基于風險分析-可靠度混合法預制梁板運、架施工安全評估

向綠林，賀國京，沈晴晴，易錦

(1.福建林業職業技術學院，福建 南平 353000;2.中南林業科技大學 土木工程與力學學院，湖南 長沙 410004)

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基于風險分析-可靠度混合法預制梁板運、架施工安全評估

向綠林1，賀國京2，沈晴晴2，易錦2

(1.福建林業職業技術學院，福建 南平 353000;2.中南林業科技大學 土木工程與力學學院，湖南 長沙 410004)

介紹一種適用于預制梁板運輸與架設施工安全評估方法風險分析-可靠度混合方法。該法首先應用風險分析的方法對預制梁板運輸與架設施工過程事故風險因素按照提梁、運梁和架梁3個過程進行分類識別并提出打分方案，然后，再在風險因素識別的基礎上基于可靠度相關理論對危險源進行定量分析，對該類施工過程控制參數進行確定，結合已有研究及現場統計的方法對控制參數相應荷載、抗力分布規律進行分析，最后，在對其可靠性系統進行確定的基礎上求得該類施工過程安全可靠度系數。該法有效結合風險理論及可靠度理論的優點，充分考慮隨機因素對施工期結構安全性的影響，對安全因素進行定性定量分析。

橋梁施工；安全評估；風險分析；可靠度

相關調查表明：土木工程中倒塌事故發生于施工期的占到83.2%，施工期由于結構抗力的不成熟性、荷載的復雜多樣性、結構的非完整性等特點，導致結構失效概率遠遠高于使用期[1]。由于早期的確定性分析方法可能忽略非確定性因素的影響，造成過高的估計結構施工過程的安全性，因此逐漸出現了考慮概率因素的分析方法，諸如風險分析、可靠度分析等的一系列方法。風險分析方法在我國出現較晚，到20世紀80 年代方有學者開始從事工程項目相關風險分析方面的研究。目前風險分析方法在橋梁撞擊、抗風抗震、洪災火災等方面應用廣泛，大致出現了定性分析、定量分析、定性定量綜合分析等幾類分析方法。其中定性定量綜合分析方法結合了定性分析與定量分析的優點，有學者將其劃分為定性半定量分析法和定量半定性分析法兩類[2-3]。隨著可靠度分析方法的發展和成熟，很大程度上彌補了前期風險分析時對結構安全定量確認時的困難和不足。隨著工程結構的不斷復雜化以及對安全要求的提高，單一的處理方法往往不能滿足安全評估的要求，隨即出現了一系列的混合方法，力求避免各分析方法的不足以達到最佳的安全評估效果，如宗周紅等基于不確定層次分析法、加權極值統計理論等綜合方法對大跨徑連續鋼構橋進行了安全評估[4]；程進[5]結合人工神經網絡(ANN)與一階可靠度方法(FORM)對預應力混凝土橋進行了可靠度分析；Choi等[6]結合事故樹分析(ETA)與貝葉斯方法對施工期倒塌失效起因等進行了分析；Cho等[7]結合一次二階矩法開發的線性自適應加權響應面法對預應力箱梁鐵路橋進行了可靠性評估,然而，橋梁預制施工應用廣泛，而研究較少。本研究以湖南懷化繞城高速預制梁板運輸與架設施工為背景，提出一種風險分析與可靠度相結合的分析方法，實現了預制橋梁施工安全評估，為類似橋梁施工安全性評估提供參考。

1　方法介紹

1.1安全評估流程

風險分析-可靠度混合方法是有效結合風險分析方法與可靠性分析方法各自優點，避免各自方法的不足，而發展起來的一種混合方法。該法分析流程如下：

首先，基于風險分析方法對預制梁橋施工整個流程進行風險識別并打分，然后將識別的風險因素按照施工過程構建子系統，應用可靠度分析方法分析各子系統可靠度，最后，確定各子系統直接的相關性，結合各子系統的可靠度確定施工整體可靠度，具體流程如圖1所示。

圖1　安全評估流程圖Fig.1 Flow chart of safety assessment

1.2風險分析

風險發生的概率與風險產生的危害嚴重程

度是風險分析的兩個最主要也是最關心的方面，

因此目前工程領域普遍用事故發生的概率與事故造成的后果的乘積來表示風險，若考慮整個系統的風險，則用全部事故風險的代數和來表示系統總風險，如式1所示。

(1)

式中：R表示系統總風險；Pi表示第i個事故出現的概率；Ci表示第i個事故產生的后果。

風險分析主要包括風險識別、風險估計、風險評估、風險應對與決策四個部分，其中風險識別是進行安全分析的基礎，也是對分析人員自身經驗和素質要求較高的部分，如何有效準確識別橋梁施工過程中的風險因素是關鍵。

1.3可靠度分析

結構可靠度及指在規定時間和條件下，保證結構達到預期功能的能力，橋梁施工期可靠度意義與此類似，只是時間和條件上有其獨特性，時間上遠比使用期時間短；條件上施工期結構抗力和荷載都不同于使用期，具有受時間參數的影響更加明顯，結構抗力尚處于發展期，而荷載的變化性較大等特點[8]。

