改進模糊理論下的公路橋梁施工風險評價研究

陳浩燕

摘要： 針對公路橋梁修建時施工風險影響因素多、影響周期長，為減少橋梁建設過程中結構安全事故的發生，根據公路橋梁建設風險影響因素的特點，依托貴安敖江特大橋工程，采用迭代確權的模糊層次綜合分析法對橋梁結構安全的施工風險因素權重進行確定排序，并結合建立的公路橋梁結構安全施工風險后果評估模型，提出一種可以快速、簡便、準確地評估公路橋梁施工風險程度的模型。結果表明：得到的公路橋梁結構安全施工風險等級與橋梁建設現場實際相吻合，建立的公路橋梁結構安全施工風險評價體系具有一定的科學性與有效性，可為類似工程提供參考。

關鍵詞： 公路橋梁 結構安全 施工安全 迭代確權 模糊理論

中圖分類號： U415.12;U445.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1672-3791（2023）24-0243-04

目前公路橋梁以人工巡檢方式為主［1］，但是該方式花費時間較長，效率低。因此利用現代科學信息技術對大型橋梁進行在線監測，實時了解橋梁運營狀態，及時發現橋梁結構中的安全隱患，采取加固或者維修的措施排除危險點，減少經濟損失具有重大意義。

目前，國內外常用的橋梁施工風險評價方法主要有以下幾種。（1）綜合評估法。其原理簡單，方法簡便，但是由于橋梁的結構不同，隨著時間的增長，橋梁部件的老化程度也會有差異［2］。（2）模糊評定法。雖然用此方法能夠綜合多種因素來考量和監測橋梁的安全，但是該評估具有模糊性和不確定性，得到檢測結果也具有較大的缺陷［3-4］。（3）層次分析法。雖然該方法是一種多指標評估的定量方法，能夠在一定范圍內盡可能減少人為的主觀因素，使得評估結果更合理，但是該方法構建判斷矩陣困難，不適用于遇到的復雜橋梁問題［5-8］。（4）神經網絡法。該方法能夠對于不同的橋梁情況進行記憶儲存并進行評估，但是該方法訓練時間長，不能及時有效地應用于橋梁的安全評估上［9-13］。如今，橋梁施工風險分析評價體系并不十分成熟，難以兼顧系統性、復雜性和確定性。

為提升公路橋梁風險評價的精確度，通過查閱公路橋梁風險評價相關的資料與文獻，并對其進行分析與綜合，提出一種風險因素權重更為簡便的分析評估方法。以貴安敖江特大橋項目為依托，應用基于迭代權重確定的模糊層次分析法和后果估算法相結合的方法，對橋梁施工過程的結構風險進行評價，以期為類似工程項目施工風險評估提供參考。

1 模型建立流程

基于模糊層次綜合評價法和后果當量法結合的構建公路橋梁評價模型，主要基于Z=P×C 進行風險等級綜合評價。評價流程如圖1 所示。

2 分析評價模型的建立

2.1 構建風險概率評價模型

2.1.1 風險評價指標體系的建立

基于相關研究并結合有關橋梁施工特性，將影響橋梁結構施工安全的評價指標層次分為三層［14］。第一，目標層：公路橋梁結構施工風險評價體系U；第二，準則層：基于公路橋梁風險因素屬性構造，U=（U1 U2 Ui ），其中Ui 為首層為i 的子因素；第三，因素指標，主要由影響準則層的因素組成，U=（Ui1Ui2Uij ），其中Uij為首層為i的子因素中的第j個因素。

2.1.2 風險因素權重確定

通過對同層元素的互相比較分析確定重要性，從而判斷矩陣可以確定；這是9 標度判斷矩陣確定法。9標度判斷矩陣確定法容易放大且過于主觀，同時一致性檢驗又較為繁雜。為避免該方法的缺點，基于周侃東等人［15］方法對A = （αij ）n ? n 判斷矩陣進行變換，通過βij （α） 函數得到新的模糊互補判斷矩陣R = （βij （α））n ? n。βij （α）的函數表達式為式（1）。

式（1）中，α是轉變系數用于模糊互補。

通過以上獲得的模糊互補矩陣較合理，基于李永等人［16］提出的方法把模糊一致性的判斷矩陣進行變換后，獲得ωi為最初權重向量：

對最初權向量值進行優化后，基于特征根與冪法進行迭代求解確權獲得的W（k）為權重向量，迭代求解過程如下：

若階判斷矩陣A > 0，x = e（e為單位向量）時，有：

式（3）中：Y為判斷矩陣A求解所得的特征向量；W為權向量。

2.2 評價矩陣的建立

參考《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估制度及指南解析》［17］，把公路橋梁結構安全施工風險發生概率等級設置為4 級。

評價矩陣是風險因素集與評價集的表達［18］，通過專家調查法可以獲得風險因素與對評價集Vi 的隸屬度，風險因素集合中的單個因素評價結果ri 按行排列組合，形成評價矩陣R。

