彭 雪

(咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽(yáng) 712000)

橋梁安全評(píng)估是確定現(xiàn)有橋梁質(zhì)量的一種方法，可為橋梁安全提供科學(xué)指導(dǎo)。道路和橋梁建設(shè)過程中存在著安全風(fēng)險(xiǎn)，如果得不到充分預(yù)防，將可能導(dǎo)致人員傷亡。橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不斷深入發(fā)展，可以采用模糊綜合評(píng)價(jià)與層次分析相結(jié)合的方法，構(gòu)建評(píng)價(jià)模型識(shí)別，計(jì)算具體的安全風(fēng)險(xiǎn)因素，為諸多風(fēng)險(xiǎn)控制提供重要數(shù)據(jù)。

1 在役橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的重要性

橋梁的安全性尤為重要，這是一種在荷載作用下仍能正常工作而不發(fā)生事故的能力。影響這種能力的因素很多，涉及橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和施工技術(shù)，也受維護(hù)程度、完工后使用情況的影響。橋梁對(duì)于保障交通系統(tǒng)運(yùn)行至關(guān)重要，其發(fā)生故障可能會(huì)對(duì)區(qū)域安全、交通和經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重威脅。惡劣的環(huán)境條件和不斷增加的交通量可能會(huì)導(dǎo)致橋梁惡化，及時(shí)維護(hù)至關(guān)重要。橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是避免橋梁安全事故、保障公眾安全的重要手段。橋梁主要受到兩種危險(xiǎn)類別的影響，即自然災(zāi)害和人為災(zāi)害，其中地震、海嘯、颶風(fēng)、洪水、碎片、沖刷、冰、土壤和橋梁年齡屬于自然災(zāi)害類別，這些風(fēng)險(xiǎn)因素不可預(yù)測(cè)且不可控制，其來源于自然；人為災(zāi)害則包括碰撞、超載、變質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、火災(zāi)等。我國(guó)公路橋梁出現(xiàn)問題的主要原因是過度使用及使用過程中未進(jìn)行維護(hù)[1]。

科學(xué)的識(shí)別方法和評(píng)價(jià)分析是控制施工期安全風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)。用于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的主要方法有蒙特卡洛模擬分析、層次分析法(AHP)、理想解相似性排序偏好技術(shù)(TOPSIS)、機(jī)器學(xué)習(xí)方法、三角模糊數(shù)(TFN)。

風(fēng)險(xiǎn)分析的概念起源于法國(guó)，最早應(yīng)用于保險(xiǎn)業(yè)。20世紀(jì)50年代，風(fēng)險(xiǎn)管理被確立為一門獨(dú)立的學(xué)科。風(fēng)險(xiǎn)分析包括對(duì)事物的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有助于了解結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)和識(shí)別特定的風(fēng)險(xiǎn)源因素。許多學(xué)者對(duì)大型復(fù)雜橋梁施工期間的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了研究。Peng等[2]應(yīng)用綜合層次分析方法和云模型，提出了一種云聚類的聚類決策方法，通過專家評(píng)分，確定主要風(fēng)險(xiǎn)因素和風(fēng)險(xiǎn)損失，并應(yīng)用云生成器計(jì)算專家評(píng)分的數(shù)值特征，以定量評(píng)估橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)。劉林等[3]總結(jié)了橋梁施工期的風(fēng)險(xiǎn)因素，不同因素會(huì)根據(jù)其影響程度產(chǎn)生不同的后果，當(dāng)幾個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素相互交叉時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)概率會(huì)大大增加。劉沐宇等[4]在研究先進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)管理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用多層次評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，對(duì)橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以有效地為橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)管理提供指導(dǎo)。

2 西北干寒地區(qū)在役橋梁安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系

2.1 安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系的建立

主要從文獻(xiàn)研究方法、事故原因理論分析、事故統(tǒng)計(jì)分析和施工方法分析4個(gè)角度確定了橋梁施工過程中的主要風(fēng)險(xiǎn)因素。公路和橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)源可分解為人員風(fēng)險(xiǎn)、材料和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)、施工環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)和施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。通過事故原因的理論分析、事故統(tǒng)計(jì)分析、施工方法分析，得出人員風(fēng)險(xiǎn)、材料設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)、施工環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、施工技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，確定了重要風(fēng)險(xiǎn)因素，建立了橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，如圖2所示。此外，經(jīng)濟(jì)合同問題、材料和設(shè)備運(yùn)輸、安全措施不足、非法施工作業(yè)、施工監(jiān)控情況、施工現(xiàn)場(chǎng)條件，其他風(fēng)險(xiǎn)因素可能會(huì)對(duì)橋梁施工產(chǎn)生不利影響。需充分關(guān)注橋梁施工過程，盡可能降低橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)水平。

圖1 橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Bridge construction safety risk evaluation index system

2.2 基于熵權(quán)法的安全風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重計(jì)算

橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系使用3個(gè)參數(shù)Ex、En和He來描述數(shù)值的大小、振蕩程度和分散程度，與熵概念基本相同，但數(shù)據(jù)內(nèi)涵更豐富，更符合實(shí)際分布。使用橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系并參考熵法對(duì)指標(biāo)可變性進(jìn)行改進(jìn)，得到了計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的改進(jìn)模型。專家的主觀判斷通過云模型處理為代表不確定性的關(guān)鍵代表性參數(shù)，改進(jìn)的計(jì)算模型通過主觀和客觀測(cè)量的有機(jī)結(jié)合，盡可能科學(xué)地反映風(fēng)險(xiǎn)因素重要性的權(quán)重分布。

