基于FAHP的鋼桁梁斜拉橋施工安全風險評估研究

張寅濤，張芳全

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司 西安市 710068)

0 引言

隨著我國基礎設施的不斷完善和發(fā)展，大跨度橋梁和特殊結構橋梁不斷出現，由于其結構新穎、施工難度不斷增加以及施工過程中不確定因素較多，因此加強對橋梁施工過程安全風險評估并采取合理防范措施對于保證工程的順利進行尤為重要[1-3]。

國內外學者對橋梁施工安全風險評估方面進行了較為深入的研究[4-5]。2002年，同濟大學聯合中國交通第四航空學院等重要科研機構、單位對上海崇明河穿越工程進行了可行性評估，從此以后我國開始重視橋梁工程風險方面的研究，橋梁設計和施工風險評估在國人眼中也變得不可忽視[6]；2008年嚴新編制了中國第一座橋梁工程“橋梁工程風險評估”，為橋梁風險評估建立了基本理論框架和總體方法；2008 年阮欣提出了一套較為完整的風險管理系統，并在蘇通大橋橋塔施工安全風險中進行了應用，取得了較為理想效果[7]；2011年交通運輸部正式發(fā)布《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南》(試行)，標志著我國橋梁施工安全風險評估逐漸走向正規(guī)化。但是上述橋梁施工安全風險評估研究并沒有考慮施工組織等人為因素對風險的影響作用，同時評價指標體系有待于進一步完善[8-9]。

基于上述的國內外研究成果，提出了基于加權平均法基本原理的模糊層次分析法(FAHP)對斜拉橋施工安全進行全面、系統、客觀的風險評估，并建立橋梁工程總體風險等級，為開展橋梁施工風險評估與管理提供參考依據。

1 模糊層次分析法

模糊層次分析法(FAHP)是基于模糊綜合評判法與層次分析優(yōu)勢而提出的一種定性與定量相結合的系統分析方法[10-12]。鋼桁梁斜拉橋施工安全風險評估過程中FAHP主要包括以下步驟：

(1)建立風險因素集合：對引起橋梁施工過程中安全風險的各種潛在因素進行組合。

(2)建立風險評價集合：對橋梁施工過程中的風險因素進行綜合評價，并根據評價集合得到一個較為客觀、合理的評判結果。

(3)建立風險權重集：以橋梁專家評定打分為依據，結合模糊層次分析法基本原理確定各種風險的相對權重。

(4)單因素模糊評定；首先根據模糊層次分析法建立影響橋梁施工安全的單因素判斷矩陣，并對單因素風險進行判別。

(5)施工過程綜合評定：采用加權平均法構建模糊函數對各個單因素評判的結果根據各自權重對整個項目進行風險評定，并進行風險評價，確定最不利施工安全影響因素，為施工安全措施提供依據。綜合評定的主要思路為先分別對各級事物進行一次模糊綜合評判，再對上一級進行模糊評判運算，直至得出最終的評判結果。

2 工程依托

以某雙塔鋼桁梁結合梁斜拉橋為工程依托，根據提出的FAHP分析方法對該橋梁施工過程安全進行風險評估。該工程主要施工內容包括塔柱與墩柱的基礎施工、塔柱施工、墩柱與輔助墩施工以及鋼桁梁施工四部分。其中塔柱與墩柱的基礎采用先平臺后圍堰施工方法，塔柱采用液壓爬模施工工藝，鋼桁梁采用架梁吊機懸臂施工工藝。根據施工組織設計文件確定了該項目的一級風險指標和二級風險指標，并按照專家評估意見構造了判斷矩陣，計算出了各指標的權重值，如表1所示。

表1 橋梁施工風險指標分類及相關權重

3 斜拉橋施工安全風險評估

根據模糊層次分析法基本流程確定本工程施工風險因素集、評價集合、權重集，并依據加權平均法構建模糊函數，在單因素模糊評定的基礎上進行模糊綜合評定，從而為橋梁施工風險控制措施提供依據。

