的全尺寸模型试验。此外，通过全过程计算获得了2,560组有效离散风险情景，验证了所提出风险管理框架的有效性。最后，设计了6组风险管理策略。综合分析表明，在管理成本和风险控制效果方面，工程措施与针对性保险相结合的策略具有显著优势。最重要的是，本研究旨在为利益相关方提供全面的风险管理方案，尽管其中包含一定的工程分析。本研究的贡献可总结如下：

（1）我们提出了一个整合硬措施（抗震缓释装置）和软措施（巨灾保险）韧性措施的综合概率风险评估框架，将物理工程性能与金融风险管理决策变量桥接起来，从而丰富了现有研究的方法学工具箱。与现有的基于PBEE的风险评估框架不同，所提出的框架能够在单一评估和决策过程中同时考虑结构风险缓释和金融风险转移的综合效益。

（2）所提出的基于事件树的地震风险评估方法（ETB-SRA）在离散化系统级风险的同时，显式地考虑了结构的地震失效过程。其评估结果可以表示为风险情景，从而使交通基础设施管理者能够根据其风险接受标准做出风险知情决策。此外，这些结果可以为保险公司开发参数化保险产品提供量化支持。

（3）以中国西部一座大跨径桥梁为案例，本研究验证了所提出框架的有效性，并提出了具体的风险管理策略建议。这为全球类似地震频发环境中的特大桥和交通网络关键节点提供了可适用、可复制的参考。

文章剩余部分的安排如下。第2节呈现文献综述。第3节介绍风险管理框架的方法学。第4节描述分析数据和材料。第5节呈现分析结果。第6节提供研究讨论。第7节得出研究结论。

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**文献片段摘录**

**地震对交通基础设施的影响：工程与风险视角**

从工程视角来看，核心理念是通过硬措施减轻地震引起的基础设施损毁。桥梁的抗震设计理念主要从基于强度的设计演变为基于性能的设计[24]。早期美国规范[25]和中国规范[26]都采用了基于强度的设计理念。随后，提出了基于性能的抗震设计（PBSD）理念[24]。在PBSD的指导下，发展了利用延性设计等方法……

**风险识别与度量**

管理特大桥地震风险的第一步是识别地震危害的发生频率。一种广泛接受和验证的方法是地震危险性分析[30]。它描述了地震动强度指标（IM）与年超越频率（fa）之间的关系，可以表示为：

fa(IM) = k? · (IM)^(?k?)

其中，k?和k?是地震危险性曲线的形状参数，定义如公式(2)和(3)：

k? = PDBE(IMDBE) / k?

k? = ln(PDBE / PMCE) / ln(IMMCE / IMDBE)

**数据和材料**

本节介绍案例研究的基本描述和工程背景信息，包括有限元模型（M0）和选取的95条近断层地震动记录，它们构成了概率地震需求分析的基础。该分析得出的构件级易损性函数（第5.2节）将被整合进离散风险评估框架（第5.3节），用于计算损毁状态概率……

**地震风险识别**

基于选定的强度指标（PGV，峰值地面速度），按照日本抗震设计规范[67]推导出地震危险性参数。考虑了五种地震情景，年超越频率（fa）从0.1（非常频繁）到0.0001（极其罕见），对应重现期从10年到10,000年。这些地震事件涵盖了地震风险管理考虑的全谱系，从常规维护计划到灾难性事件准备。

**工程缓释措施的有效性**

为增强抗震能力……

**从构件损毁序列到交通网络韧性**

本研究中对损毁序列的识别，即不同桥梁构件达到关键损毁状态的顺序，对震后交通恢复管理具有重要启示意义。对于采用BRB增强设计的方案（M3），损毁序列发生转变，使得主梁成为首个出现损毁的构件，而主梁相对容易接近和修复。这一转变对交通管理部门具有实际意义。损毁模式的可预测性……

**结论**

本研究解决了交通基础设施风险管理中的一个关键缺口，即在最优设计后仍然存在的地震残余风险如何处理。聚焦于中国西部的大跨径桥梁——一个基础设施快速发展和地震危险性高的区域，本研究提出了一个综合风险管理框架，将硬性工程措施（抗震缓释装置）与软性金融措施（灾害保险）相结合。该框架……

**数据可用性**

支持本研究结果的数据已包含在文章内。

**披露声明**

本论文中表达的任何观点、发现、结论或建议均为作者所有。

**作者贡献声明（CRediT）**

Xu Lihan：概念化、方法学、调查研究、软件、验证、撰写初稿。Tang Junqing：概念化、方法学、验证、撰写初稿、撰写审阅与编辑、经费获取。Xu Lueqin：概念化、方法学、经费获取。Zhao Pengjun：撰写审阅与编辑、监督、经费获取。Xiang Xuefeng：调查研究、软件。Cai Mingxun：验证、调查研究、软件。

**未引用参考文献** [44, 45]

**作者贡献声明（CRediT）——另一版本**

Xu Lihan：撰写初稿、验证、软件、方法学、调查研究、概念化。Tang Junqing：撰写审阅与编辑、方法学、经费获取、概念化。Xu Lueqin：方法学、经费获取、概念化。Zhao Pengjun：撰写审阅与编辑、监督、经费获取。Xiang Xuefeng：软件、调查研究。Cai Mingxun：验证、软件、调查研究。

Xu Lihan | Tang Junqing | Xu Lueqin | Zhao Pengjun | Xiang Xuefeng | Cai Mingxun