李莉斯,斯朗擁宗,汪漢龍

(西藏大學(xué)工學(xué)院,西藏 拉薩 850000)

1 引言

隨著交通領(lǐng)域的快速發(fā)展,作為一種全新的橋梁工程,剛構(gòu)橋以受力合理性的主要優(yōu)勢(shì)被普遍使用于山區(qū)、丘陵等偏僻或特殊地形中[1]。大跨度剛構(gòu)橋施工過(guò)程中,較長(zhǎng)的施工工期導(dǎo)致其包含風(fēng)險(xiǎn)因素較多?？紤]其跨度較大,自身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,施工過(guò)程中需確保全部截面的完整性[2]。大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中通常選用條件普遍對(duì)稱的分節(jié)段懸臂澆筑法,由此對(duì)其自身結(jié)構(gòu)造成較為多變的內(nèi)力與位移波動(dòng)[3]。同時(shí)結(jié)合大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的大量不確定性因素,令其風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)成為橋梁工程施工研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。

文獻(xiàn)[4]提出一種基于F-R-M法的剛構(gòu)-連續(xù)梁橋施工期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法。該方法以某地一特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象,通過(guò)構(gòu)建有限元模型確定大跨度剛結(jié)構(gòu)施工中存在的敏感參數(shù)以及隨機(jī)變量,然后借助人工智能方法計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)的主要風(fēng)險(xiǎn)以及結(jié)構(gòu)失效風(fēng)險(xiǎn),完成施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。該方法研究中考慮的橋梁參數(shù)較多,具有一定預(yù)測(cè)精度,但操作過(guò)程較為復(fù)雜,存在一定局限。文獻(xiàn)[5]提出基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的跨既有線高速鐵路橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。該方法首先通過(guò)對(duì)現(xiàn)有橋梁進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)因素的識(shí)別,借助4M1E分析方法構(gòu)建施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系,在此基礎(chǔ)上,借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。該方法風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的速度較快,但構(gòu)建的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)存在一定限制,需要進(jìn)一步的改善。

基于上述方法中存在的不足,本文提出一種新的大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法。通過(guò)對(duì)大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)分析,確定其施工風(fēng)險(xiǎn),完成風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)。與傳統(tǒng)方法相比,本文方法具有風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)精度高的優(yōu)勢(shì)。

2 大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法

2.1 大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)流程

大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)以大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工信息采集與分析為基礎(chǔ),確定該施工工程存在潛在風(fēng)險(xiǎn)后,利用模糊層次分析法識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)因素,并利用有限元—徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)—蒙特卡洛模擬(FRM)算法預(yù)測(cè)大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn),輸出準(zhǔn)確風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)值。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)因素確定

風(fēng)險(xiǎn)因素確定是大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的主要環(huán)節(jié)[6],該環(huán)節(jié)所獲取風(fēng)險(xiǎn)因素的準(zhǔn)確性直接影響最終風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。考慮到大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)由多方面因素導(dǎo)致,因此,本文采用模糊層次分析法確定主要風(fēng)險(xiǎn)因素[7]。表1所示為大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)。

表1 施工風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)

利用層次分析法構(gòu)建大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)事故識(shí)別指標(biāo)體系后,選用三標(biāo)度法逐一對(duì)比不同指標(biāo)內(nèi)兩個(gè)因素[8],構(gòu)建優(yōu)先關(guān)系矩陣,獲取模糊一致判斷矩陣。利用風(fēng)險(xiǎn)交流獲取不同指標(biāo)體系間相對(duì)關(guān)鍵度[9]。以U={u1,u2,…,un}表示影響評(píng)價(jià)對(duì)象的n種基本因素集合,通過(guò)式(1)可表示其優(yōu)先關(guān)系判斷矩陣

(1)

式(1)內(nèi),rij可通過(guò)三標(biāo)度法獲取,所得結(jié)果如式(2)所示

(2)

式(2)內(nèi),g(i)為因素u(i)的相對(duì)關(guān)鍵性,g(j)為因素u(j)的相對(duì)關(guān)鍵性。

以r為基礎(chǔ)獲取模糊一致判斷矩陣,其中R表示

(3)

利用Rij描述U={ui,u2,…,un}內(nèi)第i個(gè)因素同第j個(gè)因素間的相對(duì)關(guān)聯(lián)度:

1)在Rij值為0.5的條件下,因素u(i)和因素u(j)的相對(duì)關(guān)鍵性一致;

2)在Rij值為大于等于0且小于0.5的條件下,因素u(j)的關(guān)鍵性高于因素u(i),Rij值同兩因素的關(guān)鍵性間呈反比例相關(guān)[10];

3)在Rij值為大于0.5且小于等于1的條件下,因素u(i)的關(guān)鍵性高于因素u(j),Rij值同兩因素的關(guān)鍵性間呈正比例。

獲取R后,即可依照關(guān)鍵性確定主要風(fēng)險(xiǎn)因素。利用和法確定相對(duì)權(quán)重值,通過(guò)相對(duì)權(quán)重W={wi,w2,…,wn}T描述U={ui,u2,…,un}內(nèi)元素ui,u2,…,un的排序指標(biāo),相對(duì)權(quán)重值確定過(guò)程如下:

1)依列歸一化處理R內(nèi)的元素Rij,獲取指標(biāo)層矩陣B=(bij)n×n,其中:

(4)

2)依行相加矩陣B內(nèi)的各元素,獲取因素層向量C={c1,c2,…,cn}T,其中:

(5)

3)歸一化處理因素層向量C,獲取W={wi,w2,…,wn}T,其中:

(6)

依照所獲取相對(duì)權(quán)重值,得到因素層相對(duì)于指標(biāo)層和指標(biāo)層的相對(duì)關(guān)鍵度。在此基礎(chǔ)上,實(shí)施整體排序各層次,由此獲取因素層相對(duì)于目標(biāo)層的相對(duì)權(quán)重值。式(7)可描述已經(jīng)獲取的指標(biāo)層上n個(gè)因素相對(duì)于目標(biāo)層的W:

(7)

式(7)中,A和B分別表示目標(biāo)層和指標(biāo)層。

式(8)可描述因素層上n個(gè)因素相對(duì)于指標(biāo)層內(nèi)不同指標(biāo)的W

(8)

式(8)中,C表示因素層。

式(9)可描述因素層內(nèi)各因素對(duì)于目標(biāo)層合成的W

(9)

由此利用上述過(guò)程能夠得到各因素對(duì)于目標(biāo)層與指標(biāo)層的相對(duì)權(quán)重值,依照相對(duì)權(quán)重值能夠確定大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工主要風(fēng)險(xiǎn)因素。

2.3 大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

在確定主要風(fēng)險(xiǎn)因素后,利用有限元—徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)—蒙特卡洛模擬(FRM)算法預(yù)測(cè)大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)[11]。

1)依照模糊層析分析法獲取主要風(fēng)險(xiǎn)因素結(jié)合其概率分布,構(gòu)建大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)方程;

2)設(shè)計(jì)各主要風(fēng)險(xiǎn)因素樣本,并在有限元模型內(nèi)引入設(shè)計(jì)完成后的(a+b)主要風(fēng)險(xiǎn)因素,由此獲取(a+b)組響應(yīng)值,通過(guò)組合獲取(a+b)組樣本點(diǎn)。

3)將a組樣本與b組樣本分別作為訓(xùn)練樣本與檢測(cè)樣本數(shù)據(jù),通過(guò)訓(xùn)練徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、檢驗(yàn)樣本準(zhǔn)確定與泛化能力保障徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用性。

4)對(duì)各主要風(fēng)險(xiǎn)因素實(shí)施N次隨機(jī)抽樣,依照蒙特卡羅模擬所需次數(shù)確定N值[12],通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真運(yùn)算獲取N組響應(yīng)值,將所獲取結(jié)果引入極限狀態(tài)方程,通過(guò)蒙特卡羅模擬確定大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)。

3 仿真分析

為驗(yàn)證本文大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法的實(shí)際應(yīng)用性能,在有限元軟件上實(shí)施仿真測(cè)試,以某高速公路上構(gòu)建的大跨度剛構(gòu)橋?yàn)榉抡鎸?duì)象,利用本文方法獲取仿真對(duì)象上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果。

