基于灰色理論鋼板組合梁架設(shè)施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

蓋 濤 李 佳

(1.中鐵二十一局集團(tuán)第一工程有限公司 新疆烏魯木齊 830026；2.新疆大學(xué)建筑工程學(xué)院 新疆烏魯木齊 830047)

1 引言

鋼板組合梁橋是一種充分發(fā)揮鋼材韌性與混凝土抗壓性能的現(xiàn)代裝配式建筑，具有穩(wěn)定性好、承載力高、自重輕等優(yōu)點(diǎn)，20世紀(jì)中期在全球范圍已廣泛應(yīng)用于各種體量的橋梁建設(shè)[1－3]。灰色聚類(lèi)是一種根據(jù)白化權(quán)函數(shù)將指標(biāo)對(duì)象劃分為若干個(gè)可定義類(lèi)別的方法[4]。大量學(xué)者在實(shí)際工程中運(yùn)用灰色聚類(lèi)等方法對(duì)鋼板組合梁施工和運(yùn)行安全等進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，Xiaofei L[5]等將層次分析法與灰色模糊評(píng)價(jià)結(jié)合運(yùn)用于大沽河單塔自錨式懸索橋施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中；湯天明[6]等在武漢青山長(zhǎng)江公路大橋施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中運(yùn)用了LEC法與指標(biāo)體系法；牛發(fā)陽(yáng)[7]等在青島地鐵1號(hào)線深基坑項(xiàng)目中將網(wǎng)絡(luò)層次分析法與灰色聚類(lèi)法相結(jié)合進(jìn)行施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；吳波[8]運(yùn)用熵權(quán)－可拓理論對(duì)瓦斯隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估；魏雪萍[9]等在鄭州大河路工程懸臂拼裝梁施工中利用專(zhuān)家打分及灰色聚類(lèi)方案進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。綜上可知，現(xiàn)有應(yīng)用多為傳統(tǒng)灰色聚類(lèi)與專(zhuān)家調(diào)查等方法結(jié)合，更多是對(duì)評(píng)估對(duì)象整體的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估，缺乏對(duì)高溫差、大風(fēng)環(huán)境下鋼板組合梁施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的全面細(xì)致考慮，不能區(qū)分指標(biāo)影響重要程度，且采用傳統(tǒng)灰色聚類(lèi)方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分類(lèi)時(shí)對(duì)于聚類(lèi)系數(shù)差別較小的指標(biāo)歸類(lèi)仍存在不合理之處，亟待完善。

本文以新疆地區(qū)鋼板組合梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象，以高溫差、大風(fēng)氣候?yàn)榄h(huán)境背景，運(yùn)用AHP、兩階段三角白化權(quán)函數(shù)灰色聚類(lèi)、分類(lèi)區(qū)分度聚類(lèi)方法對(duì)組合梁架設(shè)施工階段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，計(jì)算各指標(biāo)聚類(lèi)系數(shù)、分類(lèi)權(quán)重，制定針對(duì)性風(fēng)險(xiǎn)防控措施，為新疆地區(qū)同類(lèi)工程項(xiàng)目施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供理論借鑒。

2 工程概況

盆克特2號(hào)大橋建設(shè)項(xiàng)目位于G7京新高速巴里坤縣與木壘縣交界K227＋556.5處，全橋共4聯(lián):鋼板組合梁位于4＃～7＃墩之間，共3跨，采用3×50 m鋼板組合梁，左右幅每孔4片，共24片，橋墩空間分布構(gòu)造如圖1所示。鋼梁由Q345D鋼板焊接而成，鋼梁上翼緣按?圓柱頭焊釘?[10]密布焊接?22剪力釘，采用后張預(yù)應(yīng)力法預(yù)制C50自密實(shí)混凝土梁，如圖2所示。項(xiàng)目地處大風(fēng)、高溫差地區(qū)，據(jù)氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在2019年與2020年項(xiàng)目主要施工期間，最大風(fēng)速達(dá)21.8 m/s；最高氣溫為32.8℃，最低氣溫為－30.5℃，同日晝夜最大溫差達(dá)23.1℃。為保證組合梁順利安全施工，需對(duì)其施工架設(shè)階段進(jìn)行全面安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

