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(shè)過程中結(jié)構(gòu)安全事故的發(fā)生，根據(jù)公路橋梁建設(shè)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(quán)的模糊層次綜合分析法對橋梁結(jié)構(gòu)安全的施工風險因素權(quán)重進行確定排序，并結(jié)合建立的公路橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)果表明：得到的公路橋梁結(jié)構(gòu)安全施工風險等級與橋梁建設(shè)現(xiàn)場實際相吻合，建立的公路橋梁結(jié)構(gòu)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(guān)鍵詞： 公路橋梁 結(jié)構(gòu)安全 施工安全 迭代確權(quán) 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(xiàn)代科學信息技術(shù)對大型橋梁進行在線監(jiān)測，實時了解橋梁運營狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)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(jīng)濟損失具有重大意義。

目前，國內(nèi)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(jié)構(gòu)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(jiān)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(jié)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(nèi)盡可能減少人為的主觀因素，使得評估結(jié)果更合理，但是該方法構(gòu)建判斷矩陣困難，不適用于遇到的復(fù)雜橋梁問題［5-8］。（4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。該方法能夠?qū)τ诓煌臉蛄呵闆r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(yīng)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(tǒng)性、復(fù)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(guān)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(quán)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(yīng)用基于迭代權(quán)重確定的模糊層次分析法和后果估算法相結(jié)合的方法，對橋梁施工過程的結(jié)構(gòu)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(jié)合的構(gòu)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(gòu)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(guān)研究并結(jié)合有關(guān)橋梁施工特性，將影響橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(gòu)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(quán)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(shù)得到新的模糊互補判斷矩陣R = （βij （α））n ? n。βij （α）的函數(shù)表達式為式（1）。

式（1）中，α是轉(zhuǎn)變系數(shù)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(quán)重向量：

對最初權(quán)向量值進行優(yōu)化后，基于特征根與冪法進行迭代求解確權(quán)獲得的W（k）為權(quán)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(quán)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(jié)構(gòu)安全施工風險發(fā)生概率等級設(shè)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(diào)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(jié)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(quán)重矩陣Wi 和評價矩陣Vi后，形成評價矩陣R。

（2）次級評價?；谏弦徊角蟮玫脑u價矩陣R與當前層次權(quán)重矩陣W，解得模糊綜合評價集B。

（3）風險發(fā)生概率的確定。用I 級評判函數(shù)，獲得公路橋梁施工風險的風險發(fā)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(guān)規(guī)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(huán)境損失；CG 為工期損失；CR 為人員傷亡；CZ 為直接經(jīng)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(shè)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(jīng)濟損失；（4）環(huán)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(shù)；ri （i=1，2，…，5）為各風險因素修正系數(shù)。

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

2.5 風險評估結(jié)果

最終公路橋梁結(jié)構(gòu)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(jié)果，獲得公路橋梁施工風險的風險發(fā)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(yīng)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(xiàn)場設(shè)計勘察資料與超前地質(zhì)預(yù)報數(shù)據(jù)，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(quán)重的確定

根據(jù)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(chuàng)建模糊一致矩陣。再由式（4）至式（6）通過迭代確權(quán)解得權(quán)向量。在這一工程實例中，通過模糊數(shù)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(guī)劃法獲得的權(quán)重向量更合適，通過迭代確權(quán)解出的計劃因素權(quán)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(jù)工程的勘測設(shè)計資料對影響公路橋梁結(jié)構(gòu)安全的因素進行量化和等級劃分，并且分析結(jié)合敖江特大橋施工現(xiàn)場狀況，求得各因素最終權(quán)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(jié)構(gòu)安全施工風險評價體系中各個風險因素的評價結(jié)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(jié)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(jié)果如下：

B =W× R=（0 0.552 0.428 0）

（3）風險發(fā)生概率等級。根據(jù)上述計算結(jié)果，選用I 級評判函數(shù)，可以得到公路橋梁結(jié)構(gòu)風險發(fā)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(jié)果。通過計算可知本橋梁發(fā)生結(jié)構(gòu)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(jié)果為：造成社會影響較輕、造成環(huán)境影響較輕、工期損失2 個月、造成經(jīng)濟損失9 萬元、3 人傷亡、10 人嚴重受傷。把評價結(jié)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(fā)生概率，還評估了風險的后果，把二者進行組合，可以將結(jié)果分為4 個不同的風險等級，如表3 所示。

通過計算結(jié)果可知敖江特大橋結(jié)構(gòu)安全風險發(fā)生概率為3 級，風險后果等級為3 級，高度風險。

4 結(jié)論

（1）公路橋梁施工安全的影響因素繁多復(fù)雜，呈現(xiàn)出模糊性和不確定性。結(jié)合敖江特大橋工程項目，在調(diào)研國內(nèi)外學者對公路橋梁結(jié)構(gòu)安全施工風險及相關(guān)研究的基礎(chǔ)之上，對其影響因素進行辨識，并在此基礎(chǔ)上建立了一套科學合理的公路橋梁結(jié)構(gòu)施工安全風險評價體系。

（2）基于迭代確權(quán)的方法解得每個因素的權(quán)重向量，并由此構(gòu)建的非線性模糊綜合評價模型與后果當量法相結(jié)合，對敖江特大橋施工風險進行綜合評價。依據(jù)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(xiàn)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(xiàn)場施工實際的勘察資料與專家評分確定各風險的權(quán)重，提升了模糊層次分析法的實用性與方便性；結(jié)合風險后果損失當量法分析社會和經(jīng)濟等影響因素，可以提升風險評價的系統(tǒng)性與準確度。

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