基于CCRAA熵值模型的雙向頂推鋼混組合梁風險評估

李麗超，薛洪運，崔鳳坤，葛顏慧

(1.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590;2.山東交通學院 交通土建工程學院，山東 濟南 250300)

0 引言

隨著蒙華鐵路跨漢宜高鐵特大橋、瀘州長江大橋等橋梁的成功建設與應用，橋梁技術在頂推施工領域取得了突飛猛進的發展。橋梁頂推施工是將梁體在橋跨兩側沿橋縱軸線方向逐段拼裝完成，在千斤頂頂推作用下沿縱向滑移至預定位置，最終降落就位的一種橋梁施工方法。該施工方法既避免了橋梁施工對既有線路的運營干擾，也降低了安全風險發生的概率。然而，與傳統的支架現澆、預制吊裝等橋梁施工工藝相比，橋梁頂推施工跨度大，施工技術難度高，不確定因素復雜，存在很大的安全風險隱患。因此，為提高橋梁在頂推施工過程中的整體安全性，有必要進行全面的風險源辨識和整體風險評估。

目前，國內橋梁施工風險分析取得了一定研究成果，常用的橋梁施工風險評估方法包括層次分析法、LEC法、結構失效概率法、肯特指數法、有限元法、蒙特卡羅算法、模糊綜合評判法等[1-4]。楊磊[5]應用有限元分析、模糊綜合評判理論對頂推施工進行等級劃分，并提出了相應風險控制措施，雖然客觀性強，但是解釋性弱。張運濤[6]運用層次分析法、模糊數學理論、定性與定量相結合的方法對鋼混組合梁施工進行風險分析，但層次分析法過度依賴專家主觀臆斷，結果誤差大。賈布裕[7]采用FORM算法和有限元可靠度分析理論對鋼混組合梁上部結構施工進行風險分析，雖然解釋性強，易于人接受，但計算結果分散性強，實用性低。

由于上述橋梁施工風險分析方法存在局限與不足，因此提出基于修正的LEC法和CCRAA熵值模型綜合評判的施工風險評估方法。采用補償競爭風險聚合算法(Compensation Competition Risk Aggregation Algorithm，CCRAA)對各指標權重值進行權重補償，實現權重值的聚合收斂，降低主觀臆斷與客觀片面帶來的影響。通過某大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋的實例分析，構建實用的大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工風險分析模型，保證橋梁施工安全。

1 確定風險因素指標值

安全生產LEC(Likelihood Exposure Consequence)評價法起源于美國，是對具有潛在危險性作業環境中的風險源及風險因素進行半定量的安全評價方法[8]。根據修正的LEC評價法和《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南》[9]確定風險因素指標值，具體計算公式為：

U=LEC，

(1)

式中，U為風險指標值；L為發生事故的可能性大小；E為暴露于危險環境的頻繁程度；C為發生事故產生的后果。

在大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工過程中，應避免施工安全管理制度、管理水平及現場實際操作規程的不同，而造成項目整體風險評估等級誤差較大的后果[10-11]。張雪等[12]通過安全生產管理補償系數對轉體施工橋梁的各風險指標值進行風險補償，最終得到風險源等級，但未給出安全生產管理補償系數的具體取值，具有一定模糊性。此處針對大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工特點，結合專家及現場管理人員經驗，通過引入風險調整系數k，分別對特大、重大、較大、一般、較小5個等級進行各風險因素指標打分與計算,計算公式為：

U=kLEC，

(2)

式中k為風險調整系數，一般取經驗值0～2.5。

風險指標值U越大，說明風險源存在的危險性越高，施工過程中事故發生的可能性越大，造成的人員傷亡和財產損失越大，需要加強風險控制措施。

2 基于CCRAA熵值的風險綜合評估模型建立

以層次分析法、熵權理論、CCRAA、模糊數學理論為基礎的CCRAA熵值的風險綜合評估模型，是在大量吸收專家經驗和學識的前提下，考慮大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工風險因素的不確定性等問題，對多指標風險因素進行風險聚合優化計算的理想方案。利用熵權法與CCRAA模糊聚類特點[13]，解決施工風險體系中各風險因素的權重問題。根據經典的模糊綜合評判法計算各指標特征值的模糊矩陣，對比隸屬度函數，最終完成大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工風險源辨識與風險等級的確定。