圖1 橋墩分布構(gòu)造(單位:cm)

圖2 組合梁預(yù)制與架設(shè)施工

3 AHP指標(biāo)權(quán)重計(jì)算及灰色聚類(lèi)模型構(gòu)建

3.1 事故及風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)新疆高溫差、大風(fēng)環(huán)境下鋼板組合梁架設(shè)及橫梁安裝階段存在的可能風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行甄別篩查，從人員、設(shè)備、材料、施工方法及環(huán)境因素五部分考慮，結(jié)合同類(lèi)工程事故致險(xiǎn)因素對(duì)組合梁施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源論證匯總。專(zhuān)家打分規(guī)則采用“1～9標(biāo)度法”，事故發(fā)生可能性劃分及橋梁工程風(fēng)險(xiǎn)損失評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如表1、表2所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生可能性等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

表2 橋梁工程風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3.2 兩階段三角白化權(quán)函數(shù)聚類(lèi)模型

3.2.1 第一階段三角白化權(quán)聚類(lèi)函數(shù)建模

(1)按照評(píng)估要求所需劃分灰類(lèi)數(shù)s，將j指標(biāo)的取值范圍[a1，as－1] 劃分為[a1，a2]，…，[ak－1，ak]，…，[aS－1，aS]，[aS，aS＋1]。

(2)令λk＝(ak＋ak＋1)/2屬于第k個(gè)灰類(lèi)的白化權(quán)函數(shù)值為1，連接(λk，1)與第k－1個(gè)灰類(lèi)的起點(diǎn)ak－1和k＋1 個(gè)灰類(lèi)的終點(diǎn)ak＋2，得到j(luò)指標(biāo)關(guān)于k灰類(lèi)的三角白化權(quán)函數(shù):

(3)對(duì)于指標(biāo)j的一個(gè)觀測(cè)值X，可由式(2)計(jì)算其所屬灰類(lèi)k(k＝1，2，…，s)的白化權(quán)函數(shù):

(4)計(jì)算對(duì)象i(i＝1，2，…，n)關(guān)于灰類(lèi)k(k＝1，2，…，s)的綜合聚類(lèi)系數(shù):

(5)計(jì)算聚類(lèi)對(duì)象i的歸一化聚類(lèi)系數(shù)向量為:

3.2.2 第二階段聚類(lèi)函數(shù)模型

(1)計(jì)算歸一化聚類(lèi)系數(shù)向量中最大值與次大值之差θi。

(2)判斷聚類(lèi)系數(shù)是否有顯著性差異:當(dāng)θi≤1/2S時(shí)，稱聚類(lèi)對(duì)象i的聚類(lèi)系數(shù)無(wú)顯著性差異，轉(zhuǎn)步驟(3)；否則稱聚類(lèi)對(duì)象i的聚類(lèi)系數(shù)有顯著性差異，轉(zhuǎn)步驟(4)，并稱θi為聚類(lèi)對(duì)象的顯著性差異系數(shù)。本文主要討論聚類(lèi)系數(shù)無(wú)顯著性差異的情況。

(3)當(dāng)θi>1/2S時(shí)，按聚類(lèi)系數(shù)最大原則進(jìn)行聚類(lèi)，即，判斷對(duì)象i屬于k?灰類(lèi)。

(4)當(dāng)θi≤1/2S時(shí)，根據(jù)σi向量及聚類(lèi)系數(shù)的權(quán)向量η＝ (1，2，3，…，s)T，計(jì)算對(duì)象i的綜合聚類(lèi)系數(shù)ψi＝σi˙η，若對(duì)象i的綜合聚類(lèi)系數(shù)，則稱對(duì)象i屬于第k灰類(lèi)。