3.1 仿真方案

仿真對(duì)象位于高速公路上,屬于三跨預(yù)應(yīng)力變截面連續(xù)剛構(gòu)橋,跨徑達(dá)到235 m以上,橋墩與橋樁分別采用空心薄壁墩和鉆孔灌注樁。仿真對(duì)象上部結(jié)構(gòu)中板寬度分別為13.0m和6.6m,箱梁根部梁高與合攏段梁高分別為6.2m和2.5m。主梁采用三向預(yù)應(yīng)力體系,鋼絞線與錨具型號(hào)和張拉力分別為15φ15.35mm、OVM15-15和2945kN;豎向與橫向預(yù)應(yīng)力、錨具與張拉力,分別為φ30mm高強(qiáng)精軋螺紋鋼筋和3φ15.35mm鋼絞線、YGM錨具和BM15-3錨具、463kN和597kN。

仿真對(duì)象上部結(jié)構(gòu)混凝土型號(hào)、標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度與初始抗壓強(qiáng)度分別為C50、50MPa和27MPa,預(yù)應(yīng)力整體抗拉強(qiáng)度、彈性模量分別為1950MPa和1.98×105MPa。在仿真軟件內(nèi)設(shè)定仿真對(duì)象上部結(jié)構(gòu)所承受荷載,其中主要包括:自重荷載、二期恒載和預(yù)應(yīng)力荷載。表1所示為仿真對(duì)象上部結(jié)構(gòu)混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼束施工階段容許應(yīng)力數(shù)據(jù)。

表1 仿真對(duì)象上部結(jié)構(gòu)混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼束施工階段容許應(yīng)力數(shù)據(jù)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

在上述參數(shù)基礎(chǔ)上利用仿真軟件構(gòu)建仿真對(duì)象模型,構(gòu)建目標(biāo)層與指標(biāo)層間的優(yōu)先關(guān)系判斷矩陣,在獲取此矩陣后,依照本文方法確定指標(biāo)層內(nèi)四個(gè)指標(biāo)相對(duì)于目標(biāo)層的權(quán)重向量值,獲取結(jié)果與模糊一致矩陣,結(jié)果如表2所示。

表2 目標(biāo)層與指標(biāo)層間模糊一致矩陣及相對(duì)權(quán)重值

分析表2得到,仿真對(duì)象上部結(jié)構(gòu)四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)指標(biāo)的關(guān)鍵度排序?yàn)?質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)>規(guī)劃設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)>建設(shè)施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)>自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。由此說(shuō)明質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)是造成仿真對(duì)象上部結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)的主要指標(biāo),其次為規(guī)劃設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),對(duì)仿真對(duì)象上部結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)影響最小的指標(biāo)為自然環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。

3.2.2 層次排序與一致性檢驗(yàn)

為確定本文方法中指標(biāo)體系因素層內(nèi)各因素對(duì)于指標(biāo)層的相對(duì)關(guān)鍵度,統(tǒng)計(jì)各層權(quán)重,確定風(fēng)險(xiǎn)層析總排序,結(jié)果如表3所示。

表3 層次總排序

分析表3得到,仿真對(duì)象上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)主要指標(biāo)為質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),其中橋墩應(yīng)力因素、合攏端高差因素和懸臂澆筑質(zhì)量因素為造成仿真對(duì)象上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)的主要因素。

3.2.3 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)精度分析

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文預(yù)測(cè)方法的有效性,實(shí)驗(yàn)分析了本文方法、文獻(xiàn)[4]方法以及文獻(xiàn)[5]方法對(duì)樣本對(duì)象上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)精度,得到的結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同方法預(yù)測(cè)精度分析

分析圖1 中數(shù)據(jù)可以看出,在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下采用本文方法、文獻(xiàn)[4]方法以及文獻(xiàn)[5]方法對(duì)樣本結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)的精度存在一定差異。相比之下所提方法的預(yù)測(cè)精度最高約為99%,而其他兩種預(yù)測(cè)方法的精度始終低于本文方法,驗(yàn)證了本文方法的有效性。

4 結(jié)論

大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工過(guò)程的復(fù)雜性導(dǎo)致其事故風(fēng)險(xiǎn)因素具有復(fù)雜性,基于此,本文研究大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法。利用模糊層析分析法確定導(dǎo)致施工風(fēng)險(xiǎn)的主要因素,通過(guò)F—R—M算法預(yù)測(cè)大跨度剛構(gòu)橋上部結(jié)構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)。與傳統(tǒng)方法相比本文方法可有效確定風(fēng)險(xiǎn)因素,且預(yù)測(cè)的精度較高。