基于韧性理论的城市道路网络抗震性能评价方法研究

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城市道路网路作为城市交通的骨架,完整畅通的城市道路网络是人员通行和物资运送的重要保障,随着城镇化节奏的加快,城市原有结构将面临巨大的挑战。城市的发展也面临着诸多的不确定因素,例如地震、飓风、洪水、疫情等极端自然灾害,其中地震带来的灾害是猛烈而持久的,现代城市的发展必须要考虑城市对未知灾害的预防,所以城市韧性理论一经提出便受到越来越多的学者的关注和研究,而道路网络的韧性是建设韧性城市的关键,国内外目前针对城市韧性的评价还处于一个起步阶段,尤其是国内对韧性的研究大多限于对理论的研究和阐述,对城市韧性的评价也处于一个定性的评价,对城市道路网络抗灾能力的研究大多是针对单个基础设施进行评价,很少有针对整个路网韧性的评价。基于这一研究背景,本文首先在现有研究的基础上总结城市道路网络中有关桥梁、隧道、道路单元的抗灾能力评价指标,以复杂网络理论为基础,建立道路网络拓扑结构,以网络中节点对之间的冗余度为载体,结合节点和路径权重值,提出城市道路网络抗震韧性性能评价指标,最后结合实例对城市道路网络处于不同地震烈度或不同拓扑结构的韧性变化做定量的分析。本论文的研究内容主要包括:1)利用现有的公路网络基础设施的震害预测模型和方法,归纳总结路网中桥梁、隧道、道路单元的震害程度的分类和判别标准,以及在不同震害影响因素下的通行概率。结合桥梁、道路、隧道单元的通行概率给出路段的连通性计算公式。2)介绍了复杂网络的基本概念,复杂网络的拓扑特性,包括节点的度、平均路径长度、聚类系数以及网络效率,针对不同网络拓扑特性提出了四种网络模型,并介绍了四种网络模型的形成机理和其所具有的典型特征。3)结合国内外对城市韧性的研究和对路段可靠度的评价以及复杂网络基础理论,提出城市道路网络抗震性能韧性评价指标,该指标是包含节点和路径权重值的可靠独立路径平均数,其核心在于网络节点对之间的冗余度。4)运用城市道路网络实例以复杂网络为基础,建立一个包括26个节点和38条边的网络拓扑结构模型,利用MATLAB程序对城市道路网络进行韧性计算与分析,得出网络韧性值,进而对不同地震烈度下的网络韧性曲线变化进行分析,最后结合网络拓扑特性识别关键路段,改变网络拓扑结构,并研究其韧性曲线的变化,研究结果可为城市道路网络韧性提升提供参考。
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