基于FCE的橋梁運營階段風險分析

梁曉飛， 李忠梅， 鄭小燕

(1.山東理工大學 建筑工程學院, 山東 淄博 255049;

2.合肥工業大學 交通運輸工程學院， 安徽 合肥 230009)

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基于FCE的橋梁運營階段風險分析

梁曉飛1， 李忠梅1， 鄭小燕2

(1.山東理工大學 建筑工程學院, 山東 淄博 255049;

2.合肥工業大學 交通運輸工程學院， 安徽 合肥 230009)

摘要：為了對橋梁事故進行源頭管理，提高橋梁運營階段的安全性，從風險發生機理出發，建立了風險評估模型、風險接受準則和風險等級評價標準.考慮到風險損失的不確定性和模糊性，將模糊數學方法與層次分析法相結合構建了基于模糊綜合評判(FCE)的失效后果評價方法，使風險損失量化，從而客觀地對橋梁運營期風險進行評價.實例證明該方法具有可行性和有效性.

關鍵詞：風險估計；層次分析法；風險損失；隸屬度函數

橋梁工程在設計和施工階段，通過多種形式的科研，已經對來自自然、人為和意外等各種風險事態進行了有效的控制，但對于運營階段來說，大橋仍面臨來自自然災害、交通事故、意外事故，蓄意事故等各種風險事態對大橋運營安全、結構安全、人員安全等各方面的影響.近年來頻發的橋梁事故給國家造成了巨大的經濟損失，同時帶來了嚴重的社會不良影響[1-2].運營期橋梁風險發生機理如圖1所示，在風險因素的誘導下，橋梁的孕險環境產生的風險事故使各種承載體發生了不同程度的損失.項目的決策者就是要在這些風險事故發生之前對風險可能帶來的損失進行分析，并根據分析結果采取相應措施規避或降低損失，事故的潛在性說明其損失是不確定的，而是隨著風險發生、發展和變化產生相應的波動.橋梁運營階段的風險分析即是以這些潛在損失為主體的研究過程.

圖1 公路橋梁運營期風險發生機理

1　風險估計模型及評價標準

1.1 風險估計模型

營期橋梁風險從風險不確定性、風險事故及風險后果三方面進行風險的度量.采用工程領域普遍認可的風險表達方式[3]為

R=f(P,C)

(1)

式中，R為風險；P為風險事故發生的概率；C表示

風險事故產生的后果(或損失).

1.2 風險評價標準

為了能夠直觀、形象地反映系統風險的程度，使之易于理解和接受，本文根據工程風險發生的概率(或頻率)和風險損失的嚴重程度分別將風險概率分為5級、風險損失分為5級、風險等級分為4級，并依此建立風險分級評價矩陣[4-6](簡稱風險評價矩陣)，見表1.

表1　風險評價矩陣

注：P為風險事故發生概率.

風險等級風險損失1.可忽略2.需考慮3.嚴重4.非常嚴重5.災難性風險概率1.P<3×10-4Ⅰ級Ⅰ級Ⅱ級Ⅱ級Ⅲ級2.3×10-4≤P<3×10-3Ⅰ級Ⅱ級Ⅱ級Ⅲ級Ⅲ級3.3×10-3≤P<3×10-2Ⅱ級Ⅱ級Ⅲ級Ⅲ級Ⅳ級4.3×10-2≤P<0.3Ⅱ級Ⅲ級Ⅲ級Ⅳ級Ⅳ級5.P≥0.3Ⅲ級Ⅲ級Ⅳ級Ⅳ級Ⅳ級注：P為風險事故發生概率.

風險等級不同采用的風險控制對策與處置措施也不應相同，結合表1列出的風險評價矩陣，對不同等級風險制定的接受準則和控制對策見表2.

表2　風險接受準則[6]

2　風險事態發生的概率

對于運營期橋梁，風險概率可以用結構的失效概率來表示，即將風險概率的求解轉變為結構失效概率的求解，按照結構失效概率的求解原理計算風險概率[7].目前常用的方法有均值一次二階矩法、改進的一次二階矩法、JC法、幾何法以及響應面法等.

