鄭州黃河公鐵兩用橋鋼梁架設方案的層次分析法研究

馬明正

(京廣鐵路客運專線河南有限責任公司,鄭州 450003)

鄭州黃河公鐵兩用橋鋼梁架設方案的層次分析法研究

馬明正

(京廣鐵路客運專線河南有限責任公司,鄭州 450003)

摘 要:從4個層次上構(gòu)建了方案比選評價的AHP模型。根據(jù)在黃河上架設鋼梁來修建特大橋進行施工的方案特點,確定了方案評價指標,即把投資、工期、技術(shù)和施工條件、環(huán)保等五個準則作為評價一個施工方案優(yōu)劣的五個方面的指標;最后把指標層向下展開,形成準則層,建立了層次結(jié)構(gòu)模型。本文闡述的方法和研究的結(jié)論為鄭州黃河公鐵兩用橋鋼梁架設施工提供了科學的決策依據(jù),從方法論的角度上講具有可推廣性?？稍谝欢l件下為其他客運專線工程特大型鋼梁橋的架梁方案比選提供決策方法上的借鑒。

關(guān)鍵詞:石武客運專線;鄭州黃河公鐵兩用橋;鋼梁架設;方案;層次分析法

1 問題的提出

施工組織方案是以工程項目為對象,運用網(wǎng)絡、運籌、物流等技術(shù),結(jié)合施工專業(yè)知識而編制,必須在工程項目開工前進行編制,且一經(jīng)批準,就應作為指導性施工準備和組織施工的綱領性技術(shù)經(jīng)濟文件,體現(xiàn)科學性、合理性、經(jīng)濟性、安全性。方案比選,常常大多采用定性分析法,或平均強度法,依靠編寫人員的工作經(jīng)驗,借鑒一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)、經(jīng)驗數(shù)據(jù),結(jié)合現(xiàn)場實際情況來確定。當一種方案的各項指標都優(yōu)于其他時,就比較容易判斷,但如果幾種方案的若干項指標優(yōu)劣交織時,就會造成決策的困難,而這種情況往往是較普遍的。因此,本文將結(jié)合運用層次分析法的實際案例,來探討更為科學的施工方案的制定方法。

2 施工簡介

2.1 工程背景

鄭州黃河公鐵兩用橋是京廣鐵路客運專線及107國道跨越黃河的特大公鐵兩用橋。橋位距下游京珠高速公路黃河大橋約6km,距上游京廣鐵路鄭州黃河大橋約22km,鐵路橋總長14.887km,公路橋總長22.881km,公鐵合建段長9.177km。共占用土地約43.33hm2(650畝),臨時用地約47.1hm2(706畝)。主橋設計為邊斜桁空間三主桁結(jié)構(gòu)的六塔連續(xù)鋼桁結(jié)合梁斜拉橋,跨度布置為(120+5×168+120+5×120) m,主橋長1684m。如圖1所示。

第1聯(lián)采用(120+5×168+120)m六塔部分斜拉連續(xù)鋼桁梁結(jié)構(gòu),由于位于河道的有水區(qū)域,如圖1的①～⑥號墩,設計跨度大(5跨均為168m長),橋墩位于水中,作業(yè)場地全部在水上。設計架設方案為“雙向臨時墩輔助半懸臂法拼裝”,對比方案有“雙向吊索塔架輔助半懸臂法拼裝”,施工單位中鐵大橋局經(jīng)過研究,提出第3種施工方案“多點同步頂推法架設施工”。

2.2 3種施工方案介紹

2.2.1 雙向臨時墩輔助半懸臂法拼裝

從0號墩往7號墩懸臂架設方案。其架設方法主要如下:利用支架拼裝北岸120m起始段前3個節(jié)間鋼梁,再在鋼梁頂面拼裝65t架梁吊機,鋼梁運輸利用設在下弦的運輸走道運送,借助臨時墩從0號墩半懸臂拼裝鋼梁直至7號墩。鐵路橋面板在鋼梁拼裝同步進行安裝焊接,公路橋面板在預制場集中預制生產(chǎn),待鋼梁拼裝4跨后進行安裝,利用設在鋼梁上弦的運輸走道及臺車運送。鋼塔柱分節(jié)段在工廠加工,待橋面板結(jié)合完畢,且預應力張拉完后,通過臺車運輸鋼塔節(jié)段至設計位置,利用在鋼梁上拼裝的吊機分段安裝。利用梁上吊機掛設斜拉索并張拉,最后施工橋面系及附屬工程。

2.2.2 雙向吊索塔架輔助半懸臂法拼裝

在0號墩、12號墩各設置1座高架門吊提升站,鋼梁由預拼場經(jīng)提升站分別從0號墩、12號墩向7號墩雙向逐節(jié)間、逐孔架設,其中除兩岸邊孔鋼梁采用贗架法施工外,其余孔均采用吊索塔架半懸臂進行鋼梁架設。在懸臂架設第2孔鋼梁時,第1孔后端采用后錨固索法代替壓重法滿足傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)。2聯(lián)鋼梁架設各使用1臺QLY50/16全回轉(zhuǎn)吊機。

