當前大跨度斜拉橋的施工風險分析與對策

吳敬鵬

隨著斜拉橋的發展和跨徑的不斷增大,斜拉橋的結構剛度越來越低,結構的幾何非線性效應越來越明顯,各種不確定性對結構的影響也越來越大。

1 當前大跨度斜拉橋的施工風險分析

和其他結構物一樣,大跨度斜拉橋結構中存在著大量的不確定性。同時,由于大跨度斜拉橋結構體系復雜,施工難度大,尤其是大跨度混凝土斜拉橋,多采用懸臂澆筑的施工方法,施工工序多,施工工藝復雜,施工周期又短,這些不利因素進一步增加了大跨度斜拉橋在施工過程中的不確定性。大跨度斜拉橋結構施工過程中的各種不確定性按其成因可分為：決策的不確定性、現象的不確定性、物理的不確定性、模型的不確定性、統計的不確定性、預測的不確定性以及人為不確定性等幾種,其主要體現在以下幾個方面。

1.1 物理的不確定性

物理的不確定性主要包括材料性能的不確定性、幾何參數的不確定性、荷載的不確定性以及非線性引起的不確定性。比如結構構件的材料性能,如材料的強度、彈性模量、泊松比、收縮、膨脹等,由于受材料品質、制作工藝、受荷狀況、外形尺寸及環境條件等因素的影響,會產生一定的變異性,這就是材料性能的不確定性。在實際的橋梁應用中,材料的性能以其標準值表示,而各種材料性能的標準值是根據標準試件和標準試驗方法確定的,并以一個時期內由全國若干個有代表性的生產單位的統計結果來代表全國的平均生產水平。由于標準試件的材料性能本身具有不確定性,且它與實際結構中的材料之間又具有差異性,以及標準試驗條件與構件的實際工作條件也具有差異性,因此,實際結構構件的材料性能存在著各種不確定性。同時大跨度斜拉橋結構在施工過程中,始終存在著各種施工荷載的作用,而無論是結構恒載,還是施工活載或其他施工荷載,都不可避免地存在著各種隨機誤差的干擾,具有一定的不確定性。施工荷載的不確定性,一方面體現在荷載的大小具有隨機性,另一方面體現在荷載具有時間和空間上的隨機性,而這種隨機性卻很難用確定性的指標來描述。因此,施工荷載的不確定性威脅著結構的施工安全,應予以足夠的重視。

1.2 模型的不確定性

結構計算模式的不確定性,主要是指抗力計算中采用的某些基本假定和計算公式的不精確性等而引起抗力值的變異性。例如在建立結構構件計算公式的過程中,常采用理想彈性、勻質性、各向同性及平面變形等假定,采用矩形、三角形等簡單的截面應力圖形來代替實際的曲線分布應力圖形,采用簡支、固支等典型的邊界條件來代替實際的邊界條件,以及采用線性化方法來簡化計算表達式等。所有這些近似的處理,必然導致實際結構構件的抗力與給定公式計算的抗力之間的差異。結構計算模式的不確定性,就反映了這些差異,并從統計結果上對其加以界定。

1.3 統計的不確定性

大跨度斜拉橋施工過程中統計的不確定性主要包括以下兩方面含義：1)在對施工階段的結構參數、結構狀態、設施狀態以及環境條件等方面進行測試的過程中所產生的不確定性。由于測試儀器本身、儀器安裝、測量方法、數據采集、環境狀態等方面存在誤差,使測試統計過程產生諸多不確定性,如測試條件與結構所處的自然狀態不一致而產生的不確定性,以及測試手段受客觀條件的限制而造成測試結果的不完全正確所產生的不確定性等。2)對各種數據進行統計分析所帶來的不確定性。人們通過對施工過程中的各種數據進行統計分析,來推斷事物的性質和狀態。但用有限的數據樣本來替代無限樣本并不能完全反映事物的本質,存在著一定的偏差,帶來統計的不確定性;另外,不同的統計數據集常常會產生不同的統計估計量,也將引起統計的不確定性。

1.4 人為因素的不確定性

在結構橋梁的設計、建造、使用等各個階段都有人的參與,人是建設活動的主體,因此,在橋梁建設過程中,不能不考慮人為因素的影響。由于受心理因素、生理因素、個體因素以及環境因素等方面的影響,人的行為將不可避免地產生誤差和錯誤,即人為失誤,這給建設活動帶來諸多不確定性,甚至導致橋梁事故的發生。在大跨度斜拉橋施工過程中,人為失誤主要來自于以下幾個方面：施工操作方面的失誤,如施工方法失誤、施工順序失誤及操作行為失誤等;技術管理方面的失誤,如不按圖施工、不遵守施工規范、施工方案與技術措施不當等;組織管理方面的失誤,如組織設計與措施不當、不認真貫徹執行施工組織設計、現場指揮失誤、組織協調不力及檢查督促不力等;制度管理方面的失誤,如各類管理制度不健全、人員管理不力、教育培訓不力等。施工期間的人為失誤具有多維隨機性、涉及范圍廣、難以控制等特點,應當予以足夠的重視。

