蓋 濤 李 佳

(1.中鐵二十一局集團第一工程有限公司 新疆烏魯木齊 830026；2.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院 新疆烏魯木齊 830047)

1 引言

鋼板組合梁橋是一種充分發(fā)揮鋼材韌性與混凝土抗壓性能的現(xiàn)代裝配式建筑，具有穩(wěn)定性好、承載力高、自重輕等優(yōu)點，20世紀中期在全球范圍已廣泛應(yīng)用于各種體量的橋梁建設(shè)[1－3]?；疑垲愂且环N根據(jù)白化權(quán)函數(shù)將指標(biāo)對象劃分為若干個可定義類別的方法[4]。大量學(xué)者在實際工程中運用灰色聚類等方法對鋼板組合梁施工和運行安全等進行風(fēng)險評估研究，Xiaofei L[5]等將層次分析法與灰色模糊評價結(jié)合運用于大沽河單塔自錨式懸索橋施工安全風(fēng)險評估中；湯天明[6]等在武漢青山長江公路大橋施工風(fēng)險評估中運用了LEC法與指標(biāo)體系法；牛發(fā)陽[7]等在青島地鐵1號線深基坑項目中將網(wǎng)絡(luò)層次分析法與灰色聚類法相結(jié)合進行施工安全風(fēng)險評價；吳波[8]運用熵權(quán)－可拓理論對瓦斯隧道施工安全風(fēng)險進行了評估；魏雪萍[9]等在鄭州大河路工程懸臂拼裝梁施工中利用專家打分及灰色聚類方案進行安全風(fēng)險評估。綜上可知，現(xiàn)有應(yīng)用多為傳統(tǒng)灰色聚類與專家調(diào)查等方法結(jié)合，更多是對評估對象整體的風(fēng)險等級評估，缺乏對高溫差、大風(fēng)環(huán)境下鋼板組合梁施工風(fēng)險評估的全面細致考慮，不能區(qū)分指標(biāo)影響重要程度，且采用傳統(tǒng)灰色聚類方法進行風(fēng)險分類時對于聚類系數(shù)差別較小的指標(biāo)歸類仍存在不合理之處，亟待完善。

本文以新疆地區(qū)鋼板組合梁橋為研究對象，以高溫差、大風(fēng)氣候為環(huán)境背景，運用AHP、兩階段三角白化權(quán)函數(shù)灰色聚類、分類區(qū)分度聚類方法對組合梁架設(shè)施工階段進行風(fēng)險評估，計算各指標(biāo)聚類系數(shù)、分類權(quán)重，制定針對性風(fēng)險防控措施，為新疆地區(qū)同類工程項目施工安全風(fēng)險評估提供理論借鑒。

2 工程概況

盆克特2號大橋建設(shè)項目位于G7京新高速巴里坤縣與木壘縣交界K227＋556.5處，全橋共4聯(lián):鋼板組合梁位于4?！?＃墩之間，共3跨，采用3×50 m鋼板組合梁，左右幅每孔4片，共24片，橋墩空間分布構(gòu)造如圖1所示。鋼梁由Q345D鋼板焊接而成，鋼梁上翼緣按?圓柱頭焊釘?[10]密布焊接?22剪力釘，采用后張預(yù)應(yīng)力法預(yù)制C50自密實混凝土梁，如圖2所示。項目地處大風(fēng)、高溫差地區(qū)，據(jù)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計在2019年與2020年項目主要施工期間，最大風(fēng)速達21.8 m/s；最高氣溫為32.8℃，最低氣溫為－30.5℃，同日晝夜最大溫差達23.1℃。為保證組合梁順利安全施工，需對其施工架設(shè)階段進行全面安全風(fēng)險評估。

圖1 橋墩分布構(gòu)造(單位:cm)

圖2 組合梁預(yù)制與架設(shè)施工

3 AHP指標(biāo)權(quán)重計算及灰色聚類模型構(gòu)建

3.1 事故及風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)

對新疆高溫差、大風(fēng)環(huán)境下鋼板組合梁架設(shè)及橫梁安裝階段存在的可能風(fēng)險源進行甄別篩查，從人員、設(shè)備、材料、施工方法及環(huán)境因素五部分考慮，結(jié)合同類工程事故致險因素對組合梁施工進行風(fēng)險源論證匯總。專家打分規(guī)則采用“1～9標(biāo)度法”，事故發(fā)生可能性劃分及橋梁工程風(fēng)險損失評分標(biāo)準(zhǔn)如表1、表2所示。

表1 風(fēng)險事故發(fā)生可能性等級標(biāo)準(zhǔn)