3　橋梁風險損失

運營期的風險損失包括經濟損失和非經濟損失，其中經濟損失指橋梁風險事故直接或間接造成的能夠采用貨幣計量的損失，非經濟損失指結構耐久性、人員傷亡、社會影響等難于進行經濟量化的損失.損失不能量化的部分使得風險分析時需要結合客觀的科學方法和主觀的專家經驗判斷，這導致許多指標具有主觀性，即存在大量的模糊現象和模糊概念.為了使損失具有客觀性，本文采用結合模糊集理論和最大隸屬度原則的模糊評價方法把上述邊界不清，難于定量的因素進行量化[8-9]，對損失結果評價，評價步驟如下：

(1)建立評價對象的因素論域

評價對象因素集U={u1,u2,…，un}，ui={ui1,ui2,…，uim}(i=1,2,…，n)，式中ui代表各影響因素，n為影響因素個數，m為影響程度等級.

(2)確定評語等級論域

評價集V={v1,v2,…，vk}由用[0,1]間取值的隸屬度函數量化.

(3)建立因素等級模糊關系矩陣

因素等級對于評價集的影響程度采用隸屬度函數表示，化成矩陣R為

(2)

(4)建立因素等級的權重集

權重值采用模糊層次分析法確定，由于因素的等級等同于因素本身的重要程度，故取Ai=(ai1,ai2,…,aim)與ui相同.

(5)一級模糊綜合評價

將評價因素的權向量Ai和模糊矩陣Ri合成模糊綜合評價結果向量Bi，作為一種單因素的評價.

Bi=Ai·Ri=(bi1,bi2,…,bim)

(3)

將由式(3)得出的各因素綜合起來即為一級模糊矩陣

(4)

(6)建立因素權重集

為了反映因素集中的各因素之間的重要程度，采用1-9標度法[10]由專家對其進行兩兩比較判斷，建立判斷矩陣R=(αij)n×n，通過一致性檢驗衡量判斷矩陣是否合理，當一致性比值CR=CI/RI<0.1(CI=λmax-1/n-1)時，判斷矩陣具有一致性，對矩陣最大特征值λmax的特征向量進行歸一化處理即可得到因素的權重集.

(7)二級模糊綜合評判

應用模糊變換原理和最大隸屬度原則，對評價對象相關的各因素做綜合評價，得到模糊綜合評價集

C=A·B=(c1,c2,…,ck)

(5)

依照最大隸屬度準則，取最大值cl對應的評價指標vl作為最終的評價結果，即

(6)

4　工程應用

目前超載超限現象比較嚴重，因此橋梁在超載情況下能否安全運行存在風險.本文以某一級公路上的一座特大橋運營期超載事故為例，說明模糊綜合評價法評價事故造成后果的嚴重性，并利用風險評價矩陣確定風險等級.

4.1 工程概況

大橋地處中溫帶，高原丘陵地形，無通航要求，雙向六車道，荷載標準為公路一級，設計車速80km/h.主橋上部結構為(95+168+95)m三跨連續變截面預應力混凝土剛構橋.橋梁所在的公路是該地區的交通命脈，承擔著當地礦產、煤炭、以及其他資源的外運重任，超載現象較為嚴重，據當地交管統計平均超載幅度約為30%.大橋2001年建成通車，2007年橋梁全面普查時鑒定為一類橋梁.

4.2 橋梁超載風險概率

結合概率極限狀態的橋梁設計規范，不考慮橋梁結構抗力的退化，對于一級公路橋梁主要組合的可靠度指標取β0=4.4[7,11]，則超載30%的情況下的失效概率為1×10-3.

4.3 橋梁超載風險損失

(1) 建立評價對象的因素論域

參照文獻[3,4]編制如表3的因素等級表，設U={u1,u2,…，u6}，每個因素分為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ5個等級，記為ui={ui1,ui2,…，ui5}，選擇三角函數作為隸屬度函數的取值，如圖2所示[12].

根據超載的具體情況和損失大小，結合專家判斷對于超載30%的情況設定：u1(人員死亡)：Ⅰ級；u2(人員受傷)：Ⅱ級；u3(社會影響)：Ⅲ級；u4(經濟損失)：Ⅰ級；u5(結構損傷程度)：Ⅱ級；u6(對交通的影響)：Ⅱ級；u7(對環境的影響)：Ⅱ級.由圖2可知每個因素對應的隸屬函數列于表4.