使用m個(gè)專家和n個(gè)評(píng)估度量，根據(jù)云模型逆生成器公式，獲得了計(jì)算第j個(gè)評(píng)估度量的云模型數(shù)值特征值的公式，如下式所示：

(1)

(2)

(3)

式中，i=1,2,…,m；j=1,2,…,n；Exj，Enj，Hej分別是第j個(gè)指標(biāo)的期望值、熵值和超熵值。傳統(tǒng)的權(quán)重計(jì)算方法用于求解第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重βj，如等式4所示。

(4)

基于熵權(quán)法和對(duì)橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系生成的準(zhǔn)確性和有效性的需要，邀請(qǐng)了10位專家對(duì)西北干寒地區(qū)部分在役橋梁進(jìn)行調(diào)查分析，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)概率大小和風(fēng)險(xiǎn)損失大小兩個(gè)原則對(duì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分，評(píng)分結(jié)果如表1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)評(píng)分結(jié)果Tab.1 Scores of risk index

通過云模型逆生成器處理上表中的專家評(píng)分結(jié)果后，根據(jù)等式1～3獲得每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的預(yù)期得分Exj、離散度Enj和隨機(jī)度Hej。根據(jù)等式4，通過傳統(tǒng)的權(quán)重計(jì)算方法計(jì)算權(quán)重βj，結(jié)果如表2所示。

表2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的客觀加權(quán)Tab.2 Objective weight of risk index

表2分析表明，各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的預(yù)期值分布良好，區(qū)間差異更為明顯；熵值和超熵值表示專家意見的分散程度。通過權(quán)重計(jì)算方法獲得的風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重值一般為6%～9%，權(quán)重值分布相對(duì)均勻。這樣的結(jié)果不利于區(qū)分主次權(quán)重，也不利于因素重要性的判斷。

3 西北干寒地區(qū)在役橋梁安全長(zhǎng)期性能研究

對(duì)于在役橋梁，檢測(cè)結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的涂層狀況、材料腐蝕和疲勞裂紋，以評(píng)估長(zhǎng)期性能。為了研究西北干寒地區(qū)在役橋梁的長(zhǎng)期性能，通常采用不同的檢測(cè)方法，包括無損檢測(cè)、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)試、結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)及多種檢測(cè)措施。鋼橋長(zhǎng)期性能研究主要分為3部分，即試驗(yàn)研究、有限元分析和現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)性能研究，具體內(nèi)容如圖2所示。其主要包括3個(gè)層面，即材料層面、元素層面和結(jié)構(gòu)層面。材料水平上，研究基礎(chǔ)橋梁上的鋼的性能，包括抗拉強(qiáng)度性能、不同溫度下的韌性和抗疲勞裂紋性能等。材料性能研究的試驗(yàn)結(jié)果有助于識(shí)別橋梁長(zhǎng)期使用后的材料退化性能，這對(duì)于橋梁性能評(píng)估是必要的。在元件或部件層面，考慮到制造性能和腐蝕特性，通過全尺寸模型的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，研究橋梁中典型細(xì)節(jié)的疲勞性能，如鋼橋面板、腹板間隙和典型連接。在結(jié)構(gòu)層面，基于材料層面和元素層面獲得的信息，可以監(jiān)測(cè)或評(píng)估橋梁結(jié)構(gòu)的性能，包括結(jié)構(gòu)安全性、剩余疲勞壽命、創(chuàng)新加固方法研究和溫度梯度監(jiān)測(cè)。有限元數(shù)值研究是橋梁性能研究的一種有效且必要的方法，通?？梢愿鶕?jù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果建立和校準(zhǔn)有限元模型。該校準(zhǔn)的有限元模型可用于擴(kuò)展分析規(guī)模。此外，基于材料或元件性能參數(shù)，可以建立整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)模型并評(píng)估結(jié)構(gòu)性能。對(duì)于在役橋梁性能研究，選擇典型鋼橋，包括不同地區(qū)的公路和鐵路鋼橋，進(jìn)行交通量調(diào)查、靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)、溫度梯度監(jiān)測(cè)、疲勞性能研究和結(jié)構(gòu)安全評(píng)估、創(chuàng)新加固措施和維護(hù)策略研究。基于有限元分析、試驗(yàn)研究和在役橋梁性能研究，對(duì)在役鋼橋長(zhǎng)期性能進(jìn)行評(píng)估，以獲取實(shí)際工況，建立科學(xué)的鋼橋設(shè)計(jì)、評(píng)估、加固和維護(hù)系統(tǒng)[5]。

圖2 橋梁長(zhǎng)期性能研究框架Fig.2 Bridge long-term performance research framework

4 結(jié)語(yǔ)

橋梁作為重要的陸路交通樞紐，直接影響著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展。我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不斷加快，橋梁建設(shè)在跨度、施工難度、施工技術(shù)等方面都達(dá)到了新的高度。為了更好地保障橋梁安全，減少橋梁安全事故的發(fā)生，應(yīng)在橋梁工程的安全施工中投入更多精力，建立橋梁安全評(píng)估模型時(shí)，應(yīng)盡可能考慮所有因素，使評(píng)估結(jié)果更準(zhǔn)確，確保橋梁工程安全。