隨著可靠度理論的快速發展，形成了如一次二階矩、二次二階矩、蒙特卡羅法、響應面法等多種可靠度分析方法，各種分析方法都有各自的優缺點以及適用范圍，往往需要使用者結合實際工程類型、評估要求、經濟條件等多方面因素綜合考慮，以選擇一種合適的分析方法進行分析。

2　風險識別及評價

2.1風險識別

預制梁橋施工工藝和流程與別的施工方案大為不同，因此在對該類施工過程進行風險識別時需要進行獨立研究。

預制梁板運輸與架設施工流程主要包括提梁、運梁、架梁等過程，因此需要按照施工流程分別構建風險子集，對各子集進行風險識別，具體如表1所示。

表1　預制施工風險因素識別圖

2.2風險指標

從事故源頭抓起，分析判斷造成事故的潛在原因，探索事故發生的概率以及造成的后果，并形成統一可行的評價指標，是避免施工事故發生的有效方法，也是后期基于可靠度理論進行安全評估的重要基礎和依據。

在《公路橋梁承載能力評定規程》[9]中將結構狀況劃分為良好狀態、較好狀態、較差狀態、差的狀態和危險狀態5個等級，朱三凡基于等級劃分對各狀態進行了評分[10]。

該研究結合預制橋梁施工特點，考慮到特殊風險因素缺乏統一劃分及評分標準的現狀，結合現有相關研究，對預制施工過程風險因素按照統一標準進行等級劃分及形成評分指標，具體如表2所示。

3　可靠度分析模型

在對預制梁橋施工過程風險因素進行識別與評價的基礎上，基于可靠性理論對風險因素進行定量分析，形成可靠度指標，為施工安全性評估提供參考。

表2　風險評判標準

3.1控制參數確定

根據結構可靠度功能函數(式2所示)，要確定結構可靠與否，首先需要確定相應的控制參數，根據結構實際荷載是否超過控制參數，判斷結構的可靠性。

(2)

預制梁板運輸與架設施工控制參數包括運梁通道最小轉彎半徑控制、橫向坡度控制、縱向坡度控制、路基承載能力控制、裸梁承載能力控制等方面。

1)通道最小轉彎半徑控制研究

目前，我國對道路半徑參數控制是基于評判轉彎處橫向力穩定性程度的橫向力系數表達式轉化而成[11]。然而，由于運梁炮車行駛的速度相對較小，按照橫向力穩定性要求求解的轉彎半徑極小，不滿足運梁炮車運行要求，因此，橫向力穩定性要求不能作為運梁通道最小半徑的控制因素，應按照通行要求求解，如圖2所示。

圖2　運梁通道轉彎半徑控制Fig.2 Turning radius control of channel for carrying beam

為了確保運梁炮車能夠正常運行，轉彎半徑最小值應滿足式3所示要求。

(3)

化簡得到：

(4)

式中：R表示運梁通道轉彎半徑；a表示炮車與梁總長；b表示梁寬；c表示路寬。

由于此處R是按照最基本的通行要求求解的，為了通行的順便與安全，需要對該求解值考慮一定擴大系數1.4，即得到Rmin=1.4R。

2)其余相關參數控制研究

當實際參數超過控制參數時，即認為結構失效，反之，則認為結構可靠。

3.2抗力、荷載概率分布模型

1)抗力、荷載概率分布直方圖

建立抗力、荷載概率分布直方圖，一方面可以方便對實際工程進行統計，另一方面可以方便直觀的發現抗力、荷載的分布規律。

結合Ayyub等[14]對結構抗力、荷載的統計規律研究，鋼筋混凝土結構施工期恒載分布符合正態分布，對于道路運梁和裸梁上運梁過程，由于只考慮梁體和跑車荷載作用，結構荷載概率模型安照正態分布考慮。

由于預制梁板施工過程抗力、荷載模型有其特有的模式，更多的控制參數并非傳統荷載，即需要考慮廣義可靠度相關概念，因此需要建立統計分布直方圖，以判斷其抗力、荷載分布規律，由于篇幅限制，此次展示運梁通道縱向和橫向坡率分布直方圖，如圖3～4所示。由其概率分布直方圖可以方便的看出，運梁通道縱向和橫向坡率分布符合對數正太分布。

圖3　縱向坡率分布直方圖Fig.3 Longitudinal slope distribution histogram

圖4　橫向坡率分布直方圖Fig.3 Transverse slope distribution histogram

2)抗力、荷載概率參數確定

基于重要抽樣分布原理可以對各概率模型的樣本平均值(式5)和樣本方差(式6)進行求解[15]，為后期可靠度求解提供依據。

(5)

(6)