2.1 建立風險指標影響因素集

根據大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工方案的特點與現場管理制度，基于修正的LEC法確定風險因素評價指標值，結合富有經驗的專家及現場管理人員、技術人員的意見，建立大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工風險層次分析模型，如圖1所示。

圖1 施工風險層次分析模型

2.2 構造CCRAA熵值的風險綜合評估矩陣

2.2.1 建立風險指標評判矩陣

通過修正的LEC法評價各風險源D關于風險因素評判指標V的評價指標值U，確定風險因素隸屬集合V=(v1,v2,…,vn)，對具有模糊性的指標值以有序三元組X=(D,V,U)進行描述。將第i個風險源的第j個風險因素構成的風險指標評判矩陣記作Xij，即：

(3)

式中，Xij為i個評判對象的j維評判矩陣；Di為第i個評判對象，i=1,2,…,m；vj為第j個評判對象的評判等級，j=1,2,…,n；Uij為第i個風險評估對象與第j個評判等級的隸屬關系。

2.2.2 構造最優化風險指標評判矩陣

為提高風險因素指標值的合理性與可靠性，對風險因素指標值進行最優化處理，基于最優化原則的基本要求，針對大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工特點與施工步驟，采用適中型原則，計算式為：

(4)

式中，uij為評價對象最優化指標值；minDij,midDij,maxDij分別為評估對象指標值的最大值、中間值、最小值。

因此，最優化風險指標評判矩陣γij，即：

(5)

2.2.3 確定風險因素權重

權重是整個風險評估體系中衡量各風險源風險等級的重要體現。基于大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工工序與風險評價標準，為避免主觀臆斷給各風險因素指標帶來的影響，采用客觀賦權的熵權法確定各風險因素的權重值[14]，具體計算步驟如下。

(1)根據熵權法的定義，若有m個風險評估對象，n種風險指標對應隸屬關系，在最優化風險指標評判矩陣γij中，第i個風險指標值的熵值Fui的表達式為：

(6)

式中，Fui為第i個風險指標值的熵值；n為風險指標對應隸屬關系狀態數目。

(2)依據計算的第i個風險指標值的熵值Fui，計算各風險指標權重Wui：

(7)

2.2.4 構造CCRAA熵值的綜合評判矩陣

大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工屬于復雜的系統工程。考慮多個風險指標之間的互相影響，為獲得更加有效與實用的風險評估結果，要進行風險聚合。風險聚合常用的方法有風險值求和法、求最大風險值法、求風險質心等方法[15-16]。然而，單一的風險聚合方法都會對所得權重值產生過度依賴，導致評估結果趨于發散。因此，先對各風險指標權重值進行補償，再聚集到類聚中心，以避免上述缺點帶來的影響[17]。具體計算如下。

(1)確定風險指標聚類因子

模糊聚類是將聚類中心作為聚類單元全集的實際樣本，而聚類中心是聚類全集的一個虛擬理想樣本，它綜合反映聚類全集的樣本特性，表征其他樣本的斂散度[18]。符合實際工程需要的聚類中心與樣本之間的關系越收斂越好。

假設A和B是聚類單元全集C上的2個模糊子集，將實際工程應用中子集A和B之間的距離記為δ(A,B)，即：

(8)

式中，cA(xi)和cB(xi)分別為聚類單元全集中A集合與B集合在y方向的坐標值。

將理想的聚類中心樣本初值設為R0，各風險指標在y方向的坐標值為Ri，則風險指標聚類因子s可表示為：

(9)

