斜拉索跨越管橋安全狀況評定方法研究

張志東高級工程師 駱吉慶 何 莎高級工程師 杜 雷 李姝璇

（1.四川科特檢測技術有限公司，四川 廣漢 618300；2.川慶鉆探工程有限公司安全環保質量監督檢測研究院，四川 廣漢 618300；3.四川宏大安全技術服務有限公司，四川 廣漢 618300；4.中國石油工程建設有限公司，北京 100032）

0 引言

油氣管道斜拉索跨越是油氣管道跨越常用的結構形式之一[1]，它往往是長輸管道的咽喉，具有極其重要的作用，一旦發生事故，不僅影響油氣的正常運輸，且會造成環境污染，帶來巨大的經濟損失和不良社會影響。

目前，國內針對斜拉索跨越管橋安全狀況評定方法的研究成果較少?！豆窐蛄杭夹g狀況評定標準》提出了斜拉橋技術狀況評定方法及等級分類[2]，但并未涉及斜拉索跨越油氣管道?！秹毫艿蓝ㄆ跈z驗規則—工業管道》給出了在用工業管道的安全狀況等級的評定條件[3]，但只針對在用工業管道及其附屬設施，并未提及斜拉索跨越管橋中所包含的斜拉索、錨固墩等重要結構。雖然已有學者對斜拉索跨越管橋的有限元模擬和風險評價方法進行了研究[4-6]，但缺乏專門針對斜拉索跨越管橋安全狀況評定方法方面的研究，也未見相應的標準與法律法規。

鑒于此，筆者將結合工程實際，借鑒《公路橋梁技術狀況評定標準》斜拉橋技術狀況評定思想，針對跨越油氣管道，增加“管橋系”模塊，構建斜拉索跨越管橋安全狀況評定指標體系。采用網絡層次分析法和熵權法相結合的組合賦權法計算指標的權重，進而求得斜拉索管橋的安全狀況評分，確定安全狀況評定等級，以期為管道企業安全運行管理提供一定的技術支持與理論依據。

1 斜拉索跨越管橋安全狀況評定指標體系建立

本文結合油氣管道斜拉索跨越的現場工程實際，借鑒《公路橋梁技術狀況評定標準》斜拉橋技術狀況評定思想[2]，構建安全狀況評定指標體系，包含3個一級指標和13個二級指標，如下圖。

圖 斜拉索跨越管橋安全狀況評定指標體系Fig. Index system of safety evaluation for cable-stayed pipeline bridge

底層指標的評分標準參照文獻[2]，分值論域為[0, 100]，安全狀況越良好指標的分值越高。

斜拉索跨越管橋上部結構、下部結構和管橋系的安全狀況評分按下式計算：

式中：

SP—上部結構安全狀況總評分；

BPi—上部結構中單個部件i的安全狀況評分；

SB—下部結構安全狀況總評分；

BBi—下部結構中單個部件i的安全狀況評分；

SD—管橋系安全狀況總評分；

BDi—管橋系中單個部件i的安全狀況評分；

ωi—部件i在斜拉索跨越管橋系統中的組合權重。

斜拉索跨越管橋的安全狀況評分按下列公式計算：

式中：

S—斜拉索跨越管橋的安全狀況評分。

2 指標權重計算

傳統的賦權方法大致可分為兩大類：主觀賦權法和客觀賦權法。主觀賦權方法的優點是專家可以根據實際問題，較為合理地確定各指標之間的排序，但主觀隨意性大?？陀^賦權法的原始數據來源于評價矩陣的實際數據，客觀性較強，但沒有考慮到決策者的偏好且易受數據波動的干擾[7]。為此，人們提出了綜合主、客觀賦權法的綜合集成賦權法[8-10]。本文在網絡層次分析法[11]（Analytic Network Process，ANP）和熵權法[12-13]基礎上，采用幾何平均賦權法計算指標組合賦權，使得最終確定的組合權重能更好地反映斜拉索跨越管橋的實際工程情況。

2.1 網絡層次分析法

考慮到各指標間存在相互影響，引入ANP計算各指標權重[14-15]，ANP是一種主觀賦權法。假定ANP結構控制層中有元素D1，D2，…，DN，網絡層次中有N個元素集C1，C2，…，CN，Cp中有元素εp1，εp2，…，εpg（p=1，2，…，N），Cq中有元素εql（q=1，2，…，N），元素集Cp中元素按其對εql的影響大小進行兩兩比較，得到比較矩陣Wpq：

若Cp中元素對Cq中元素沒有影響，則Wpq=0，最終獲得超矩陣W。為使超矩陣W能夠收斂，決策者需要進一步比較信息使之隨機化。以DN為準則，對元素集Cp（p=1，2，…，N）的重要性進行比較。與Cp無關的元素集的排序向量分量為0，以此得到加權矩陣A[16]。

超矩陣W的加權超矩陣對加權超矩陣取λ→∞（λ表示決策者影響程度累加次數），得到的矩陣逐漸收斂至一固定值，即為ANP計算得到的權重，記為αi。

2.2 熵權法

熵權法是一種客觀賦權方法，根據各評價指標的變異程度，利用信息熵計算出各指標熵權，從而得到較為客觀的指標權重[17]。假設有m個評價對象，有n個底層指標，xij表示第j個評價對象的第i個指標的得分，構建初始矩陣Xij=(xij)nm。

