層次分析法在CFST拱橋施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估中的應(yīng)用

吳剛剛，李彩霞

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530011)

0 引言

CFST拱橋經(jīng)濟(jì)、美觀、適用性好，自1990年我國第一座CFST拱橋——四川旺蒼大橋建成以來，目前已有400余座。與此同時(shí)，隨著CFST拱橋數(shù)量的高速增長，施工事故也愈發(fā)頻繁：1996年建成的重慶烏江二橋使用不到8年，就由于脫空脫黏問題而被迫拆除；2013-05-21，資陽市沱江三橋，纜索吊裝施工時(shí)支架發(fā)生垮塌，造成5人死亡2人受傷。這些事故帶來巨大的損失。因此，有必要對CFST拱橋開展施工過程安全風(fēng)險(xiǎn)評估，建立CFST拱橋施工過程安全風(fēng)險(xiǎn)評估理論，從

而有效地進(jìn)行施工事故的預(yù)防和管理。

目前，層次分析法已廣泛應(yīng)用于水利、交通等土木工程領(lǐng)域的安全風(fēng)險(xiǎn)評估，其可靠性也得到了廣泛的認(rèn)可。基于此，本文結(jié)合文獻(xiàn)[12]的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)研情況，以馬灘紅水河大橋?yàn)楣こ桃劳校捎脤哟畏治龇ㄟM(jìn)行施工過程安全風(fēng)險(xiǎn)評估。首先，根據(jù)馬灘紅水河大橋施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)情況，建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型，然后采用專家調(diào)查法獲取各層次的數(shù)據(jù)，據(jù)此形成各層次的判斷矩陣，最后，將各層次的判斷矩陣集成得到各層元素對目標(biāo)層的合成權(quán)重，從而實(shí)現(xiàn)對馬灘紅水河大橋施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估。

1 應(yīng)用層次分析法進(jìn)行CFST拱橋施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估

層次分析法(簡稱AHP)將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，以此進(jìn)行定性和定量相結(jié)合的分析方法。其具體的分析流程圖如圖1所示：

圖1 層次分析法分析流程圖

根據(jù)圖1可知，層次分析法主要包括四個(gè)步驟：

1.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)

CFST拱橋施工過程危險(xiǎn)性風(fēng)險(xiǎn)性分析包括：自然因素和人的因素兩個(gè)方面，其中，自然因素包括環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素和項(xiàng)目本身自然因素；人的因素包括管理因素、施工因素、設(shè)計(jì)因素和監(jiān)控方面因素。

根據(jù)CFST拱橋施工過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)情況，建立CFST拱橋遞階層次結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示：

圖2 馬灘紅水河大橋施工風(fēng)險(xiǎn)性分析的遞階層次結(jié)構(gòu)模型示意圖

1.2 構(gòu)造判斷矩陣

由于需要確定各準(zhǔn)則在目標(biāo)衡量中所占比值情況，T.L.Saaty教授通過數(shù)字1～9及其倒數(shù)進(jìn)行定義如表1所示的判斷矩陣B=(bij)n×n，再采用專家調(diào)查法的問卷調(diào)查結(jié)果形成各層次的判斷矩陣。

表1 判斷矩陣標(biāo)度定義表

1.3 一致性檢驗(yàn)

(1)計(jì)算一致性指標(biāo)CI

(1)

式中，λm為判斷矩陣的最大特征值。

(2)查找一致性指標(biāo)RI(見表2)

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)表

(3)計(jì)算一致性比例CR

CR=CI/RI

(2)

若CR<0.1，則判斷矩陣的一致性是可以合理的，反之，判斷矩陣不合理，需要修正。

(4)計(jì)算各層元素對目標(biāo)層的合成權(quán)重

將每個(gè)判斷矩陣各因素針對目標(biāo)層(最上層)的相對權(quán)重的合成。這一權(quán)重的計(jì)算按照從上而下的方法，逐層合成。

1.4 層次分析法權(quán)重向量W計(jì)算方法

文獻(xiàn)[3]研究表明：現(xiàn)有的計(jì)算權(quán)重主要包括幾何平均法、算術(shù)平均法、特征向量法和最小二乘法四種方法，其中，采用前三種方法計(jì)算權(quán)重的結(jié)果很接近。因此，為了便于計(jì)算，采用如式(3)算術(shù)平均法進(jìn)行權(quán)重的分析，即：

