劉沐宇，李海洋，田 偉

(武漢理工大學(xué) 道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070)

近年來，隨著橋梁汽車通行量的不斷增大，發(fā) 生汽車燃燒事故的案例不斷增多，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)安全造成嚴(yán)重危害。例如，2007年美國(guó)舊金山與奧克蘭高速公路一輛汽油油罐車因彎路上超速行駛，撞上橋頭堡并起火燃燒，大火導(dǎo)致上層的舊金山地區(qū)最重要的跨海大動(dòng)脈“灣區(qū)大橋”的引橋鋼梁熔化坍塌，交通被迫中斷，如圖1所示;2011年重慶一輛行駛中的公交車由于溫度過高，導(dǎo)致公交車發(fā)動(dòng)機(jī)起火在石門大橋上發(fā)生自燃，給橋梁結(jié)構(gòu)及當(dāng)?shù)亟煌ㄟ\(yùn)營(yíng)造成了嚴(yán)重影響，如圖2所示。目前由汽車燃燒引起的橋梁結(jié)構(gòu)損傷與破壞研究已經(jīng)引起了橋梁專家的高度重視［1］。為明確橋梁運(yùn)營(yíng)期橋梁汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)水平高低，對(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析是十分必要的［2］。

圖1 火災(zāi)后坍塌橋梁現(xiàn)場(chǎng)

圖2 橋梁火災(zāi)燃燒現(xiàn)場(chǎng)

目前，關(guān)于橋梁汽車燃燒火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)分析剛剛起步。Maria Garlock對(duì)美國(guó)近年來發(fā)生的橋梁汽車燃燒事故進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提出為保證橋梁安全進(jìn)行汽車燃燒事故風(fēng)險(xiǎn)分析的必要性［3］，但未明確估計(jì)汽車燃燒事故的風(fēng)險(xiǎn)分析方法;鄧青兒等對(duì)上海閔浦大橋進(jìn)行抗火設(shè)計(jì)，給出了閔浦大橋汽車燃燒事故發(fā)生重現(xiàn)期［4］，但沒有給出汽車燃燒事故水平的計(jì)算方法。由上可知，關(guān)于橋梁汽車燃燒事故風(fēng)險(xiǎn)分析需進(jìn)一步深入研究。由于風(fēng)險(xiǎn)概念本身具有模糊特性，模糊綜合評(píng)判應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，根據(jù)被評(píng)價(jià)對(duì)象本身存在的形態(tài)或類屬上的亦此亦彼性，從數(shù)量上對(duì)其所屬給以刻畫和描述，能合理地進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)水平分析;另外在模糊綜合評(píng)價(jià)中，權(quán)重的確定是一項(xiàng)關(guān)鍵內(nèi)容，對(duì)評(píng)價(jià)的結(jié)果具有重要的影響［5］。

本文運(yùn)用熵權(quán)模糊綜合評(píng)判法，借鑒隧道汽車發(fā)生燃燒事故研究成果，通過分析橋梁汽車燃燒事故的影響因素構(gòu)建綜合評(píng)判指標(biāo)體系，提出了基于熵權(quán)的模糊綜合評(píng)判的橋梁運(yùn)營(yíng)期汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)分析模型。并將其應(yīng)用于武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋運(yùn)營(yíng)期汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)分析中，分析結(jié)果為提出大橋的抗火防范措施奠定理論依據(jù)。

1 橋梁汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

為了分析橋梁汽車燃燒火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)水平大小，構(gòu)建汽車燃燒模糊綜合評(píng)判風(fēng)險(xiǎn)分析模型，首先應(yīng)分析發(fā)生汽車燃燒的各種因素，構(gòu)建模糊綜合評(píng)判分析指標(biāo)體系。

根據(jù)汽車發(fā)生燃燒事故分析可知，橋梁汽車燃燒火災(zāi)與隧道內(nèi)汽車火災(zāi)相似，由于橋梁汽車燃燒火災(zāi)事故研究相對(duì)較少，故借鑒隧道抗火研究經(jīng)驗(yàn)對(duì)橋梁汽車燃燒事故因素進(jìn)行分析［6，7］。

