梁曉飛， 李忠梅， 鄭小燕

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 淄博 255049;

2.合肥工業(yè)大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009)

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基于FCE的橋梁運營階段風(fēng)險分析

梁曉飛1， 李忠梅1， 鄭小燕2

(1.山東理工大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 山東 淄博 255049;

2.合肥工業(yè)大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009)

摘要：為了對橋梁事故進(jìn)行源頭管理，提高橋梁運營階段的安全性，從風(fēng)險發(fā)生機(jī)理出發(fā)，建立了風(fēng)險評估模型、風(fēng)險接受準(zhǔn)則和風(fēng)險等級評價標(biāo)準(zhǔn).考慮到風(fēng)險損失的不確定性和模糊性，將模糊數(shù)學(xué)方法與層次分析法相結(jié)合構(gòu)建了基于模糊綜合評判(FCE)的失效后果評價方法，使風(fēng)險損失量化，從而客觀地對橋梁運營期風(fēng)險進(jìn)行評價.實例證明該方法具有可行性和有效性.

關(guān)鍵詞：風(fēng)險估計；層次分析法；風(fēng)險損失；隸屬度函數(shù)

橋梁工程在設(shè)計和施工階段，通過多種形式的科研，已經(jīng)對來自自然、人為和意外等各種風(fēng)險事態(tài)進(jìn)行了有效的控制，但對于運營階段來說，大橋仍面臨來自自然災(zāi)害、交通事故、意外事故，蓄意事故等各種風(fēng)險事態(tài)對大橋運營安全、結(jié)構(gòu)安全、人員安全等各方面的影響.近年來頻發(fā)的橋梁事故給國家造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時帶來了嚴(yán)重的社會不良影響[1-2].運營期橋梁風(fēng)險發(fā)生機(jī)理如圖1所示，在風(fēng)險因素的誘導(dǎo)下，橋梁的孕險環(huán)境產(chǎn)生的風(fēng)險事故使各種承載體發(fā)生了不同程度的損失.項目的決策者就是要在這些風(fēng)險事故發(fā)生之前對風(fēng)險可能帶來的損失進(jìn)行分析，并根據(jù)分析結(jié)果采取相應(yīng)措施規(guī)避或降低損失，事故的潛在性說明其損失是不確定的，而是隨著風(fēng)險發(fā)生、發(fā)展和變化產(chǎn)生相應(yīng)的波動.橋梁運營階段的風(fēng)險分析即是以這些潛在損失為主體的研究過程.

圖1 公路橋梁運營期風(fēng)險發(fā)生機(jī)理

1　風(fēng)險估計模型及評價標(biāo)準(zhǔn)

1.1 風(fēng)險估計模型

營期橋梁風(fēng)險從風(fēng)險不確定性、風(fēng)險事故及風(fēng)險后果三方面進(jìn)行風(fēng)險的度量.采用工程領(lǐng)域普遍認(rèn)可的風(fēng)險表達(dá)方式[3]為

R=f(P,C)

(1)

式中，R為風(fēng)險；P為風(fēng)險事故發(fā)生的概率；C表示

風(fēng)險事故產(chǎn)生的后果(或損失).

1.2 風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)

為了能夠直觀、形象地反映系統(tǒng)風(fēng)險的程度，使之易于理解和接受，本文根據(jù)工程風(fēng)險發(fā)生的概率(或頻率)和風(fēng)險損失的嚴(yán)重程度分別將風(fēng)險概率分為5級、風(fēng)險損失分為5級、風(fēng)險等級分為4級，并依此建立風(fēng)險分級評價矩陣[4-6](簡稱風(fēng)險評價矩陣)，見表1.

表1　風(fēng)險評價矩陣

注：P為風(fēng)險事故發(fā)生概率.

風(fēng)險等級風(fēng)險損失1.可忽略2.需考慮3.嚴(yán)重4.非常嚴(yán)重5.災(zāi)難性風(fēng)險概率1.P<3×10-4Ⅰ級Ⅰ級Ⅱ級Ⅱ級Ⅲ級2.3×10-4≤P<3×10-3Ⅰ級Ⅱ級Ⅱ級Ⅲ級Ⅲ級3.3×10-3≤P<3×10-2Ⅱ級Ⅱ級Ⅲ級Ⅲ級Ⅳ級4.3×10-2≤P<0.3Ⅱ級Ⅲ級Ⅲ級Ⅳ級Ⅳ級5.P≥0.3Ⅲ級Ⅲ級Ⅳ級Ⅳ級Ⅳ級注：P為風(fēng)險事故發(fā)生概率.

風(fēng)險等級不同采用的風(fēng)險控制對策與處置措施也不應(yīng)相同，結(jié)合表1列出的風(fēng)險評價矩陣，對不同等級風(fēng)險制定的接受準(zhǔn)則和控制對策見表2.