3.3 分類(lèi)區(qū)分度聚類(lèi)函數(shù)模型

(2)計(jì)算分類(lèi)信息熵Ej。設(shè)白化權(quán)函數(shù)使對(duì)象i隸屬于類(lèi)別1，2，…，S的隸屬測(cè)度向量為，則對(duì)象i的分類(lèi)信息熵為:

(3)計(jì)算指標(biāo)對(duì)于對(duì)象i的分類(lèi)區(qū)分度，計(jì)算式為:

(4)稱ηij為指標(biāo)關(guān)于對(duì)象i的分類(lèi)權(quán)重，計(jì)算式為:

4 鋼板組合梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及分析

4.1 AHP指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

結(jié)合鋼板組合梁專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)施工方案、?公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范?[12]及?公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南?，對(duì)我國(guó)已建成同類(lèi)型橋梁施工經(jīng)驗(yàn)及新疆高溫差、大風(fēng)區(qū)氣候環(huán)境分析論證，得到36個(gè)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源指標(biāo)，根據(jù)AHP算法得指標(biāo)重要性權(quán)重，如表3所示。

表3 鋼板組合梁架設(shè)安裝及橫梁安裝階段風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系

續(xù)表3

4.2 兩階段三角白化權(quán)函數(shù)灰色聚類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果

以層次分析指標(biāo)重要性權(quán)重為基礎(chǔ)，根據(jù)橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，將施工階段的風(fēng)險(xiǎn)劃分為5個(gè)等級(jí)，相應(yīng)的評(píng)價(jià)灰類(lèi)劃分為5個(gè)灰類(lèi)，分別對(duì)應(yīng)施工風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則中的5個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)(Ⅰ級(jí)不太可能、Ⅱ級(jí)偶爾發(fā)生、Ⅲ級(jí)可能發(fā)生、Ⅳ級(jí)很可能發(fā)生、Ⅴ級(jí)頻繁發(fā)生)，5個(gè)灰類(lèi)的取值范圍分別是[0，1)，[1，2)，[2，3)，[3，4)，[4，5]，將風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生可能性打分平均值按式(1)～式(4)建模步驟計(jì)算綜合聚類(lèi)系數(shù)，判斷所屬風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)類(lèi)別。

由計(jì)算可知，B4指標(biāo)聚類(lèi)顯著性差異系數(shù)等于0.1，計(jì)算第二階段指標(biāo)綜合聚類(lèi)系數(shù)ψi∈[13/5，17/5](K＝3時(shí))，判斷為Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。其余指標(biāo)顯著性差異系數(shù)較大，可根據(jù)最大聚類(lèi)系數(shù)原則判斷B層指標(biāo)施工安全風(fēng)險(xiǎn)均為Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)式(4)計(jì)算鋼板組合梁架設(shè)施工階段整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估5個(gè)灰類(lèi)的綜合聚類(lèi)系數(shù)如下:

由上可知，鋼板組合梁架設(shè)施工階段5種風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)發(fā)生的概率大小排序?yàn)?Ⅲ級(jí)>Ⅱ級(jí)>Ⅳ級(jí)>Ⅰ級(jí)>Ⅴ級(jí)。根據(jù)，得鋼板組合梁架設(shè)施工階段安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)。運(yùn)用分類(lèi)區(qū)分度聚類(lèi)計(jì)算各指標(biāo)分類(lèi)權(quán)重，量化指標(biāo)貢獻(xiàn)量。

4.3 分類(lèi)區(qū)分度聚類(lèi)及風(fēng)險(xiǎn)防控措施制定

圖3 鋼板組合梁架設(shè)施工階段指標(biāo)分類(lèi)權(quán)重

由圖3a可知，同屬B1指標(biāo)下分類(lèi)貢獻(xiàn)度排序前三位為 C2、C3、C6，指標(biāo)分類(lèi)權(quán)重均為 0.027 11。對(duì)于C2特種人員上崗資質(zhì)，在施工前應(yīng)檢查持證上崗情況；對(duì)C3施工人員專(zhuān)業(yè)技能，在上崗作業(yè)前應(yīng)進(jìn)行理論考核與專(zhuān)業(yè)技能考核。

