劉維華，王景春，王 寧

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043)

基于模糊層次綜合評價法的掛籃施工安全評價

劉維華，王景春，王 寧

(石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院，河北石家莊 050043)

大跨預(yù)應(yīng)力混凝土橋的掛籃施工是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，工程風(fēng)險較大，在施工過程中必須對掛籃施工體系進行動態(tài)、科學(xué)的評價，以降低事故發(fā)生率。根據(jù)預(yù)應(yīng)力混凝土橋采用掛籃施工的特點，針對影響掛籃施工安全的諸多因素，建立了掛籃施工體系的安全評價模型。闡述了用模糊層次綜合評價法(FAHP)對掛籃施工系統(tǒng)進行安全評價的主要步驟，并以鄭西客運專線某預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋為工程實例，對掛籃施工系統(tǒng)進行了安全評價。結(jié)果表明，運用模糊層次綜合評價法對施工系統(tǒng)的安全分析結(jié)果與現(xiàn)場的施工安全狀況比較吻合。

安全評價 模糊層次綜合評價法 掛籃施工

1 掛籃施工安全評價體系

掛籃施工技術(shù)因其施工簡便、快捷，結(jié)構(gòu)整體性好等優(yōu)點，自20世紀(jì)70年代后在我國公路、鐵路橋梁建設(shè)中有廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已成為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋、斜拉橋的主要施工方法。同時，掛籃施工為高空作業(yè)，具有作業(yè)面小、施工工序多、工藝復(fù)雜等特點，施工安全性受很多因素影響，工程風(fēng)險較大。近幾年連續(xù)出現(xiàn)了多次掛籃施工事故，如番禺珠江黃埔大橋在掛籃移動中結(jié)構(gòu)傾覆，重慶魚嘴長江大橋掛籃墜落等。確保掛籃施工安全，預(yù)防特大事故發(fā)生，保障施工人員的人身安全是懸臂施工乃至橋梁工程建設(shè)領(lǐng)域的一個重要課題。利用掛籃進行橋梁結(jié)構(gòu)施工是一項較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，如何合理地評價系統(tǒng)施工的安全性，有效地預(yù)防事故的發(fā)生，需要施工技術(shù)人員認(rèn)真思考和研究。

模糊層次綜合評價法是一種新型的評價方法，融合了模糊數(shù)學(xué)和層次分析法，最適用于多指標(biāo)問題的評價，這種方法近幾年被越來越多的工程師所采用。使用較多的是方案比選、項目評價與推優(yōu)等，而對于預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋的掛籃施工安全評價卻鮮有提及。本文將采用模糊層次綜合評價法對掛籃施工體系進行安全評價。

結(jié)合掛籃施工工序分析影響掛籃施工安全的主要因素，參考相關(guān)施工規(guī)范，在對橋梁懸臂施工安全現(xiàn)狀調(diào)查、分析、研究的基礎(chǔ)上，同時總結(jié)借鑒現(xiàn)有資料和前人研究成果，本著科學(xué)、客觀、實用以及可操作性的原則，構(gòu)建掛籃施工安全評價指標(biāo)體系。

該評價指標(biāo)體系的目標(biāo)層是掛籃施工安全綜合評價，主準(zhǔn)則層包括施工安全管理、作業(yè)環(huán)境、掛籃系統(tǒng)狀況、鋼筋與混凝土工程、防護、施工用電、施工設(shè)施設(shè)備等7方面的內(nèi)容，次準(zhǔn)則層是將各主準(zhǔn)則層細(xì)化為可量化的33個具體評價指標(biāo)。

2 掛籃施工的模糊層次綜合評價法

所設(shè)計的掛籃施工安全評價指標(biāo)體系是一個二級三層結(jié)構(gòu)的指標(biāo)體系，這些評價指標(biāo)大多帶有模糊性。根據(jù)模糊綜合評價理論，把次準(zhǔn)則層對主準(zhǔn)則層的評價看成第一級評價，把主準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的評價看成第二級評價，從而構(gòu)成一個二級三層模糊綜合評價模型。

2.1 確定因素集

掛籃施工安全評價的第一層(準(zhǔn)則層)因素集U={U1，U2，…，Um}，本模型中 m=7;Ui根據(jù)具體指標(biāo)情況細(xì)分，得第二層因素集為Ui={Ui1，Ui2，…，Uij}，i=1，2…，m，j=1，2，…，t變動。