(3)

式中，aij表示矩陣中的各元素。

2 層次分析法在馬灘紅水河大橋施工危險(xiǎn)性分析中的應(yīng)用

2.1 工程概況

馬灘紅水河特大橋是來賓市境內(nèi)的一座中承式拱橋，該橋跨徑為336 m，分為左右雙線橋，矢跨比為1/4，拱軸線采用倒懸連線，拱軸系數(shù)m=1.167。拱肋為變高的四肢桁式鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，拱腳桁高12 m，拱頂桁高7 m，寬3 m，單根拱肋采用4根φ1 200×32(28，24，22)mm鋼管組成上下弦管，弦管之間水平采用φ813×20 mm鋼管橫向連接，拱腳側(cè)通過綴板連接，豎腹桿、斜腹桿均采用φ610×16 mm的Q345C空鋼管。上弦桿兩根主弦管及下弦桿兩根主弦管為啞鈴狀結(jié)構(gòu)形式。單條拱肋分為24段，全橋共96段，如圖3所示。

圖3 馬灘紅水河大橋立面圖

該橋自重大、吊裝施工節(jié)段數(shù)多，因此，在施工過程中，面臨施工線形難以控制、調(diào)索困難等一系列施工風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 應(yīng)用層次分析法評估各指標(biāo)權(quán)重

馬灘紅水河大橋施工危險(xiǎn)性評價(jià)因子判斷矩陣A，自然因素和人的因素分別用B1，B2表示，其中B1又包括環(huán)境因素和工程本身因素，B2又包括設(shè)計(jì)因素、施工因素、監(jiān)控因素和管理因素。以此進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評估分析，得到各判斷矩陣，如表3～11所示。

表3 馬灘紅水河大橋危險(xiǎn)性評價(jià)因子判斷矩陣表

表4 不同自然因素判斷矩陣表

表5 人的不同因素判斷矩陣表

表6 不同環(huán)境因素判斷矩陣表

表7 工程本身因素判斷矩陣表

表8 設(shè)計(jì)因素判斷矩陣表

表9 監(jiān)控因素判斷矩陣表

表10 管理因素判斷矩陣表

表11 施工因素判斷矩陣表

2.3 計(jì)算各層對目標(biāo)層的合成權(quán)重

計(jì)算各層合成權(quán)重CR。

(4)

式中，bi表示層次B中包含n各元素(即B1，B2，B3，B4，B5)所對應(yīng)的層次權(quán)重值，CIi和RIi分別為Bi所對應(yīng)的一致性指標(biāo)和平均隨即一致性指標(biāo)。

因此，根據(jù)式(4)計(jì)算得到總權(quán)重CR=0.011，小于限值0.1，即滿足條件。

再進(jìn)一步計(jì)算得到各層元素對目標(biāo)層的總權(quán)重，如表12所示。

根據(jù)表12中各分區(qū)總權(quán)重顯示，該橋的風(fēng)險(xiǎn)因素排序由高到低分別為：技術(shù)匱乏→結(jié)構(gòu)特性→材料特性→操作有誤→數(shù)據(jù)不足→安全意識→構(gòu)件選取不合理→設(shè)計(jì)不合理和指揮失職→自然災(zāi)害。

3 結(jié)語

本文以在建中承式CFST拱橋——來賓馬灘紅水河大橋?yàn)橐劳泄こ蹋捎脤哟畏治龇▽ζ涫┕み^程中的安全風(fēng)險(xiǎn)情況進(jìn)行評估，并得到以下結(jié)論：

(1)馬灘紅水河大橋施工事故的發(fā)生具有隨機(jī)性、發(fā)展過程的復(fù)雜性以及現(xiàn)有安全儲(chǔ)備的不完整性，在進(jìn)行施工危險(xiǎn)性分析時(shí)，很多因素都無法直接量化，因此結(jié)合層次分析法使馬灘紅水河大橋的安全風(fēng)險(xiǎn)評估更具科學(xué)性。

(2)采用層次分析法進(jìn)行馬灘紅水河大橋施工危險(xiǎn)性分析時(shí)，按照結(jié)構(gòu)施工危險(xiǎn)性的可能性排序可以有效、有側(cè)重點(diǎn)地進(jìn)行施工事故的預(yù)防和安全管理工作。

表12 各層元素對目標(biāo)層的合成權(quán)重表