3.3基于JC法求解子系統可靠度

JC法[16]是由Hasofer、Lind等提出的可靠度計算方法，在很大程度上彌補了中心點法不能考慮概率分布特征的缺點，其具體計算步驟如圖5所示。

圖5　JC法計算流程圖Fig.5 Flow chart of calculate with JC method

基于前期求得的結構抗力、荷載的概率分布模型以及其標準值和方差，即可求得各個風險因素子系統的可靠度。

3.4可靠度系統分析

整體系統是由子系統組成，子系統中又可包括二代子系統甚至三代子系統，因為，要求解結構整體系統可靠度[17]，需要對各子系統之間聯系關系進行確定。

典型系統可靠度模型分為串聯系統可靠性模型、并聯可靠性模型、串并聯混合系統可靠性模型、橋式網格系統可靠性模型，分別如圖6～9所示。

1)串聯系統分析

串聯系統可靠度pt為：

(7)

式中：Pt為串聯關系系統整體可靠度；pi為第i個子系統可靠度；n為子系統個數，下同。

2)并聯系統分析

圖6可靠性串聯系統
Fig.6 Series system of reliability

圖7　可靠性并聯系統Fig.7 Parallel system of reliability

并聯系統可靠度pt為：

(8)

3)串并聯混合系統分析

圖8　串并聯混合系統Fig.8 Series-parallel hybrid system

串并聯混合系統可靠度需要先求出各并聯

子系統可靠度pi，然后再結合串聯系統求整體系統可靠度pt。

4)橋式網格系統分析

圖9　橋式網格系統Fig.9 Bridge type grid system

根據最新路集法得橋式網格系統可靠度pt為：

(10)

確定結構各風險因素子系統可靠度，再結合各子系統之間的聯系關系，即可確定整體系統可靠度，為預制梁板運輸施工過程評估提供確定性的可靠度指標。

4　工程實例

以湖南懷化繞城高速某橋預制梁板運輸與架設施工為例，對其施工過程進行可靠度分析。由于降雨、大風、人為失誤等偶然因素造成運、架梁事故的，可以通過提高施工管理水平、增強施工人員的安全意識、避免惡劣氣候和環境下施工等方式避免,因此此例分析過程僅考慮轉彎半徑過小、運梁通道橫向失穩、運梁通道縱向失穩、路基承載能力不夠、裸梁上運梁傾覆失穩五個風險控制因素，針對識別的這五個高危風險因素進行可靠度分析，并得到整體可靠度指標。該五個風險因素概率分布及相關系數如表3所示。

表3　風險因素概率分布及相關系數

由JC法可得轉彎半徑過小、運梁通道橫向失穩、運梁通道縱向失穩、路基承載能力不夠、裸梁上運梁傾覆失穩5個風險因素(即子系統)對應的可靠度指標分別為：4.590 9,3.550 8,3.139 8,3.828 0和3.573 2。

由此可以得到各個子系統相應的失效概率分別為：2.215 6e-6，1.920 1e-04，8.462 5e-04，6.459 4e-05和1.763 4e-04。

由于該子系統中比較獨立，相互影響較小，在此可以按照串聯系統計算，即得到該橋施工過程系統整體失效概率為：

5　結論

1)基于風險分析的方法，可以對預制梁板施工過程可能存在的危險源進行了有效識別，并對危險源進行劃分和打分，由于有些風險源只需增強施工管理、提高施工人員安全意識及進行規范性施工即可避免，有些危險源則需要采取相應的技術措施才能有效避免，因此，對危險源進行有效劃分，是確保針對不同危險源采取正確處理措施的重要依據。

2)通過風險因素的識別與判斷，對預制梁板施工過程危險源有了定性認識，為后期對施工過程進行安全性定量評估提供了參考。

3)在風險因素識別與打分的基礎上，本研究基于可靠性理論，對各個子系統進行獨立的可靠度分析，并結合各子系統之間的關系，對預制施工過程進行了整體安全性評估，分析了整體施工過程的失效概率。分析方法方便可行，為類似橋梁施工安全評估提供參考。

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Precast beams carrying and erecting construction security assessment based on risk analysis-reliability hybrid method

XIANG Lvlin1, HE Guojing2, SHEN Qingqing2, YI Jin2

(1. Fujian Forestry Vocation Technical College,Nanping 353000，China;2.College of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

The risk analysis-reliability hybrid method is presented for evaluating the precast beam carring and erection construction period safety of bridge. Firstly, accident risk factors of precast beam carring and erection construction period are classified and identified based on lifting beams、carring beams and erecting beams three process, and scoring plan was showed. Then, quantitative analysis was made of dangerous source by the use of reliability theory. The construction process control parameters and the distribution regularity of loads and resistances were determined combining with the existing research and statistical methods. Lastly, reliability system and safety reliability coefficient of construction process was determined. The method effectively combine the risk theory and reliability theory. Fully considering the influence of random factors on the structure security during the construction. Qualitative and quantitative analysis of safety factors was made.

bridge congstruction; security assessment; risk analysis;reliability

2015-11-21

湖南省交通科技計劃資助項目(201332)；湖南省自然科學基金資助項目(14JJ2105)；湖南省重點學科建設資助項目(2012ZDXK003)

賀國京(1964-)，男，湖南岳陽人，教授，博士，從事橋梁工程教學與科研；E-mail：cegjhe@hotmail.com

U448.35

A

1672-7029(2016)09-1872-07