表2　風(fēng)險接受準(zhǔn)則[6]

2　風(fēng)險事態(tài)發(fā)生的概率

對于運營期橋梁，風(fēng)險概率可以用結(jié)構(gòu)的失效概率來表示，即將風(fēng)險概率的求解轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)失效概率的求解，按照結(jié)構(gòu)失效概率的求解原理計算風(fēng)險概率[7].目前常用的方法有均值一次二階矩法、改進(jìn)的一次二階矩法、JC法、幾何法以及響應(yīng)面法等.

3　橋梁風(fēng)險損失

運營期的風(fēng)險損失包括經(jīng)濟(jì)損失和非經(jīng)濟(jì)損失，其中經(jīng)濟(jì)損失指橋梁風(fēng)險事故直接或間接造成的能夠采用貨幣計量的損失，非經(jīng)濟(jì)損失指結(jié)構(gòu)耐久性、人員傷亡、社會影響等難于進(jìn)行經(jīng)濟(jì)量化的損失.損失不能量化的部分使得風(fēng)險分析時需要結(jié)合客觀的科學(xué)方法和主觀的專家經(jīng)驗判斷，這導(dǎo)致許多指標(biāo)具有主觀性，即存在大量的模糊現(xiàn)象和模糊概念.為了使損失具有客觀性，本文采用結(jié)合模糊集理論和最大隸屬度原則的模糊評價方法把上述邊界不清，難于定量的因素進(jìn)行量化[8-9]，對損失結(jié)果評價，評價步驟如下：

(1)建立評價對象的因素論域

評價對象因素集U={u1,u2,…，un}，ui={ui1,ui2,…，uim}(i=1,2,…，n)，式中ui代表各影響因素，n為影響因素個數(shù)，m為影響程度等級.

(2)確定評語等級論域

評價集V={v1,v2,…，vk}由用[0,1]間取值的隸屬度函數(shù)量化.

(3)建立因素等級模糊關(guān)系矩陣

因素等級對于評價集的影響程度采用隸屬度函數(shù)表示，化成矩陣R為

(2)

(4)建立因素等級的權(quán)重集

權(quán)重值采用模糊層次分析法確定，由于因素的等級等同于因素本身的重要程度，故取Ai=(ai1,ai2,…,aim)與ui相同.

(5)一級模糊綜合評價

將評價因素的權(quán)向量Ai和模糊矩陣Ri合成模糊綜合評價結(jié)果向量Bi，作為一種單因素的評價.

Bi=Ai·Ri=(bi1,bi2,…,bim)

(3)

將由式(3)得出的各因素綜合起來即為一級模糊矩陣

(4)

(6)建立因素權(quán)重集

為了反映因素集中的各因素之間的重要程度，采用1-9標(biāo)度法[10]由專家對其進(jìn)行兩兩比較判斷，建立判斷矩陣R=(αij)n×n，通過一致性檢驗衡量判斷矩陣是否合理，當(dāng)一致性比值CR=CI/RI<0.1(CI=λmax-1/n-1)時，判斷矩陣具有一致性，對矩陣最大特征值λmax的特征向量進(jìn)行歸一化處理即可得到因素的權(quán)重集.

(7)二級模糊綜合評判

應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則，對評價對象相關(guān)的各因素做綜合評價，得到模糊綜合評價集

C=A·B=(c1,c2,…,ck)

(5)

依照最大隸屬度準(zhǔn)則，取最大值cl對應(yīng)的評價指標(biāo)vl作為最終的評價結(jié)果，即

(6)

4　工程應(yīng)用

目前超載超限現(xiàn)象比較嚴(yán)重，因此橋梁在超載情況下能否安全運行存在風(fēng)險.本文以某一級公路上的一座特大橋運營期超載事故為例，說明模糊綜合評價法評價事故造成后果的嚴(yán)重性，并利用風(fēng)險評價矩陣確定風(fēng)險等級.

4.1 工程概況

大橋地處中溫帶，高原丘陵地形，無通航要求，雙向六車道，荷載標(biāo)準(zhǔn)為公路一級，設(shè)計車速80km/h.主橋上部結(jié)構(gòu)為(95+168+95)m三跨連續(xù)變截面預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)橋.橋梁所在的公路是該地區(qū)的交通命脈，承擔(dān)著當(dāng)?shù)氐V產(chǎn)、煤炭、以及其他資源的外運重任，超載現(xiàn)象較為嚴(yán)重，據(jù)當(dāng)?shù)亟还芙y(tǒng)計平均超載幅度約為30%.大橋2001年建成通車，2007年橋梁全面普查時鑒定為一類橋梁.