表2 橋梁工程風(fēng)險損失等級標(biāo)準(zhǔn)

3.2 兩階段三角白化權(quán)函數(shù)聚類模型

3.2.1 第一階段三角白化權(quán)聚類函數(shù)建模

(1)按照評估要求所需劃分灰類數(shù)s，將j指標(biāo)的取值范圍[a1，as－1] 劃分為[a1，a2]，…，[ak－1，ak]，…，[aS－1，aS]，[aS，aS＋1]。

(2)令λk＝(ak＋ak＋1)/2屬于第k個灰類的白化權(quán)函數(shù)值為1，連接(λk，1)與第k－1個灰類的起點ak－1和k＋1 個灰類的終點ak＋2，得到j(luò)指標(biāo)關(guān)于k灰類的三角白化權(quán)函數(shù):

(3)對于指標(biāo)j的一個觀測值X，可由式(2)計算其所屬灰類k(k＝1，2，…，s)的白化權(quán)函數(shù):

(4)計算對象i(i＝1，2，…，n)關(guān)于灰類k(k＝1，2，…，s)的綜合聚類系數(shù):

(5)計算聚類對象i的歸一化聚類系數(shù)向量為:

3.2.2 第二階段聚類函數(shù)模型

(1)計算歸一化聚類系數(shù)向量中最大值與次大值之差θi。

(2)判斷聚類系數(shù)是否有顯著性差異:當(dāng)θi≤1/2S時，稱聚類對象i的聚類系數(shù)無顯著性差異，轉(zhuǎn)步驟(3)；否則稱聚類對象i的聚類系數(shù)有顯著性差異，轉(zhuǎn)步驟(4)，并稱θi為聚類對象的顯著性差異系數(shù)。本文主要討論聚類系數(shù)無顯著性差異的情況。

(3)當(dāng)θi>1/2S時，按聚類系數(shù)最大原則進行聚類，即，判斷對象i屬于k?灰類。

(4)當(dāng)θi≤1/2S時，根據(jù)σi向量及聚類系數(shù)的權(quán)向量η＝ (1，2，3，…，s)T，計算對象i的綜合聚類系數(shù)ψi＝σi˙η，若對象i的綜合聚類系數(shù)，則稱對象i屬于第k灰類。

3.3 分類區(qū)分度聚類函數(shù)模型

(2)計算分類信息熵Ej。設(shè)白化權(quán)函數(shù)使對象i隸屬于類別1，2，…，S的隸屬測度向量為，則對象i的分類信息熵為:

(3)計算指標(biāo)對于對象i的分類區(qū)分度，計算式為:

(4)稱ηij為指標(biāo)關(guān)于對象i的分類權(quán)重，計算式為:

4 鋼板組合梁施工安全風(fēng)險評估及分析

4.1 AHP指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果

結(jié)合鋼板組合梁專項設(shè)計施工方案、?公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范?[12]及?公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險評估指南?，對我國已建成同類型橋梁施工經(jīng)驗及新疆高溫差、大風(fēng)區(qū)氣候環(huán)境分析論證，得到36個二級風(fēng)險源指標(biāo)，根據(jù)AHP算法得指標(biāo)重要性權(quán)重，如表3所示。

表3 鋼板組合梁架設(shè)安裝及橫梁安裝階段風(fēng)險指標(biāo)體系

續(xù)表3

4.2 兩階段三角白化權(quán)函數(shù)灰色聚類風(fēng)險評估結(jié)果

以層次分析指標(biāo)重要性權(quán)重為基礎(chǔ)，根據(jù)橋梁施工風(fēng)險等級，將施工階段的風(fēng)險劃分為5個等級，相應(yīng)的評價灰類劃分為5個灰類，分別對應(yīng)施工風(fēng)險接受準(zhǔn)則中的5個風(fēng)險等級(Ⅰ級不太可能、Ⅱ級偶爾發(fā)生、Ⅲ級可能發(fā)生、Ⅳ級很可能發(fā)生、Ⅴ級頻繁發(fā)生)，5個灰類的取值范圍分別是[0，1)，[1，2)，[2，3)，[3，4)，[4，5]，將風(fēng)險事故發(fā)生可能性打分平均值按式(1)～式(4)建模步驟計算綜合聚類系數(shù)，判斷所屬風(fēng)險等級類別。