由圖3b可知，同屬B2指標(biāo)下分類(lèi)貢獻(xiàn)度排序前三位的指標(biāo)為C10分類(lèi)權(quán)重0.031 36、C8分類(lèi)權(quán)重0.029 08、C7及C9分類(lèi)權(quán)重0.027 11。對(duì) C10施工設(shè)備抗風(fēng)穩(wěn)定性，應(yīng)選擇大噸位設(shè)備；對(duì)C8鋼絲繩斷裂致使設(shè)備損傷，應(yīng)選用拉力測(cè)試合格且無(wú)斷絲的鋼絲繩。

由圖3c可知，同屬B3指標(biāo)下分類(lèi)貢獻(xiàn)度排序前三的指標(biāo)為C15、C20指標(biāo)分類(lèi)權(quán)重0.037 68，C16指標(biāo)分類(lèi)權(quán)重0.027 11。對(duì)C15高強(qiáng)螺栓校驗(yàn)，選擇產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)質(zhì)的供貨商；對(duì)C20吊裝鋼絲繩斷裂，應(yīng)在施工前仔細(xì)檢查并更換抗拉承載力滿足要求的鋼絲繩。

由圖3d可知，同屬B4指標(biāo)下分類(lèi)貢獻(xiàn)度排序前三的指標(biāo)為C26、C28指標(biāo)分類(lèi)權(quán)重0.037 68，C22、C24指標(biāo)分類(lèi)權(quán)重0.031 36。對(duì)C26組合梁溫度應(yīng)力控制，需改善骨料級(jí)配，在混凝土中添加引氣劑或塑化劑，埋入水管；對(duì)C28吊裝作業(yè)不同步組合梁傾覆，需要對(duì)吊裝機(jī)械檢修與保養(yǎng)；對(duì)C22混凝土澆筑振搗，在澆筑時(shí)可分為多層澆筑。

由圖3e可知，同屬B5指標(biāo)下分類(lèi)貢獻(xiàn)度排序前三的指標(biāo)為C34指標(biāo)分類(lèi)權(quán)重0.029，C35、C36指標(biāo)分類(lèi)權(quán)重0.027 11。對(duì)C34組合梁臨時(shí)固定防風(fēng)措施，可采取增加定位孔并用直徑略小的鋼柱定位；對(duì)C36編制事故應(yīng)急預(yù)案，對(duì)分類(lèi)權(quán)重大、發(fā)生概率高且不可避免的指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)源制定詳略得當(dāng)?shù)氖鹿蕬?yīng)急處理預(yù)案。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用AHP、兩階段灰色聚類(lèi)、分類(lèi)區(qū)分度聚類(lèi)對(duì)鋼板組合梁架設(shè)及橫梁安裝階段施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，得出以下結(jié)論:

(1)AHP、兩階段三角白化權(quán)函數(shù)灰色聚類(lèi)、分類(lèi)區(qū)分度聚類(lèi)方法優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，綜合運(yùn)用三種評(píng)估方法可更細(xì)致進(jìn)行施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，鋼板組合梁架設(shè)施工階段一級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均為Ⅲ級(jí)。

(2)將鋼板組合梁架設(shè)施工階段整體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估判定為中等風(fēng)險(xiǎn)。鋼板組合梁在架設(shè)施工中，通過(guò)提前采取一系列風(fēng)險(xiǎn)防控措施，未發(fā)生財(cái)產(chǎn)損失或人員傷亡，與本文評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別“Ⅲ級(jí)”的結(jié)論相一致，結(jié)合驗(yàn)證實(shí)例證明了灰色聚類(lèi)綜合評(píng)估方法的正確性與可推廣性。