基于層次分析法的鋼板-混凝土組合梁橋施工風險分析評價

彭澤乾

(陜西交通控股集團有限公司，陜西 西安 710065)

山嶺區地形、地貌條件復雜，修建高速公路過程中不可避免地需架設橋梁以跨越河流、溝谷。隨著我國橋梁建設技術水平的進步，橋梁結構體系變得更加復雜，施工過程中的不同方案、橋梁主體受力變化、材料性能、天氣環境、人為因素等各種不確定性對橋梁施工安全影響也越來越大。科學評估橋梁施工中各種風險因素，有針對性地靶向管控施工中的各項潛在風險，并采取有效應對措施達到降低事故發生率的目的是十分重要的[1-3]。

20世紀80年代根據船橋碰撞問題首次提出“橋梁風險評價”這一概念后，1983—2005年，就地震、火災、船撞、車撞、洪水沖刷等系列關乎橋梁結構安全穩定的議題陸續展開國際性學術討論會議，使橋梁結構安全風險評價上升了新的高度[4]。此后，國內外學者根據會議議題提出的各種影響因素對橋梁結構安全穩定性做了定性評價和定量計算研究。2014—2017年，李揚寰[5]、李穎欣[6]、劉慶昌[7]分別采用不同的限定方法相組合的層次分析法對橋梁施工期的安全風險指標從辨識、分析、評價、排序、優化等方面進行了逐步遞進深化的研究分析。

目前，國外舉例論證的研究較多，且分析的是橋梁建成后外部風險，未對建設期間風險進行評價。國內研究起步雖晚，但也取得了一定成果，研究者們采用改進后的層次分析法科學合理地分析評價橋梁施工安全風險，降低了原有方法的主觀影響并針對風險等級提出風險預防與管控措施[8-11]。上述研究主要是針對常見型式橋梁，而對新型結構鋼板-混凝土組合梁橋施工過程的安全風險分析評價研究較少，本文采用層次分析法，從鋼板-混凝土組合梁橋的施工全過程分析，以期為風險評價及安全生產事故預防管控提供決策依據。

1 層次分析法理論

1.1 層次分析法原理

層次分析法是一種定性和定量相結合的、系統化、層次化的分析方法，其主要思想是在一個完整的系統中提出相關的主要影響因素，并將影響因素按照相互關系和隸屬關系構造遞階層次分析結構模型，然后計算得到判斷矩陣特征向量，對各因素間相對重要性進行判斷，通過排序計算對問題進行處理[12-15]。

1.2 層次分析法步驟

目前，在多學科領域中運用層次分析法分析解決問題的步驟簡要歸納如下[16]：

1)確定目標層、準則層、指標層中的風險因素集合，并對各層因素集合確定相應的隸屬關系，構建層次結構模型。

2)專家根據評分取值表(表1)打分賦值，對同一準則層因素下的風險因素集合的重要性進行兩兩比較，并依據分值構建判斷矩陣。

表1 風險因素比較評分取值表

3)計算判斷矩陣的特征向量值以及所對應的最大特征值，進行歸一化處理，根據計算值的大小排列出需要的權重排序。

(1)求出判斷矩陣每行元素的幾何平均值

(1)

(2)將所求得的幾何平均值進行歸一化，得到相對權重平均值

(2)

式中ωi為相對權重平均值。

4)判斷矩陣的構造是根據專家主觀經驗所得，在打分過程中會出現特殊情況影響結果，需要查出相應的RI值對計算結果進行一致性檢驗。根據計算結果：若CR<0.1，表明判斷矩陣的一致性是符合標準的，反之需要采取必要的修正措施。

(3)

表2 一致性指標RI取值表

5)上述步驟中，是對于準則層中單一準則下各因素的排序， 還需要對目標層下每一個因素進行總的排序，以此確定其重要性大小。

6)根據最終的計算結果，對問題的多目標決策方案進行最優解求值并施以決策。

2 鋼板-混凝土組合梁橋施工風險評價

2.1 工程概況

平利至鎮坪高速公路白土嶺大橋橋址位于鎮坪縣白家鄉，路線在此上跨南江河，交角約115°，左線橋梁長度264.2 m，右線橋梁長度163.7 m，左、右線直線縱坡為2.5%，線路平面左、右線均位于直線段。橋梁下部為柱式墩、柱式臺、樁基礎，橋梁上部左線為(38+5×45)m 鋼板-混凝土組合梁、右線為(41.5+38+45+38)m 鋼板-混凝土組合梁，橋位平面圖及現場實際地形圖如圖1、圖2所示。

圖1 白土嶺大橋橋位平面圖

圖2 白土嶺大橋現場實際地形圖

由于白土嶺大橋位于白土嶺1號和白土嶺2號兩個短隧道之間，屬于兩隧夾深谷的隧接橋特殊地形，無法正常搭設支架及鋼板梁汽車吊吊裝，且白土嶺1號隧道位于平曲線上，最小半徑為830 m，大型架橋機無法正常通過隧道，隧道內也無法拼裝架橋機。綜合各種因素及現場實際地形條件，白土嶺大橋鋼板-混凝土組合梁架設決定采用頂推架設，頂推系統采用目前較為先進的步履式頂推，其整個施工工藝流程如圖3所示。