2.2.3 多點同步頂推法架設施工

在7號～8號墩設置施工平臺支架,其上安裝前導梁96m,然后向0號墩方向頂推導梁前行36m,組裝鋼桁梁4個節(jié)間。再向0號墩方向頂推36m,繼續(xù)組裝鋼桁梁3個節(jié)間。再向0號墩方向頂推24m,繼續(xù)組裝鋼桁梁3個節(jié)間。前導梁處于全懸臂狀態(tài),散拼支架上有10節(jié)鋼桁梁。頂推鋼桁梁10個節(jié)間120m,其中頂推18m后前導梁前端即支撐于6號墩墩旁托架,繼續(xù)頂推102m,散拼支架上空出10個節(jié)間位置。在鋼梁拼裝平臺支架上組裝鋼桁梁10個節(jié)間。整體頂推120m,然后再在鋼梁拼裝平臺支架上組裝鋼桁梁10個節(jié)間。重復以上步驟,鋼桁梁頂推至0號墩(導梁在過1號墩后即可分段拆除)。

3 運用層次分析法比選施工方案

3.1 指標體系的建立與構(gòu)造

對施工方案進行技術(shù)經(jīng)濟評價與決策,必須在分析方案的技術(shù)經(jīng)濟特點及各種影響因素后提出方案的指標體系。采用多目標準則體系建立層次分析系統(tǒng)圖,包括總目標、分目標、準則層和方案層。

層次分析法的典型方法是求出各層指標內(nèi)容的相對權(quán)系數(shù),再求出各下層指標相對上層指標的權(quán)系數(shù),最后求出最基本指標相對最上層指標的相對權(quán)系數(shù)即總排序。

本文以如下層次來分析。第1層為目標層即施工方案層。第2層為分目標層,包括投資、工期、技術(shù)可靠性、施工條件、環(huán)境保護。第3層為準則層,由各分目標構(gòu)成。第4層為方案層,本例有3種方案。

3.2 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 AHP層次結(jié)構(gòu)模型

3.3 構(gòu)造判斷矩陣

為確定各項指標的分值,組織了包括建設、施工、設計、監(jiān)理、咨詢單位在內(nèi)的10人共同研究,對整個AHP指標體系進行一次完整的綜合打分(表1),共包含25個判斷矩陣,現(xiàn)以A～B矩陣為例,說明如下。

表1 架梁方案選擇指標評價

3.4 層次單排序

3.4.1 一致性檢驗

經(jīng)計算,A～B矩陣的最大特征值為λmax=5,矩陣維數(shù)為n=5,查表可得5階矩陣平均隨機一致性指標RI=1.12。

一致性指標:CI=(λmax-n)/(n-1)=0

一致性比率:CR=CI/RI=0＜0.1,符合一致性要求(若不符合要求則需要對矩陣進行調(diào)整)。

3.4.2 計算各元素權(quán)重

計算該矩陣最大特征值所對應的特征向量,此特征向量的各維的數(shù)值即是相應子節(jié)點的相對權(quán)重,計算流程如下。

設矩陣A如表2所示。

表2 矩陣A

首先對目標矩陣A作變換,設wi=a1i+a2i+…+ani,生成表3的矩陣。

表3 矩陣A變換后的矩陣

然后對各行求和

設a=a1+a2+…+an,則最后算出的n個技術(shù)的歸一化分數(shù)為

[CT1,CT2,…,CTn]=[a1/a,a2/a,…,an/a]

通過上面的方法,可以求得矩陣A～B的各元素權(quán)重見表4。

表4 矩陣A～B各元素權(quán)重

其余24個判斷矩陣由于篇幅所限,不一一列出。

3.5 層次總排序

在3.4中得到每一層不同節(jié)點間的相對權(quán)重,并非每個葉子節(jié)點針對最頂層指標的綜合權(quán)重。為計算綜合權(quán)重,將葉子節(jié)點的相對權(quán)重遞歸的乘以其父節(jié)點的權(quán)重,直至到達指標樹頂層。即得所有葉子節(jié)點的綜合權(quán)重,以矩陣SW=[sw1,sw2,…,swk]表示。

根據(jù)指標樹,一共有19個葉子指標存在,其權(quán)重矩陣每個元素的值([sw1,sw2,…,swk])如表5(最后1列)所示。

表5 葉子指標權(quán)重

由表5可知,權(quán)重矩陣SW=[0.0306,0.0918, 0.0612,0.1531,0.0918,0.0214,0.0643,0.1072, 0.0214,0.0068,0.0476,0.0340,0.0476,0.0068, 0.0268,0.0536,0.0268,0.0357,0.0714]

所有待評價方案針對所有葉子指標的相對權(quán)重,以下面的矩陣表示(葉子指標k個,待評項目n個)

對于本案例來講,其PT矩陣如下

則各方案的綜合權(quán)重(最終得分)為

在本次研究中,這3個方案的最終得分為

如表6所示。

表6 3種方案權(quán)重

由此可以得出結(jié)論,方案三具有明顯的優(yōu)勢,即本工程施工采用“多點同步頂推法架設施工方案”。

層次分析法在方案比選方面具有較好的科學性,能將繁雜龐大的因素集合單一化、量化,通過層層對比計算,最終得出合理的結(jié)論,是一種實用有效的方法。但由于在確定各項指標的相對權(quán)重時,受參與人水平、認識、喜好的影響,判斷矩陣并不一定完全準確,如何更客觀地判斷,仍然需要不斷研究。

鄭州黃河公鐵兩用橋第一聯(lián)鋼梁運用“多點同步頂推法架設施工方案”,從2008年11月6日正式開始頂推,于2009年11月15日頂推到位,工程進展順利,安全質(zhì)量符合要求。

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中圖分類號:U445.46

文獻標識碼:A

文章編號:1004-2954(2010)09-0003-03

收稿日期:2010-05-26

作者簡介:馬明正(1969—),男,高級工程師,1992年畢業(yè)于長沙鐵道學院鐵道工程專業(yè),工學學士。