某市政橋梁鋼箱梁吊裝系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制研究*

孫 威，張曉東，李 華

(1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013； 2.建筑安全與環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國(guó)家建筑工程技術(shù)研究中心，北京 100013； 4.中鐵南方投資集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518054)

0 引言

連續(xù)鋼箱梁橋因具有剛度大、強(qiáng)度高及自重小等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用，受復(fù)雜氣候環(huán)境條件及多種不確定性因素的影響，鋼箱梁吊裝事故頻發(fā)，造成嚴(yán)重?fù)p失，橋梁施工前的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估尤為重要。故障樹分析法以失效樹的形式對(duì)引起系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行多層次分解，有助于識(shí)別系統(tǒng)潛在風(fēng)險(xiǎn)與薄弱環(huán)節(jié)，廣泛應(yīng)用于大型復(fù)雜系統(tǒng)工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中?；诖耍捎弥笜?biāo)體系法與故障樹分析法對(duì)某市政橋梁鋼箱梁吊裝過程進(jìn)行總體及專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，提出合理的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，為完善施工組織方案提供依據(jù)。

1 工程概況

某市政橋梁總長(zhǎng)510m，上部結(jié)構(gòu)由主橋和引橋組成。主橋橋跨布置為(65+90+65)m，上跨地面道路和地下隧道，采用變截面連續(xù)單箱三室鋼箱梁結(jié)構(gòu)，主梁頂板寬14m，底板寬10.585m，懸臂1.75m，中支點(diǎn)、邊支點(diǎn)、跨中梁高分別為4.36，2.76，2.76m，梁底為二次拋物線形。鋼箱底板水平，通過改變腹板高度形成橋面橫坡。鋼箱梁由工廠分段預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)焊接時(shí)在各段接口處設(shè)置臨時(shí)支墩。

引橋采用鋼-混凝土組合梁結(jié)構(gòu)，橋跨布置為4×30m+(40+35)m+3×30m，采用雙箱單室鋼箱梁結(jié)構(gòu)，主梁頂板寬14m，雙箱底板各寬3.8m，懸臂長(zhǎng)2m，梁高1.5～2.0m。鋼箱梁由工廠分段預(yù)制，現(xiàn)場(chǎng)吊裝就位后采用高強(qiáng)螺栓連接。

2 評(píng)估方法與流程

鋼箱梁吊裝工藝流程為：臨時(shí)支墩施工→測(cè)量放線→臨時(shí)支座安裝→鋼箱梁分片吊裝→鋼箱梁臨時(shí)拼接→鋼箱梁焊接或螺栓連接→焊縫檢測(cè)→鋼箱梁轉(zhuǎn)換至永久支座上→臨時(shí)支墩拆除。依據(jù)《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》，將鋼箱梁吊裝風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分為施工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，評(píng)估流程如圖1所示。采用指標(biāo)體系法對(duì)施工總體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，當(dāng)總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為高度風(fēng)險(xiǎn)或極高度風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，需采用故障樹分析法進(jìn)行專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

3 總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

采用建設(shè)規(guī)模、地質(zhì)條件、氣候環(huán)境條件、地形地貌特征、橋位特征及施工工藝成熟度作為評(píng)估指標(biāo)，對(duì)施工總體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估(見表1)。評(píng)估指標(biāo)分類與賦值標(biāo)準(zhǔn)參照《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》。根據(jù)工程特征對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行打分，結(jié)果如表1所示，可知施工總體風(fēng)險(xiǎn)分值為12，根據(jù)表2風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)可確定施工總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)(高度風(fēng)險(xiǎn))，需進(jìn)行專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

表1 施工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

表2 施工總體風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4 專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

4.1 建立故障樹

采用故障樹分析法進(jìn)行專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，需建立符合系統(tǒng)特征與建樹規(guī)則的故障樹。將鋼箱梁吊裝風(fēng)險(xiǎn)作為頂事件，將鋼箱梁墜落、鋼箱梁梁體變形或破壞、施工人員高處墜落及起重機(jī)安全事故作為中間事件，將頂事件和中間事件作為結(jié)果事件，根據(jù)鋼箱梁吊裝工藝流程，逐級(jí)識(shí)別各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)事件，直至基本事件層，形成如圖2所示故障樹。不考慮與建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工單位管理不善相關(guān)的故障原因，假定頂事件與基本事件僅考慮正常、故障狀態(tài)，基本事件相互獨(dú)立。