(2)風險指標特征值補償原則

為保證風險指標聚類因子s的收斂性，就要縮小各風險特征值組成的聚類樣本與聚類中心樣本初值之間的距離，使聚類樣本靠近聚類中心，實現風險指標值權重的風險補償。風險補償是通過聚類因子s對熵權法求得的各風險指標權重值進行比例分配。

設有m個風險值，將風險值由小到大排序構成風險補償序列，聚合風險指標的權重補償值記為Rgi，具體補償原則為：

(10)

式中[m/2]為不超過m/2的最大整數。

(3)確定CCRAA的熵權矩陣

風險指標補償值計算完成后，對比通過熵權法確定的各風險因素權重值，以向聚類中心樣本初值R0靠近為原則，進而確定CCRAA的熵權矩陣Rfi=[Rf1，Rf2,…，Rfm]，即：

Rfi=[Rf1，Rf2,…，Rfm]。

(11)

2.3 構建模糊綜合評判模型

為綜合評判大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工風險評估結果，基于最優化原則處理得到的各風險因素指標值及構建的CCRAA熵權矩陣，采用經典的模糊綜合評判法并結合隸屬集合，對大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工風險進行等級評判，建立模糊綜合評判模型Ji：

Ji=Rgi·γij，

(12)

式中Ji為各風險源模糊評估矩陣。

3 實例分析

3.1 工程背景

某大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋，雙幅布置，總橋寬38 m，橋梁斜交角30°，位于直線段處，設雙向2%橫坡。橋面板采用架設的8 cm預制板，現澆17 cm厚混凝土橋面板。主梁為鋼混組合連續梁橋，施工工藝為雙向頂推施工，跨徑布置為(57+59+57) m，基礎為鉆孔灌注樁。

主梁采用標準鋼箱梁逐段焊接而成，由于施工環境不確定因素多，跨越干渠施工風險大，為避免多指標風險因素帶來的人員傷亡和財產損失，在大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工前，要進行風險源辨識。基于修正的LEC法確定評價對象指標值，依據大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工工序建立施工風險層次分析模型，分別對鋼箱梁焊接與拼裝、鋼箱梁頂推施工、橫隔板安裝、預制橋面板鋪裝、落梁施工5種風險源及對應風險因素進行風險評估，風險層次分析模型如圖1所示。

3.2 建立并優化風險評估判斷矩陣

根據大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工現場條件，分析各風險因素的特點，權衡富有經驗的專家及現場安全管理技術人員的意見，運用上述修正的LEC法建立風險指標判斷矩陣。然后，采用適中型的優化處理原則，獲取優化后的風險評估判斷矩陣。以鋼箱梁頂推施工為例進行詳細的風險分析與計算。

3.2.1 風險指標判斷矩陣

風險指標值的大小依據修正的LEC評價法和《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南》評分原則確定。以鋼箱梁頂推施工的淹溺事故為例，按照式(2)對各二級風險因素進行計算：

D=kLEC=2.1×3×1×7=44。

(13)

鋼箱梁頂推施工的其他風險因素特征指標值計算同上，見表1。

表1 鋼箱梁頂推施工各風險因素特征指標值

通過修正的LEC法評價各風險源Di關于風險因素評判指標Vi的評價指標值Uij，則第2個風險源的8個風險因素構成的風險指標評判矩陣Xij為：

(14)

3.2.2 風險指標判斷矩陣最優化處理

在風險源辨識過程中，風險指標特征值越大，表明風險發生的可能性越高，在風險評估過程中越要重視。在頂推施工前全面制訂風險控制措施，降低風險帶來的危害。根據式(4)～(5)對風險指標評判矩陣Xij進行適中型優化處理，得到優化后的風險指標判斷矩陣γij，即：

(15)

3.3 確定風險指標權重

權衡大懸臂雙向頂推鋼混組合梁施工的風險因素特點，分析風險因素對施工的影響程度，進而對各風險指標值進行定量分析。根據3.2.3節的介紹，應用熵權理論對各風險指標值的權重進行求解，通過式(6)～(7)得出鋼箱梁頂推施工各風險因素指標的具體計算結果，見表2。