2 加強大跨度斜拉橋的施工風險識別與控制的措施

2.1 施工風險的識別

大跨度斜拉橋風險識別包括確定風險的來源,風險產生的條件,描述其風險特征和確定哪些風險會對本項目產生影響。風險識別的方法很多,目前比較常用的方法有：頭腦風暴法、德爾菲法、情景分析法等。

1)頭腦風暴法。頭腦風暴最常用的風險識別方法,它是借助于專家的經驗,通過會議,集思廣益來獲取信息的一種直觀的預測和識別方法。該方法由美國專家奧斯本于1939年首創,從20世紀50年代起就得到了廣泛的應用。2)德爾菲法。德爾菲法又稱為專家調查法,采用該方法,首先是由項目風險管理人員選定和該項目有關領域的專家,并與之建立直接的函詢聯系,通過函詢進行調查,收集意見后加以整理,然后將整理后的意見通過匿名的方式返回專家再次征求意見,如此反復多次后,專家之間的意見將會逐漸趨于一致,可以作為最后預測和識別的依據。3)情景分析法。情景分析法實際上就是一種假設分析方法,首先總結整個項目系統內外的經驗和教訓,根據項目發展的趨勢,預先設計出多種未來的情景,對其整個過程做出自始至終的情景描述;與此同時,結合各種技術、經濟和社會因素的影響,對項目的風險進行預測和識別。這種方法特別適合于提醒決策者注意某種措施和政策可能引起的風險或不確定性的后果;建議進行風險監視的范圍;確定某些關鍵因素對未來進程的影響;提醒人們注意某種技術的發展會給人們帶來的風險。

2.2 施工風險控制方法

2.2.1 優化施工技術

首先是選取合理的安全系數。安全系數是橋梁施工中必須考慮的一個因素,它能保證橋梁或施工機械零部件所要求的強度,保證設備安全運行和工藝工序的正常進行。在橋梁設計和施工技術方案中,要按照既安全可靠又節省的原則,從安全和效益兩個方面考慮,辯證統一地進行分析,選取合理的安全系數。其次是提高可靠性,提高橋梁和附件在規定條件下和規定時間內完成規定功能的性能,具體有降低額定值、冗余設計、選用高質量材料、維修保養和定期更換等。同時要加強安全監控,即對橋梁施工中的危險源進行監控,控制某些技術參數,使其達不到危險的程度,從而避免事故。

2.2.2 加強和完善建設安全制度

一方面應加強政府對建設橋梁施工項目安全的監管,保證施工項目設備及安全措施費為不競價費用、專項費用;另一方面應不斷淘汰落后的技術、工藝和采用與經濟發展水平同步,適度提高橋梁施工項目安全設防標準,從而提升施工項目安全技術與控制水平,降低橋梁建設施工項目安全風險。例如根據橋梁地質條件,在橋梁深基坑開挖、人工挖孔樁降水、隧道鑿進的施工項目技術方案審查應考慮周圍和地面已有橋梁、設施的安全,不但要考慮支擋和支撐結構安全,還要采用止水帷幕。同時建議開展施工項目安全重大危險源的辨識和項目施工項目安全風險評價,對可能影響社區安全的施工項目進行城市建設施工項目安全重大危險源登記。重大危險源登記的主要內容應包括橋梁名稱、危險源類別、地址(地段)、建設開發單位、施工項目單位及聯系人、聯系辦法、重大危險源可能造成的危害、施工項目安全主要措施和應急救援預案。有研究提出了基于神經網絡有限元蒙特卡羅模擬(F-A-M)的風險概率估計方法。該方法不但成功解決了橋梁結構統計的不確定性,而且解決了隨機模擬與有限元數值計算兩種方法的禍合問題,以及隨機有限元計算量太大的弊端;該方法可直接利用廣泛應用的有限元分析程序而無需改動,同時大大減少了結構計算的次數和時間,提高了風險概率分析的效率。

2.3 重視員工的教育培訓工作

當前世界各國對橋梁施工員工的教育培訓都十分重視,且有明確的法律、法規、規定,企業切實按規定的要求執行,使所有橋梁施工人員的安全意識和安全素質得到普遍提高,使持證上崗得到真正落實,使進入橋梁工地的任何人在進入前就得到安全知識的教育,明確企業在橋梁工地的安全管理規定和個人行為的要求。

總之,大跨度斜拉橋施工期間存在著大量的不確定性,我們應該積極對大跨度斜拉橋進行施工風險識別、風險估計與綜合評價,并就分析結果提出針對性的風險應對措施與決策建議,從而為橋梁施工風險分析理論與方法在實際橋梁中的具體應用和發展提供參考。

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