圖2 故障樹

4.2 確定基本事件發(fā)生概率

根據(jù)橋梁特點(diǎn)，采用專家調(diào)查法對(duì)基本事件發(fā)生概率進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果如表3所示，發(fā)生概率<0.003表示不太可能發(fā)生，發(fā)生概率為0.003～0.03表示偶然發(fā)生，發(fā)生概率為0.03～0.3表示可能發(fā)生，發(fā)生概率>0.3表示很可能發(fā)生。

表3 基本事件發(fā)生概率

4.3 計(jì)算最小割集

專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)最小割集計(jì)算如下：

T=A1+A2+A3+A4

(1)

A1=B1+B2+TB2+B3=C1+C2+(C3+X11+X14+C4+TB1)+(X14+X31+X32+X22+X16)+(C5+X12+C6+X13)=TB1+X24X25+X14+(X14+TB1+X26+X27)+(X15+X16+X11+X14+X17+X18+TB1)+(X14+X31+X32+X22+X16)+(X19+X20+X21+X12+X2+X22+X23+X13)=X2+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23+X26+X27+X28+X29+X30+X31+X32+X24X25

(2)

A2=X1+B4+X2+TB1=X1+X4+X5+X2+X28+X29+X23+X30

(3)

A3=X3B5=X3(X6+X7)=X3X6+X3X7

(4)

A4=TB1+TB2+B6=X28+X29+X23+X30+X14+X31+X32+X22+X16+X8+X9+X10

(5)

將A1～A4代入式(1)，可得：

T=X1+X2+X4+X5+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23+X26+X27+X28+X29+X30+X31+X32+X24X25+X3X6+X3X7

(6)

由式(6)可知，最小割集共30個(gè)，分別為{X1}，{X2}，{X4}，{X5}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}，{X13}，{X14}，{X15}，{X16}，{X17}，{X18}，{X19}，{X20}，{X21}，{X22}，{X23}，{X26}，{X27}，{X28}，{X29}，{X30}，{X31}，{X32}，{X24，X25}，{X3，X6}，{X3，X7}。

4.4 計(jì)算頂事件概率

每個(gè)最小割集為基本事件的積事件，根據(jù)基本事件概率與最小割集，計(jì)算得到頂事件發(fā)生概率為0.66，可知鋼箱梁吊裝施工風(fēng)險(xiǎn)性較高，需進(jìn)一步分析各基本事件對(duì)頂事件發(fā)生的重要程度，以采取有針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，減小事故發(fā)生的可能性及損失。

4.5 計(jì)算基本事件關(guān)鍵重要度

關(guān)鍵重要度表示基本事件對(duì)系統(tǒng)故障的影響，關(guān)鍵重要度越大，表明基本事件對(duì)系統(tǒng)安全性的危害越大。計(jì)算得到的基本事件關(guān)鍵重要度如表4所示，由表4可知，對(duì)鋼箱梁吊裝風(fēng)險(xiǎn)影響最大的基本事件為X23，主要包括鋼箱梁垂直起吊就位時(shí)碰撞臨時(shí)支墩、吊裝就位時(shí)未穩(wěn)定便下落或下落速度過大、碰撞支墩墊塊等。X29，X16，X28，X18，X22，X32等對(duì)鋼箱梁吊裝風(fēng)險(xiǎn)的影響較大，均應(yīng)采取有針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。

表4 基本事件關(guān)鍵重要度

5 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，將對(duì)鋼箱梁吊裝風(fēng)險(xiǎn)影響較大的基本事件作為控制重點(diǎn)，給出風(fēng)險(xiǎn)控制措施，如表5所示。

表5 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

6 結(jié)語(yǔ)

1)總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果表明，鋼箱梁吊裝施工總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)(高度風(fēng)險(xiǎn))，需進(jìn)行專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2)將鋼箱梁吊裝風(fēng)險(xiǎn)作為頂事件，將鋼箱梁墜落、鋼箱梁梁體變形或破壞、施工人員高處墜落及起重機(jī)安全事故作為中間事件的故障樹。計(jì)算得到頂事件發(fā)生概率為0.66，鋼箱梁碰撞其他物體、分離式吊車操作不同步、吊點(diǎn)合力點(diǎn)未在鋼箱梁重心正上方等基本事件對(duì)鋼箱梁吊裝風(fēng)險(xiǎn)的影響較大。

3)基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，將對(duì)鋼箱梁吊裝風(fēng)險(xiǎn)影響較大的基本事件作為控制重點(diǎn)，給出風(fēng)險(xiǎn)控制措施，包括確定合理的吊鉤承力點(diǎn)位置、保證鋼箱梁梁體質(zhì)量、根據(jù)起重吊裝要求合理選擇起重機(jī)型號(hào)、確保支墩地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求等。