4.2 橋梁超載風(fēng)險概率

結(jié)合概率極限狀態(tài)的橋梁設(shè)計規(guī)范，不考慮橋梁結(jié)構(gòu)抗力的退化，對于一級公路橋梁主要組合的可靠度指標(biāo)取β0=4.4[7,11]，則超載30%的情況下的失效概率為1×10-3.

4.3 橋梁超載風(fēng)險損失

(1) 建立評價對象的因素論域

參照文獻(xiàn)[3,4]編制如表3的因素等級表，設(shè)U={u1,u2,…，u6}，每個因素分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ5個等級，記為ui={ui1,ui2,…，ui5}，選擇三角函數(shù)作為隸屬度函數(shù)的取值，如圖2所示[12].

根據(jù)超載的具體情況和損失大小，結(jié)合專家判斷對于超載30%的情況設(shè)定：u1(人員死亡)：Ⅰ級；u2(人員受傷)：Ⅱ級；u3(社會影響)：Ⅲ級；u4(經(jīng)濟(jì)損失)：Ⅰ級；u5(結(jié)構(gòu)損傷程度)：Ⅱ級；u6(對交通的影響)：Ⅱ級；u7(對環(huán)境的影響)：Ⅱ級.由圖2可知每個因素對應(yīng)的隸屬函數(shù)列于表4.

表3　因素等級

表4 因素等級

圖2 因素等級的隸屬度函數(shù)

(2) 二級模糊綜合評價

V={可忽略，需考慮，嚴(yán)重，非常嚴(yán)重，災(zāi)難性}

(3) 一級模糊評價

由公式2~式4)得到一級模糊評價矩陣

(4) 二級模糊綜合評價

結(jié)合專家判斷采用層次分析法構(gòu)建各因素兩兩比較的判斷矩陣

4.4 評價結(jié)果

超載30%的結(jié)構(gòu)失效概率為1×10-3，失效后果為“需考慮的”，由表1可知風(fēng)險等級為Ⅱ級可接受風(fēng)險，需采用預(yù)防、控制措施來提升安全性.建議加強(qiáng)超載管理力度，嚴(yán)禁超限車輛在橋上通行；增加交管措施，嚴(yán)禁重車在橋上超車、停車并限制行車間距以防多輛重車密集造成超載，從而實現(xiàn)風(fēng)險因素的源頭管理；加強(qiáng)運營期的日常巡查，增加橋梁定檢頻率，及時發(fā)現(xiàn)損傷并進(jìn)行相應(yīng)的處理保證結(jié)構(gòu)的承載能力.

5 結(jié)束語

頻發(fā)的事故表明橋梁工程在運營階段存在大量風(fēng)險因素，該階段的風(fēng)險分析使?jié)撛诘娘L(fēng)險具有預(yù)見性，公路風(fēng)險管理工程人員依據(jù)評價結(jié)果采取相應(yīng)措施能夠削減風(fēng)險概率，降低風(fēng)險損失.本文結(jié)合運營期橋梁實際特點闡明了風(fēng)險發(fā)生機(jī)理，構(gòu)建了運營期橋梁風(fēng)險評估模型和風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種綜合層次分析法和模糊數(shù)學(xué)理論的風(fēng)險損失分析方法，將一些難以避免的模糊概念進(jìn)行量化處理.本方法兼具定性分析和定量分析的優(yōu)點，避免了傳統(tǒng)分析方法對邊界不清問題進(jìn)行判斷時產(chǎn)生的誤差，從而使主觀評價更加符合客觀規(guī)律，并以超載風(fēng)險為例驗證了該方法在對運營期橋梁的現(xiàn)狀進(jìn)行綜合評價時的實用性.

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(編輯：劉寶江)

Riskestimationinbridgeoperationstagebased

onfuzzycomprehensiveevaluation

LIANGXiao-fei1，LIZhong-mei1，ZHENGXiao-yan2

(1.SchoolofCivilandArchitectureEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China;

2.SchoolofTransportationEngineering,HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009,China)

Abstract:In order to control bridge accident at the source and improve the safety performance at the bridge operation stage, risk assessment mode, risk acceptance criteria and risk level evaluation criteria were established from the mechanism of risk. Then, taking into account the risk loss of uncertainty and ambiguity, fuzzy comprehensive evaluation method of the consequences of failure was created based on the fuzzy mathematics methodand analytic hierarchy process to quantify the risk of loss and complete risk evaluation. Example showsthat the method is feasible and effective.

Key words:risk estimation； analytic hierarchy process； risklosses； membership functions

中圖分類號：U 445.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-6197(2015)04-0001-05

作者簡介：梁曉飛，女，78liangxiaofei@163.com

基金項目：山東省自然科學(xué)基金資助項目(ZR2011EL010)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2013G1502017)

收稿日期：2014-09-09