表2 鋼箱梁頂推施工各風險因素權重計算結果

3.4 構造CCRAA熵值的綜合評判矩陣

依據各風險因素的權重結果及專家經驗，確定大懸臂雙向頂推鋼混組合梁施工的權重初始值為0.1。根據式(8)～(9)，計算得到鋼箱梁頂推施工風險指標聚類因子s為0.088。再基于式(10)的風險補償原則，得到各風險指標權重的風險補償值，見表3。

表3 鋼箱梁頂推施工各風險因素權重補償值

按比例對各風險因素權重值進行分配，以向聚類中心樣本初值靠近為原則，按照式(11)，得到CCRAA的熵權矩陣Rfi，即：

Rf2=[0.094，0.261，0.118，0.103，0.09，

0.195，0.079，0.106]。

(16)

3.5 建立模糊綜合評判模型

基于上述計算的大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋各風險指標的補償權重值，根據風險評價系統分析中的隸屬函數V=(特大、重大、較大、一般、較小)的對應關系，確定鋼箱梁頂推施工風險源的施工等級。按照式(12)，計算可得鋼箱梁頂推施工風險源模糊綜合評判矩陣，即：

J2=Rf2·γij=[0.580,0.581,0.400,0.481,

0.366]。

(17)

根據上述計算方法，其他4種風險源的模糊綜合評判矩陣為：

[J1,J3,J4,J5]=

(18)

大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋整體風險評估與上述計算方法一致，綜合考慮各風險源的CCRAA熵權值與各風險指標的模糊評價矩陣，得到大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋整體風險評估結果J，如下：

[0.169,0.051,0.105,0.111,0.126]·

[0.218,0.248,0.199,0.220,0.120]

(19)

式中，Rgi為聚合風險指標的權重補償值；Ji為各風險源模糊評估矩陣。

由以上計算結果并結合隸屬函數可知，各風險源中，鋼箱梁焊接與拼裝、鋼箱梁頂推施工、橫隔板安裝、落梁施工4種風險源為重大風險源，預制橋面板鋪裝為一般風險源。大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋整體風險等級為重大風險。

對于重大風險，要制訂合理的風險控制措施，開展安全防范教育培訓，提高現場安全管理人員及施工人員的安全意識，避免風險帶來的人員傷亡和財產損失。對一般風險也不能忽略，根據安全管理制度做到零風險、無意外，保證橋梁施工安全進行。

3.6 風險評估流程

基于上述風險評估結果，本研究的風險評估方法具有合理性與有效性。目前，國內外針對大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工風險評估的研究甚少，為保證橋梁施工的安全開展，給出專門適用于大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工階段的具體風險評估流程，如圖2所示。

圖2 大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工風險評估流程圖

4 結論

本研究通過修正的LEC法確定評估對象指標值，研究了基于CCRAA熵值模型的風險綜合評估矩陣在施工風險評估中的應用，給出實際工程進行風險分析，得出以下結論：

(1)基于修正的LEC法實現了大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工風險分析的多維變量評判，工程實例證明，引入修正系數的LEC法，不僅結果解釋性強，還達到了風險指標特征值客觀量化的目的。

(2)建立CCRAA熵值模型時，考慮了多指標風險因素不確定性的綜合效應問題，對優化處理后的風險指標值進行了權重計算與補償，實現了客觀理論分析與主觀認知的統一。合理確定風險聚合初始值，依據風險指標權重值收斂于聚類中心的原則，使補償后的權重值向聚類中心聚合，避免了單一聚合方法對風險指標權重值的過度依賴性。

(3)基于修正的LEC法的CCRAA熵值模型的應用，對大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工進行風險評估，保證了專項風險指標評估的真實性與有效性。通過建立模糊數學模型及相關理論綜合分析，確定了各風險源以及橋梁施工整體風險等級，給出了專門適用于大懸臂雙向頂推鋼混組合梁橋施工風險評估的具體分析流程。