2.3 多級模糊綜合評價

所謂多級模糊綜合評價，其具體步驟如下。

（1）首級評價。計算出風險因素權重矩陣Wi 和評價矩陣Vi后，形成評價矩陣R。

（2）次級評價。基于上一步求得的評價矩陣R與當前層次權重矩陣W，解得模糊綜合評價集B。

（3）風險發生概率的確定。用I 級評判函數，獲得公路橋梁施工風險的風險發生概率P。

2.4 風險后果當量評估

基于我國鐵路與風險評價相關規定，利用式（4）對風險后果評價。

C = CZ + CR + CG + CH + CS （4）

式（4）中：C 為風險后果總損失；CS 為社會損失；CH 為環境損失；CG 為工期損失；CR 為人員傷亡；CZ 為直接經濟損失。

目前我國風險后果評價方式常用人員死亡標準來評價。采用陳大川等人［18］提出的方法設置后果基本當量，即死亡1 人為1 個單位基本當量，下列后果等同為1 個后果當量：（1）10 人重傷或50 人輕傷；（2）工期延誤30 d；（3）300 萬元經濟損失；（4）環境影響程度嚴重，取值標準本文取13；（6）社會影響程度，取值標準本文取13。

風險后果損失相當量總值為DC，見式（5）：

式（5）中：DC 為風險后果損失相當量，其為線性函數；ri （i=1，2，…，5）為各風險因素修正系數。

完成當量總值獲得后，可對公路橋梁施工風險事故發生后果進行評價，結果如表1 所示。

2.5 風險評估結果

最終公路橋梁結構安全施工風險等級綜合評價。按照風險評價等級劃分標準和上述結果，獲得公路橋梁施工風險的風險發生概率P，再由后果當量法計算的損失量C，采用以下公式：

Z = P ? C （6）

3 工程實例的應用與分析

3.1 工程概況

敖江特大橋跨越敖江和桃源溪，其中7#墩至9#墩跨越桃源溪，14#墩至23#墩跨越敖江，所以采用了水中鋼平臺作為樁基工作平臺，采用鋼棧橋作為施工便道來完成施工。而且貴安敖江特大橋需跨越潘小線、福州繞城高速貴安互通和歡樂大道，特別是需跨越的福州繞城高速，車流量較大。因此，基于現場設計勘察資料與超前地質預報數據，對公路橋梁施工風險危險程度進行分析與評價。

3.2 風險因素權重的確定

根據上述對公路橋梁施工風險的評估方法，綜合專家的意見，獲得每個層次最初的風險因素判斷矩陣，再由式（1）至式（3）創建模糊一致矩陣。再由式（4）至式（6）通過迭代確權解得權向量。在這一工程實例中，通過模糊數學理論的距離判別判斷；當a=1 時，相較于歸一法而言，利用約束規劃法獲得的權重向量更合適，通過迭代確權解出的計劃因素權向量為：

W（U1 ） =（0.3677 0.3629 0.1552 0.1548）T

3.3 評價矩陣的建立

根據工程的勘測設計資料對影響公路橋梁結構安全的因素進行量化和等級劃分，并且分析結合敖江特大橋施工現場狀況，求得各因素最終權重后，采用專家打分法［19］，對每個風險因素進行打分，可知敖江特大橋結構安全施工風險評價體系中各個風險因素的評價結果，如表2 所示。

3.4 模糊綜合評價

（1）第一級模糊綜合評價是最初層指標所進行綜合評價，可以獲得一級模糊綜合評價結果如下：

B1=（0 0.383 0.649 0）

B2=（0 0.572 0.472 0）

B3=（0 0.558 0.472 0）

B4=（0 0.775 0.222 0）

B5=（0 0.772 0.237 0）

B6=（0 0.675 0.372 0）

（2）第二級模糊評價在最初層次指標之上進行，得第二級模糊綜合評價結果如下：

B =W× R=（0 0.552 0.428 0）

（3）風險發生概率等級。根據上述計算結果，選用I 級評判函數，可以得到公路橋梁結構風險發生概率等級其分值如下：

P=0.1×0.552+0.01×0.428=0.05948

（4）評價結果。通過計算可知本橋梁發生結構安全風險概率為3 級。

3.5 后果當量評估

基于專家進行的風險后果損失評價，得到該工程的評價結果為：造成社會影響較輕、造成環境影響較輕、工期損失2 個月、造成經濟損失9 萬元、3 人傷亡、10 人嚴重受傷。把評價結果帶入式（5），可以獲得：

3.6 風險綜合評估分析

在進行評估過程中不僅評價確定了風險發生概率，還評估了風險的后果，把二者進行組合，可以將結果分為4 個不同的風險等級，如表3 所示。

通過計算結果可知敖江特大橋結構安全風險發生概率為3 級，風險后果等級為3 級，高度風險。

4 結論

（1）公路橋梁施工安全的影響因素繁多復雜，呈現出模糊性和不確定性。結合敖江特大橋工程項目，在調研國內外學者對公路橋梁結構安全施工風險及相關研究的基礎之上，對其影響因素進行辨識，并在此基礎上建立了一套科學合理的公路橋梁結構施工安全風險評價體系。

（2）基于迭代確權的方法解得每個因素的權重向量，并由此構建的非線性模糊綜合評價模型與后果當量法相結合，對敖江特大橋施工風險進行綜合評價。依據模糊綜合評判與后果當量得出該公路橋梁總體風險等級為三級，為高度風險，這與現場情況相符。

（3）針對模糊層次分析法進行有針對性的改進，運用現場施工實際的勘察資料與專家評分確定各風險的權重，提升了模糊層次分析法的實用性與方便性；結合風險后果損失當量法分析社會和經濟等影響因素，可以提升風險評價的系統性與準確度。

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