2.2 確定評價集

參照掛籃施工的規(guī)范和經(jīng)驗，結(jié)合專家意見，建立掛籃施工系統(tǒng)的評價等級，V={v1，v2，…，vk}。

2.3 利用層次分析法確定各因素的權(quán)重集

1)建立判斷矩陣。邀請相關(guān)專家、工程師，以矩陣上層的某元素Ui作為準(zhǔn)則層，對下層元素Uij兩兩比較，根據(jù)1～9的標(biāo)度來確定判斷矩陣的元素值，建立各層次因素的判斷矩陣。

2)計算判斷矩陣的最大特征根λmax及其對應(yīng)的特征向量W={w1，w2，…，wn}，此特征向量W就是各評價因素的重要度排序，也即權(quán)重集。

3)進行一致性檢驗。為保證應(yīng)用層次分析法得到的結(jié)論合理，需要對德爾菲法(Delphi)構(gòu)造的判斷矩陣進行一致性檢驗。

計算一致性指標(biāo)CI

式中，n為判斷矩陣的階數(shù);λmax為判斷矩陣的最大特征值。

計算一致性比率CR

式中，RI為平均一致性指標(biāo)，其取值與判斷矩陣的階數(shù)有關(guān)系，具體取值見表1。

表1 平均一致性指標(biāo)RI的數(shù)值

當(dāng)CR＜0.1時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的。當(dāng)CR≥0.1時應(yīng)該對判斷矩陣做適當(dāng)修改。

2.4 建立單因素模糊評價矩陣Ri

求得第1層次的評價結(jié)果Bi

式中，Wi為第1層次第i個子因素的權(quán)重分配集;?為模糊算子;Ri為第i個子因素的單因素模糊評價矩陣，可由若干專家或小組對各子因素狀況按評價集進行投票，得到評價矩陣Ri

式中，rjl為第j個子因素中作出第l種評價的專家人數(shù)比例，j=1，2，…，n，n 為子因素的數(shù)量，l=1，2，…，k，k為評價集的級數(shù)。

2.5 匯總第1層次的評價結(jié)果Bi

得準(zhǔn)則層的評價矩陣R，然后進行第二級模糊層次綜合評價，求得評價結(jié)果B

式中，W0為準(zhǔn)則層的權(quán)重分配集;R為準(zhǔn)則層的模糊評價矩陣。

2.6 計算系統(tǒng)總得分

根據(jù)給出的評價尺度，則可以獲得系統(tǒng)評價總得分F

式中，F(xiàn)為系統(tǒng)總得分;B為系統(tǒng)評價結(jié)果向量;V為評價尺度集。

3 掛籃施工安全評價實例

3.1 工程概況

鄭西鐵路客運專線某特大橋位于關(guān)中盆地中部，跨越灃河、渭河。該橋設(shè)計速度為350 km/h，全橋連續(xù)梁段長1 320 m，共4聯(lián)，其中(75+120+75)m連續(xù)梁2聯(lián)，(75+2×120+75)m連續(xù)梁2聯(lián)，全部位于曲線上，曲線半徑為3 500 m，4聯(lián)連續(xù)梁橋均采用懸臂澆筑施工。由于跨越河流，且橋梁位于曲線上，施工工藝比較復(fù)雜，難度較大，施工過程存在安全隱患?，F(xiàn)對該橋掛籃施工進行安全評價。

3.2 評價集

邀請各方面專家對該橋掛籃施工進行安全等級評定，得到評價集V，V={Ⅰ級，Ⅱ級，Ⅲ級，Ⅳ級，Ⅴ級}={優(yōu)，良，中，差，很差}。具體評價標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 掛籃施工安全技術(shù)等級狀況評價標(biāo)準(zhǔn)

3.3 確定權(quán)重

依據(jù)德菲爾法，本工程邀請多位專家根據(jù)評價體系建立判斷矩陣，并通過加權(quán)平均的辦法獲得判斷矩陣，然后利用Matlab計算判斷矩陣的最大特征根λmax及其特征向量Wi。本工程一共構(gòu)建了8個判斷矩陣，其中總目標(biāo)層1個，準(zhǔn)則層7個。表3列出的為準(zhǔn)則層“掛籃系統(tǒng)狀況U3”的判斷矩陣A3。