根據(jù)隧道內(nèi)汽車燃燒事故風(fēng)險(xiǎn)影響因素分析可知，影響橋梁發(fā)生汽車燃燒火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)水平高低的13項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素分別為:車輛線路起火、車輛發(fā)動(dòng)機(jī)起火、車輛對(duì)撞起火、車輛碰撞構(gòu)造物起火、車輛追尾起火、車輛輪胎起火、橋梁線性和坡度、車流量大小、橋梁長(zhǎng)度、不具備滅火知識(shí)導(dǎo)致起火、火災(zāi)發(fā)現(xiàn)不及時(shí)導(dǎo)致起火、滅火器失效起火以及消防隊(duì)未及時(shí)到達(dá)起火。由此可得到影響橋梁汽車燃燒事故的風(fēng)險(xiǎn)水平大小的13項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素，根據(jù)橋梁汽車燃燒火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)因素分析，構(gòu)建模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖3所示，為進(jìn)行橋梁汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)判奠定基礎(chǔ)。

圖3 橋梁汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2 基于熵權(quán)的模糊綜合評(píng)價(jià)模型

2.1 設(shè)定模糊評(píng)價(jià)集

模糊評(píng)價(jià)集即指風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)集、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)集。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)是衡量風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的具體標(biāo)志，由影響風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生大小的主要影響因素組成;風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)集是風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生水平高低的標(biāo)志。

由風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)集定義可知，一般把評(píng)價(jià)指標(biāo)集記為:U=(u1u2… um)，m為風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。V=(v1v2… vn)為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)集，n表示劃分的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)數(shù)。

2.2 利用熵權(quán)法確定評(píng)價(jià)因素權(quán)重

在以往的指標(biāo)權(quán)重確定時(shí)，通常采用AHP等主觀確定權(quán)重的方法，往往造成評(píng)價(jià)結(jié)果由于人的主觀因素而形成偏差。熵是系統(tǒng)無序程度的度量，他可以度量數(shù)據(jù)所提供的有效信息量。當(dāng)評(píng)價(jià)對(duì)象在某項(xiàng)指標(biāo)上的值相差較大時(shí)，熵值較小，說明該指標(biāo)提供的有效信息量較大，該指標(biāo)的權(quán)重也相應(yīng)越大，反之則權(quán)重越小［8］。故利用信息熵評(píng)價(jià)所獲系統(tǒng)信息的有序度及其效用，即由評(píng)價(jià)指標(biāo)值構(gòu)成的判斷矩陣來確定指標(biāo)的權(quán)重，從而盡量消除各指標(biāo)權(quán)重的人為干擾，使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際。

利用熵權(quán)法確定權(quán)重可分為以下四步:

(1)確定原始判斷矩陣 A=(aij)m×s，其中aij為第j個(gè)評(píng)價(jià)者根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)矩陣V=(v1v2… vn)確定的第i種指標(biāo)因素的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，m為風(fēng)險(xiǎn)因素個(gè)數(shù)，s表示參與評(píng)價(jià)的專家數(shù)。

(2)原始數(shù)據(jù)矩陣標(biāo)準(zhǔn)化。由于考察指標(biāo)體系中的指標(biāo)量綱不同，為能進(jìn)行比較，必須對(duì)原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣 R=(rij)m×s，式中 rij為第 j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象在第 i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)上的標(biāo)準(zhǔn)值，rij∈［0，1］。其中對(duì)大者為優(yōu)的收益性指標(biāo)而言，有:

而對(duì)小者為優(yōu)的收益性指標(biāo)而言，有

(3)根據(jù)熵的定義確定熵值。根據(jù)獲得的標(biāo)準(zhǔn)化矩陣，通過計(jì)算獲得其評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值為:

(4)利用熵值計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵權(quán)。根據(jù)計(jì)算得到的熵值由下式可得到第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán):

即得到基于熵權(quán)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量集:

2.3 建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型

基于獲得的原始數(shù)據(jù)矩陣，通過對(duì)各個(gè)因素的評(píng)判，即可得到評(píng)價(jià)對(duì)象的因素論域U與評(píng)語論域V之間的單因素評(píng)價(jià)，建立模糊關(guān)系矩陣Q［9］:

式中:Q=(qij)m×n，qij(i=1，2，…，m;j=1，2，…，n)表示評(píng)價(jià)對(duì)象的影響因素集中第i個(gè)評(píng)價(jià)因素對(duì)第j個(gè)評(píng)語的隸屬度，反映出因素與評(píng)價(jià)等級(jí)之間的隸屬關(guān)系;qij=dij/d，dij表示對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象因素集中第i個(gè)評(píng)價(jià)因素做出第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的專家人數(shù)，d表示專家的總?cè)藬?shù)。

綜合評(píng)價(jià)模型即模糊關(guān)系矩陣與權(quán)重之間的合成運(yùn)算。

式中:w即為由公式(4)獲得的熵權(quán)權(quán)重。

根據(jù)求得的綜合評(píng)價(jià)向量B與橋梁發(fā)生汽車燃燒事故風(fēng)險(xiǎn)水平等級(jí)劃分V，計(jì)算即可得到橋梁上汽車燃燒事故風(fēng)險(xiǎn)水平綜合評(píng)價(jià)值Z。

3 實(shí)例分析

3.1 工程背景

鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋位于武漢市中心城區(qū)，大橋北接漢陽的鸚鵡大道，南連武昌的復(fù)興路。正橋橋長(zhǎng)3420 m，采用雙向8車道設(shè)計(jì)。其標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖4所示。大橋建成后將和長(zhǎng)江二橋構(gòu)成武漢市新的一環(huán)線，為緩解中心城區(qū)過江交通壓力發(fā)揮重要作用。鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋通航孔主橋采用三塔四跨懸索橋方案，主纜跨徑布置為225+2×850+225=2150 m，其跨徑布置形式如圖5所示。根據(jù)鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋過江通道交通流量預(yù)測(cè)表可知，其每日交通流量如表1所示。其交通流構(gòu)成如表2示。

圖4 鸚鵡洲大橋標(biāo)準(zhǔn)斷面/mm

圖5 鸚鵡洲大橋跨徑布置/mm

表1 鸚鵡洲大橋過橋車輛車流量 萬輛/日

表2 鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋過橋車輛比例 %

由鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋過橋汽車交通流量分析可知，過橋車輛主要分為小汽車、客車、貨車及油罐車四種類型。每種類型車輛占整個(gè)交通流量比例不同，在橋梁上發(fā)生燃燒事故的風(fēng)險(xiǎn)水平也不同;同時(shí)，由于不同的車輛類型火災(zāi)荷載當(dāng)量不同，對(duì)橋梁產(chǎn)生的危害程度也不同。故需對(duì)不同類型車輛發(fā)生燃燒事故風(fēng)險(xiǎn)水平進(jìn)行分析。

3.2 確定評(píng)價(jià)因子及評(píng)價(jià)集

影響橋梁上發(fā)生汽車燃燒火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)事故的因素眾多，通過分析，并結(jié)合專家咨詢結(jié)果，將橋梁車輛發(fā)生火災(zāi)大致分為小汽車、客車、貨車及油罐車四種類型，根據(jù)圖3所示風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系可知，每種車輛類型分別受到13種因素影響，即可得到模糊綜合評(píng)價(jià)因素集。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)是橋梁運(yùn)營(yíng)期內(nèi)每年發(fā)生汽車燃燒火災(zāi)可能性大小的表征值，根據(jù)國(guó)際隧道協(xié)會(huì)頒布的《隧道風(fēng)險(xiǎn)管理指南》中有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)水平研究成果的描述，把風(fēng)險(xiǎn)水平等級(jí)分為5級(jí)?；诖私o出可以用于橋梁汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)水平分析的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)集，如表3所示，其表示每年橋梁可能發(fā)生汽車燃燒火災(zāi)事故次數(shù)。

表3 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率等級(jí)集

3.3 確定模糊綜合評(píng)價(jià)熵權(quán)