（1）計算第j個評價對象的第i個指標分值的比重Pij：

（2）確定各指標熵值Ei：

式中：

（3）信息熵確定后，計算第i個指標的熵權值βi：

2.3 組合權重

結合ANP和熵權法，采用幾何平均賦權法計算組合權重[18]，公式如下：

其中，θ為偏好系數，取值范圍為[0,1]。當專家經驗不足時，客觀權重就較為重要，θ偏小，反之則偏大。由于θ的取值不同，計算結果也會有所差異[19]，應用中要充分考慮實際情況，靈活取值，本文中θ取0.5。

3 安全狀況評定等級劃分

斜拉索跨越管橋的安全狀況評分S總體上反應了管橋的安全狀況，借鑒文獻[2]中的橋梁總體技術狀況評定等級劃分原則，將斜拉索跨越管橋的安全狀況等級分為4級，管橋安全狀況等級的劃分及意義，見表1。

表1 斜拉索跨越管橋安全狀況評定等級Tab.1 Safety evaluation grade of cable-stayed pipeline bridge

有下列情況之一時，斜拉索跨越管橋安全狀況應評為4級：

（1）斜拉索鋼絲出現嚴重銹蝕、斷絲。

（2）索塔、橋墩、橋臺或墩臺基礎不穩定，出現嚴重滑動、下沉、位移或傾斜等現象。

（3）管道由于第三方破壞或腐蝕等因素，導致剩余壁厚承壓能力不足，無法達到規范標準的相關要求。

斜拉索跨越管橋安全狀況評定時，當主要部件評分為3級或4級（主要部件安全狀況等級評定參照表1）且影響跨越管橋安全時，可按照斜拉索跨越管橋主要部件最差的缺損狀況評定。

4 實例分析

以西南地區某天然氣長輸管道的其中一段斜拉索跨越管橋為例，進行安全狀況評定。結合前期已開展的現場踏勘、資料審查、上部結構檢測、下部結構檢測和管橋系檢測等工作，邀請5位專家針對斜拉索跨越管橋安全狀況評定的相關指標進行打分，并取平均值，見表2。

4.1 確定組合權重

由于加權超矩陣計算十分復雜，此處采用超級決策軟件Super Decisions（SD）計算指標的主觀權重αi，詳見文獻[16]；根據式（6）～（8）計算客觀權重βi；由式（9）確定組合權重ωi，詳細計算結果，見表2。

4.2 安全狀況等級評定

根據表2中的數據，結合式（1）～（4）和表1可得各指標及斜拉索跨越管橋的總體安全狀況等級，評定結果，見表3。

表2 指標評分及權重Tab.2 Evaluation value and weight of each index

表3 各指標及斜拉索跨越管橋安全狀況評定等級Tab.3 Safety evaluation grade of each index and cable-stayed pipeline bridge

實際檢測發現，該斜拉索跨越管橋并未出現第3節列舉的情況，結合安全狀況評定等級劃分的相關要求，案例評定結果為：斜拉索跨越管橋安全狀況等級為3級。

4.3 評定結果分析

一級指標中，管橋系指標占40.16%，應作為斜拉索跨越管橋安全保護工作的重點，這與斜拉索跨越管橋運行管理的實際情況相吻合。“錨固墩”評分為61.6，單項指標評定結果為3級，安全狀況較差，且“錨固墩”在整個評價體系中的組合權值為“0.1197”，重要程度僅次于“管道”（權值為0.3164）和“斜拉索系統”（權值為0.1479），故管道管理方應盡快對錨固墩進行治理。該斜拉索跨越管橋安全狀況評定等級為3級，表明管橋的使用功能已受到了嚴重影響，結合現場檢測結果，其原因主要包括：斜拉索護套防護層破損、索塔和支座出現了一定程度的銹蝕、錨固墩混凝土碳化較為嚴重、護坡工程由于河水沖刷和風蝕損毀嚴重。管道管理方應結合現場檢測及安全狀況評定結果，制定全面的修治方案，以保障斜拉索跨越管橋的安全運行。

5 結論

（1）針對油氣長輸管道中斜拉索跨越管橋的實際情況，增加“管橋系”模塊，首次將斜拉橋技術狀況評定思想引入斜拉索跨越管橋的安全狀況評定，構建斜拉索跨越管橋安全狀況評定指標體系，具有一定的科學性。

（2）將主觀賦權法和客觀賦權法有機結合，采用“網絡層次分析法+熵權法”的組合賦權方法，發揮各自優勢的同時也在一定程度上避免了主觀賦權和客觀賦權所引起的權值偏差，使指標權重的確定更加合理。

（3）安全狀況評定等級反應出斜拉索跨越管橋當前的安全程度，有助于管理方制定合理的安全修治方案，為企業的管道安全管理提供一定的技術支持與理論依據。

（4）筆者所建立的斜拉索跨越管橋安全狀況評定指標體系中只涉及到一級和二級指標，三級甚至更底層指標的制定還需深入研究。