最大特征值對應(yīng)的特征向量經(jīng)歸一化處理后得到U3的各子因素的權(quán)重集W3為

W3={0.155 3，0.671 4，0.248 4，0.619 9，0.281 1}

其余各子準(zhǔn)則層的權(quán)重集分別為

W1={0.074 8，0.147 2，0.138 2，0.218 8，0.276 5，0.144 5}，λmax=6.244 6，CR=0.039 5;

表3 U3的判斷矩陣A3

W2={0.140 5，0.244 7，0.185 4，0.322 8，0.106 5}，λmax=5.194 7，CR=0.043 5;

W4={0.292 3，0.122 7，0.136 8，0.172 3，0.080 3，0.195 1}，λmax=6.116 8，CR=0.019 0;

W5={0.142 8，0.571 5，0.285 7}，λmax=3.0，CR=0;

W6={0.195 8，0.493 4，0.310 8}，λmax=3.050 6，CR=0.043 6;

W7={0.443，0.119，0.236，0.07，0.132}，λmax=5.199，CR=0.044 4。

主準(zhǔn)則層的權(quán)重集為

W0={0.264，0.053 6，0.248 2，0.107 5，0.075 4，0.107 5，0.143 8}，λmax=7.065 6，CR=0.008 3。

3.4 建立各單因素評價矩陣Ri

由邀請的10位專家結(jié)合工程施工情況和規(guī)范要求，對各因素作出評價，確定出各單因素的評價矩陣。式(7)為“掛籃施工狀況”的評價矩陣，其余各評價矩陣略。

3.5 第一級模糊評價及第二級評價矩陣R

進行第一級模糊變換Bi=Wi?Ri，得到各單因素的模糊層次評價結(jié)果Bi。如“掛籃施工系統(tǒng)狀況”因素的評價結(jié)果為

其余各因素的評價過程略。將7個Bi組合建立二級評價矩陣R，得

3.6 第二級安全評價及總得分

根據(jù)公式(5)，(6)和求得的權(quán)重集，得系統(tǒng)(二級)評價集為

B=W0?R={0.248 2，0.264，0.264，0.147，0}(9)

歸一化后為

B={0.268 8，0.285 9，0.285 9，0.159 4，0}

總得分為

F=B·VT={0.268 8，0.285 9，0.285 9，0.159 4，0}{95，85，70，55，50}T=78.76 分。

總得分說明該掛籃施工安全狀態(tài)中等偏上。

4 結(jié)語

該橋主體結(jié)構(gòu)于2010年順利完成。

1)對橋梁施工進行不定期的安全評價，是減少事故發(fā)生率和降低事故損失的必要手段。

2)通過實例應(yīng)用，說明利用模糊層次綜合評價法可以比較全面地對掛籃施工系統(tǒng)進行安全評價，評價過程很好地實現(xiàn)了主觀評價與客觀評價相統(tǒng)一，定性評價與定量評價相結(jié)合。

3)用模糊層次綜合評價法對橋梁掛籃施工系統(tǒng)安全狀況進行評價具有非常重要的現(xiàn)實意義。

［1］張吉軍．模糊層次分析法(FAHP)［J］．模糊系統(tǒng)與數(shù)學(xué)，2000，14(2)：80-88．

［2］林柏泉，張景林．安全系統(tǒng)工程［M］．北京：中國勞動社會保障出版社，2007：84-89．

［3］李永永，黃志義，王景春．小凈距公路隧道施工安全模糊層次綜合評價方法研究及應(yīng)用［J］．鐵道建筑，2011(2)：60-63．

［4］羅陽青，邵旭東，胡柏學(xué)．橋梁健康評估模糊層次分析法的應(yīng)用［J］．湖南交通科技，2008，34(4)：97-101．

U445.466

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2012．10-06

1003-1995(2012)10-0019-03

2012-03-19;

2012-07-10

河北省科技廳安全生產(chǎn)監(jiān)管及其可持續(xù)發(fā)展研究計劃項目(201102022)

劉維華(1971— )，男，黑龍江富錦人，講師，碩士。

(責(zé)任審編 趙其文)