按照確定的影響橋梁汽車燃燒風(fēng)險(xiǎn)事故的13個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因素，首先，向20～30位包括橋梁管理部門的專家、交通管理部門的專家、汽車專家以及消防部門的專家寄送風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)調(diào)查問卷，并在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)收回專家意見;其次，對(duì)各個(gè)專家給定結(jié)果進(jìn)行整理、匯總，并把結(jié)果反饋給每位專家，在專家了解第一輪調(diào)查結(jié)果的基礎(chǔ)上重新給出判斷;依此類推，進(jìn)行4～5輪意見的反饋修改;最后，通過對(duì)專家意見的整理，剔除給定結(jié)果變化范圍比較大的專家意見，依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生水平等級(jí)集，確定影響油罐車發(fā)生燃燒事故的13種評(píng)價(jià)指標(biāo)因素的風(fēng)險(xiǎn)水平等級(jí)，形成原始數(shù)據(jù)矩陣A=(aij)13×20。

根據(jù)指標(biāo)的特性，由標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式(2)、(3)即可得到標(biāo)準(zhǔn)化特征矩陣，根據(jù)公式(4)、(5)可以分別得到油罐車發(fā)生燃燒事故指標(biāo)因素的熵值與熵權(quán)，如表4所示。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)熵值及熵權(quán)

3.4 鸚鵡洲大橋汽車燃燒事故風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)

基于獲得的原始數(shù)據(jù)矩陣，根據(jù)公式(6)模糊關(guān)系矩陣確定的過程，得到橋梁油罐車燃燒事故風(fēng)險(xiǎn)水平模糊綜合評(píng)判的模糊關(guān)系矩陣Q，如下所示:

由獲得的模糊關(guān)系矩陣及表3獲得的油罐車發(fā)生燃燒事故指標(biāo)因素熵權(quán)，由公式(7)對(duì)模糊關(guān)系矩陣及熵權(quán)的合成運(yùn)算，即得模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

由公式(8)，將表(3)風(fēng)險(xiǎn)水平等級(jí)中值及得到的綜合評(píng)價(jià)向量B代入，通過加權(quán)平均取值即可得到油罐車每年在橋梁上發(fā)生燃燒事故風(fēng)險(xiǎn)水平。

如此可以計(jì)算其他類型車輛每年在橋梁上發(fā)生燃燒事故的風(fēng)險(xiǎn)水平(表5)

表5 汽車燃燒事故風(fēng)險(xiǎn)水平計(jì)算結(jié)果

由表5可知，橋梁油罐車燃燒火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)水平為0.021443次/年，處于偶爾風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生水平;橋梁小汽車燃燒火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)水平為0.234261次/年，處于可能的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生水平;橋梁客車燃燒火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)水平為0.120771次/年，處于可能的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生水平;橋梁貨車燃燒火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)水平為0.042219次/年，處于可能的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生水平。

4 結(jié)論

(1)利用熵權(quán)模糊綜合評(píng)判方法，構(gòu)建橋梁汽車燃燒火災(zāi)事故風(fēng)險(xiǎn)分析模型，通過模糊綜合評(píng)判，實(shí)現(xiàn)橋梁運(yùn)營(yíng)期汽車燃燒事故風(fēng)險(xiǎn)水平預(yù)測(cè)，結(jié)果表明該方法用于汽車燃燒事故風(fēng)險(xiǎn)水平預(yù)測(cè)是可行的。

(2)通過對(duì)鸚鵡洲大橋運(yùn)營(yíng)期汽車燃燒事故風(fēng)險(xiǎn)水平計(jì)算表明，小汽車發(fā)生燃燒事故的風(fēng)險(xiǎn)水平為0.234261次/年，處于可能風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生水平;客車發(fā)生燃燒事故的風(fēng)險(xiǎn)水平為0.120771次/年，處于可能風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生水平;貨車發(fā)生燃燒事故的風(fēng)險(xiǎn)水平為0.042219次/年，處于可能風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生水平;油罐車發(fā)生燃燒事故的風(fēng)險(xiǎn)水平為0.021443次/年，處于偶爾風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生水平。

(3)雖然在整個(gè)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)橋梁上油罐車發(fā)生燃燒事故的風(fēng)險(xiǎn)水平為偶爾等級(jí)，但其對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的危害很大，有關(guān)汽車燃燒事故對(duì)橋梁的危害性及防范措施的分析，作者將另行撰文進(jìn)行探討。

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