圖3 鋼板-混凝土組合梁架設施工工藝流程

2.2 風險辨識及層次模型的建立

根據整個施工工藝流程建立鋼板-混凝土組合梁橋施工風險綜合評價指標體系。目標層A為風險綜合評價模型，通過施工現場調研并采用施工過程常用的LEC評價法對整個施工過程進行分析，根據計算分析的風險等級，找出最不利的幾組施工過程建立了準則層{B1，B2，B3，B4}及指標層{C11，C12，C13，C14}、{C21，C22，C23，C24}、{C31，C32，C33，C34}、{C41，C42，C43，C44}。建立的鋼板-混凝土組合梁橋施工風險綜合評價模型見表3。

表3 鋼板-混凝土組合梁橋施工風險綜合評價模型

2.3 判斷矩陣的構造和一致性檢驗

根據建立的層次分析模型，邀請施工過程中涉及到的建設、設計、施工、監理單位中經驗豐富的專家人員結合表1取值，采用兩兩比較的方法對各風險因素進行比較評分，對求出的目標層A和準則層B以及同一準則層Bi因素下的風險因素集合Cij的重要性構造判斷矩陣進行兩兩比較，結果見表4至表8。

表4 A-Bi判斷矩陣

A-Bi判斷矩陣計算結果如下：

ωi=(0.014 46，0.736 36，0.065 09，0.184 09)，

λmax=4.060 6，

滿足一致性指標要求。

表5 B1-C1j判斷矩陣

B1-C1j判斷矩陣計算結果如下：

ωi=(0.018 48，0.055 09，0.640 14，0.286 28)

λmax=4.056 6，

滿足一致性指標要求。

表6 B2-C2j判斷矩陣

B2-C2j判斷矩陣計算結果如下：

ωi=(0.015 33，0.039 59，0.193 94，0.751 14)

λmax=4.114 5，

滿足一致性指標要求。

表7 B3-C3j判斷矩陣

表8 B4-C4j判斷矩陣

B3-C3j判斷矩陣計算結果如下：

ωi=(0.030 49，0.086 24，0.365 86，0.517 41)，

λmax=4.031 0，

滿足一致性指標要求。

B4-C4j判斷矩陣計算結果如下：

ωi=(0.011 59，0.259 11，0.094 61，0.634 69)，

λmax=4.098 0，

滿足一致性指標要求。

2.4 組合權重的計算和排序

準則層B1主梁段拼裝運梁對施工安全影響權重為

0.014 46×(0.018 48，0.055 09，0.640 14，0.286 28)=

(0.000 27，0.000 80，0.009 26，0.004 14)，

準則層B2頂推落梁對施工安全影響權重為

0.736 36×(0.015 33，0.039 59，0.193 94，0.751 14)=

(0.011 29，0.029 15，0.142 81，0.553 11)，

準則層B3永久支座安裝對施工安全影響權重為

0.065 09×(0.030 49，0.086 24，0.365 86，0.517 41)=

(0.001 98，0.005 61，0.023 81，0.033 68)，

準則層B4行車道板預制吊裝對施工安全影響權重為

0.184 09×(0.011 59，0.259 11，0.094 61，0.634 69)=

(0.002 13，0.047 70，0.017 42，0.116 84)，

組合權重計算結果及各因素排序見表9。

表9 組合權重計算結果及各因素排序

3 結論及措施

由以上各判斷矩陣及組合權重計算結果分析可得到以下結論：

1)以整個施工工藝流程為基準，將鋼板-混凝土組合梁橋施工過程劃分為主梁段拼裝運梁、頂推落梁、永久支座安裝、行車道板預制吊裝四大過程。其中,頂推落梁施工重要性最高，權重占比為0.736 36；主梁段拼裝運梁重要性最低， 權重占比為0.014 47。施工重要性綜合排序由高到低依次為：頂推落梁、行車道板預制吊裝、永久支座安裝和主梁段拼裝運梁。

2)在重要性最高的頂推落梁施工過程中，落梁傾覆、頂推局部屈曲所占組合權重最高，分別為0.553 11和0.142 81,表明落梁傾覆和局部屈曲的安全事故發生后，對頂推落梁甚至是整個施工流程影響較大。在行車道板預制吊裝施工過程中，發生道板架設吊車傾覆的安全事故影響也較大，其組合權重為0.116 84。

3)為避免在頂推落梁過程中落梁傾覆和局部屈曲以及在行車道板預制吊裝過程中架設吊車傾覆等安全事故的發生，在施工過程中需滿足以下要求：(1)人：身體健康狀況良好的前提下，高空作業過程中必須懸掛安全帶，并配備安全帽、防滑鞋等其他必備的施工個人防護物品；(2)物：施工前對頂推、架設及其他施工輔助設備進行安全隱患排查，并對設備進行試運行，合格后方可繼續進行施工；(3)環：盡量選擇在晴天、無風時進行施工，避免在環境條件惡劣情況下進行施工；(4)管：制定詳細的專項安全施工方案，嚴格落實至施工現場，嚴格按照頂推、架設、落梁等相關操作規程進行施工，做好施工現場安全隱患排查治理工作，做到防微杜漸，確保施工在安全條件下穩步進行。