由計算可知，B4指標(biāo)聚類顯著性差異系數(shù)等于0.1，計算第二階段指標(biāo)綜合聚類系數(shù)ψi∈[13/5，17/5](K＝3時)，判斷為Ⅲ級風(fēng)險。其余指標(biāo)顯著性差異系數(shù)較大，可根據(jù)最大聚類系數(shù)原則判斷B層指標(biāo)施工安全風(fēng)險均為Ⅲ級風(fēng)險。根據(jù)式(4)計算鋼板組合梁架設(shè)施工階段整體風(fēng)險評估5個灰類的綜合聚類系數(shù)如下:

由上可知，鋼板組合梁架設(shè)施工階段5種風(fēng)險等級發(fā)生的概率大小排序為:Ⅲ級>Ⅱ級>Ⅳ級>Ⅰ級>Ⅴ級。根據(jù)，得鋼板組合梁架設(shè)施工階段安全風(fēng)險等級為Ⅲ級。運用分類區(qū)分度聚類計算各指標(biāo)分類權(quán)重，量化指標(biāo)貢獻量。

4.3 分類區(qū)分度聚類及風(fēng)險防控措施制定

圖3 鋼板組合梁架設(shè)施工階段指標(biāo)分類權(quán)重

由圖3a可知，同屬B1指標(biāo)下分類貢獻度排序前三位為 C2、C3、C6，指標(biāo)分類權(quán)重均為 0.027 11。對于C2特種人員上崗資質(zhì)，在施工前應(yīng)檢查持證上崗情況；對C3施工人員專業(yè)技能，在上崗作業(yè)前應(yīng)進行理論考核與專業(yè)技能考核。

由圖3b可知，同屬B2指標(biāo)下分類貢獻度排序前三位的指標(biāo)為C10分類權(quán)重0.031 36、C8分類權(quán)重0.029 08、C7及C9分類權(quán)重0.027 11。對 C10施工設(shè)備抗風(fēng)穩(wěn)定性，應(yīng)選擇大噸位設(shè)備；對C8鋼絲繩斷裂致使設(shè)備損傷，應(yīng)選用拉力測試合格且無斷絲的鋼絲繩。

由圖3c可知，同屬B3指標(biāo)下分類貢獻度排序前三的指標(biāo)為C15、C20指標(biāo)分類權(quán)重0.037 68，C16指標(biāo)分類權(quán)重0.027 11。對C15高強螺栓校驗，選擇產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)質(zhì)的供貨商；對C20吊裝鋼絲繩斷裂，應(yīng)在施工前仔細檢查并更換抗拉承載力滿足要求的鋼絲繩。

由圖3d可知，同屬B4指標(biāo)下分類貢獻度排序前三的指標(biāo)為C26、C28指標(biāo)分類權(quán)重0.037 68，C22、C24指標(biāo)分類權(quán)重0.031 36。對C26組合梁溫度應(yīng)力控制，需改善骨料級配，在混凝土中添加引氣劑或塑化劑，埋入水管；對C28吊裝作業(yè)不同步組合梁傾覆，需要對吊裝機械檢修與保養(yǎng)；對C22混凝土澆筑振搗，在澆筑時可分為多層澆筑。

由圖3e可知，同屬B5指標(biāo)下分類貢獻度排序前三的指標(biāo)為C34指標(biāo)分類權(quán)重0.029，C35、C36指標(biāo)分類權(quán)重0.027 11。對C34組合梁臨時固定防風(fēng)措施，可采取增加定位孔并用直徑略小的鋼柱定位；對C36編制事故應(yīng)急預(yù)案，對分類權(quán)重大、發(fā)生概率高且不可避免的指標(biāo)風(fēng)險源制定詳略得當(dāng)?shù)氖鹿蕬?yīng)急處理預(yù)案。

5 結(jié)論

本文運用AHP、兩階段灰色聚類、分類區(qū)分度聚類對鋼板組合梁架設(shè)及橫梁安裝階段施工安全風(fēng)險進行評估，得出以下結(jié)論:

(1)AHP、兩階段三角白化權(quán)函數(shù)灰色聚類、分類區(qū)分度聚類方法優(yōu)勢互補，綜合運用三種評估方法可更細致進行施工安全風(fēng)險評估，鋼板組合梁架設(shè)施工階段一級指標(biāo)風(fēng)險源風(fēng)險等級均為Ⅲ級。

(2)將鋼板組合梁架設(shè)施工階段整體風(fēng)險評估判定為中等風(fēng)險。鋼板組合梁在架設(shè)施工中，通過提前采取一系列風(fēng)險防控措施，未發(fā)生財產(chǎn)損失或人員傷亡，與本文評估風(fēng)險級別“Ⅲ級”的結(jié)論相一致，結(jié)合驗證實例證明了灰色聚類綜合評估方法的正確性與可推廣性。