3.1 風險因素集建立

該斜拉橋施工風險指標分類見表1所示，其中：

U ={u1，u2，u3，u4}

={基礎施工風險，主塔施工風險，邊墩與輔助墩施工風險，鋼桁梁施工風險}

且其中：

u1={u11，u12，u13，u14}

={鉆孔平臺搭設風險，鋼護筒施工風險，鉆孔施工風險，圍堰施工風險}

u2={u21，u22，u23}

={主塔墩身施工風險，縱梁施工風險，塔吊與電梯安拆風險}

u3={u31，u32}

={模版施工風險，塔吊裝拆風險}

u4={u41，u42，u43，u44}

={鋼桁梁運輸風險，浮吊架設風險，架梁機運營風險，拉索施工風險}

3.2 風險評價指標建立

根據該斜拉橋工程施工風險對工程安全性的影響程度得到各個風險因素評價結果矩陣B，并根據以下公式轉化為風險值V：

通過風險值V將施工過程風險分為低風險、中風險、高風險以及極高風險四個級別，并分別對應風險一級、二級、三級和四級，如表2所示。

表2 橋梁施工風險評價指標

3.3 權重集的建立

基于層次分析法基本原理建立(u1，u2，u3，u4)影響因素的風險判斷矩陣。以基礎施工風險u1為例說明權重集的建立原理。

表3 施工風險因素判斷矩陣A1

即：

由表1可得基礎施工風險u1的權重向量：

W1={w11，w12，w13，w14}

={0.37，0.11，0.06，0.46}

進一步：

其中，n=4，且：

本斜拉橋施工過程基礎施工風險影響因素判斷矩陣合理。

3.4 模糊綜合評價

(1)單因素評估

聘請11位橋梁工程專家對本工程施工過程各項風險因素進行風險評價，并按照下式確定各指標的權重：

其中nij表示第i級指標中第j個參數歸為同一風險檔次的專家人數，∑m為專家總數。

(2)模糊矩陣建立

按照上述權重的確定方法計算每個單因素評估向量Rij，并進一步構建各個一級影響因素的關系矩陣Ri。

(3)二級指標風險模糊評估

以基礎施工風險u1為例說明二級指標風險模糊評估方法與步驟。

B1=W1·R1

B1歸一化后得：

進一步：

根據表2，屬于高風險。

同理，主塔施工風險V2=2.78，為高風險；邊墩與輔助墩施工風險V3=1.87，為中風險；鋼桁梁施工風險V4=3.15，為高風險。

(4)一級指標風險模糊評估

同理，對斜拉橋施工過程一級指標風險模糊評估如下：

通過上述分析，該斜拉橋施工過程整體風險屬于三級風險，為高度風險；施工過程中風險因素從大到小分別為鋼桁梁施工風險、基礎施工風險、主塔施工風險以及邊墩與輔助墩施工風險。因此，在該斜拉橋施工過程中合理采用保證鋼桁梁施工的風險措施對于過程的順利進行具有非常重要的意義。

4 安全風險控制措施

根據上述基于模糊層次分析法的安全風險評估結果，該鋼桁梁斜拉橋鋼桁梁施工風險最大，結合鋼桁梁懸臂施工工藝特點提出下述風險控制措施：

(1)架梁吊機在運動和吊裝過程中要保證機械穩(wěn)定性，避免發(fā)生傾覆，同時鋼桁梁懸臂對稱安裝。

(2)在施工作業(yè)區(qū)域及影響范圍內設置安全網和警示標志，確保施工人員及第三人人身安全。

(3)吊機在運動過程中應嚴格控制前進速度保證運行平穩(wěn)，移動到位后要及時進行錨固。

(4)架梁吊機在正式工作前應先進行靜載試驗消除彈性變形，如出現變形過大情況應及時停止施工，查找原因并消除隱患。

(5)對于雨量充沛的地區(qū)，一般在吊機上設置防雨棚，并保證吊機的整體穩(wěn)定性。

(6)在強風和雷暴等惡劣天氣下應停止施工，采取應急處治措施，確保機械設備牢固。

5 結論

隨著我國橋梁結構形式的不斷創(chuàng)新、橋梁施工難度不斷增加以及施工過程中不確定因素的增多，加強對橋梁施工過程安全風險評估對于保證工程的順利進行尤為重要。主要研究成果如下：

(1)基于加權平均法構建了可用于橋梁施工安全風險評估的模糊層次分析法(FAHP)，其主要思路為先分別對各級事物進行一次模糊綜合評判，再對上一級進行模糊評判運算，直至得出最終的評判結果。

(2)基于FAHP建立橋梁施工風險評估模型對各影響因素和整體風險進行評估，確定風險級別。

(3)根據安全風險評估結果可確定橋梁施工安全最不利影響因素，為風險控制措施的合理采取提供依據。

(4)以某雙塔鋼桁梁結合梁斜拉橋為工程依托，基于FAHP分析方法建立了施工過程風險評估模型，并對該橋梁施工過程安全進行風險評估，取得了理想效果，可為其他工程提供參考。