表3　因素等級

表4 因素等級

圖2 因素等級的隸屬度函數

(2) 二級模糊綜合評價

V={可忽略，需考慮，嚴重，非常嚴重，災難性}

(3) 一級模糊評價

由公式2~式4)得到一級模糊評價矩陣

(4) 二級模糊綜合評價

結合專家判斷采用層次分析法構建各因素兩兩比較的判斷矩陣

4.4 評價結果

超載30%的結構失效概率為1×10-3，失效后果為“需考慮的”，由表1可知風險等級為Ⅱ級可接受風險，需采用預防、控制措施來提升安全性.建議加強超載管理力度，嚴禁超限車輛在橋上通行；增加交管措施，嚴禁重車在橋上超車、停車并限制行車間距以防多輛重車密集造成超載，從而實現風險因素的源頭管理；加強運營期的日常巡查，增加橋梁定檢頻率，及時發現損傷并進行相應的處理保證結構的承載能力.

5 結束語

頻發的事故表明橋梁工程在運營階段存在大量風險因素，該階段的風險分析使潛在的風險具有預見性，公路風險管理工程人員依據評價結果采取相應措施能夠削減風險概率，降低風險損失.本文結合運營期橋梁實際特點闡明了風險發生機理，構建了運營期橋梁風險評估模型和風險評價標準，提出了一種綜合層次分析法和模糊數學理論的風險損失分析方法，將一些難以避免的模糊概念進行量化處理.本方法兼具定性分析和定量分析的優點，避免了傳統分析方法對邊界不清問題進行判斷時產生的誤差，從而使主觀評價更加符合客觀規律，并以超載風險為例驗證了該方法在對運營期橋梁的現狀進行綜合評價時的實用性.

參考文獻:

[1]徐洪濤，郭國忠，蒲煥玲，等.我國近年來橋梁事故發生的原因與教訓[J].中國安全科學學報,2007,17(11):90-95.

[2]雷俊卿.橋梁安全耐久性與病害事故分析[J].中國安全科學學報，2005，15(2)：86-90.

[3]張媛.工程風險分析[D].天津:天津大學，2003.

[4]生產安全事故報告和調查處理條例,2007-06-01[S].

[5]中華人民共和國環境影響評價法,2002-10-28[S].

[6]公路橋隧工程安全風險評估文件匯編[G].北京：中華人民共和國交通運輸部，2009.

[7]李士勇.工程模糊數學及應用[M]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2004：101-108.

[8]SasmalS,RamanjaneyuluK.Conditionevaluationofexistingreinforcedconcretebridgesusingfuzzybasedanalytichierarchyapproach[J].ExpertSystemswithApplications, 2008,35(3):1 430-1 443.

[9]包龍生，劉克同，于玲，等. 基于灰色層次分析法的橋梁施工方案多目標風險分析及評價[J].沈陽建筑大學學報:自然科學版, 2009,25(4)：663-669.

[10]李揚海，鮑衛剛.公路橋梁結構可靠度與概率極限狀態設計[M].北京：人民交通出版社，1997.

[11]楊曉艷,貢金鑫,馮岷,等.公路橋梁車輛荷載效應概率模型及可靠度分析[J].公路交通科技, 2012,29(10):59-65.

[12]張艷麗.工程風險評價方法的研究[D].南京：南京工業大學，2002.

(編輯：劉寶江)

Riskestimationinbridgeoperationstagebased

onfuzzycomprehensiveevaluation

LIANGXiao-fei1，LIZhong-mei1，ZHENGXiao-yan2

(1.SchoolofCivilandArchitectureEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China;

2.SchoolofTransportationEngineering,HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009,China)

Abstract:In order to control bridge accident at the source and improve the safety performance at the bridge operation stage, risk assessment mode, risk acceptance criteria and risk level evaluation criteria were established from the mechanism of risk. Then, taking into account the risk loss of uncertainty and ambiguity, fuzzy comprehensive evaluation method of the consequences of failure was created based on the fuzzy mathematics methodand analytic hierarchy process to quantify the risk of loss and complete risk evaluation. Example showsthat the method is feasible and effective.

Key words:risk estimation； analytic hierarchy process； risklosses； membership functions

中圖分類號：U 445.1

文獻標志碼：A

文章編號：1672-6197(2015)04-0001-05

作者簡介：梁曉飛，女，78liangxiaofei@163.com

基金項目：山東省自然科學基金資助項目(ZR2011EL010)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目(2013G1502017)

收稿日期：2014-09-09