基于模糊綜合評判的斜拉橋索塔施工安全風險評估

尚 進，王有志，張 雪，周春霖，王世民山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061

基于模糊綜合評判的斜拉橋索塔施工安全風險評估

尚 進，王有志，張 雪，周春霖，王世民
山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061

Construction Risk Assessment of Cable Support Tower of Cable-stayed Bridge Based on Fuzzy Comprehensive Evaluation

0 引 言

隨著中國基礎設施建設的快速發展，具有跨越能力強、經濟性良好、外形美觀等優點的斜拉橋建造數量越來越多。但斜拉橋的施工過程復雜，在施工過程中存在各種各樣的風險干擾[1]，因此有必要對斜拉橋的施工過程進行風險評估。

曾勇利用定性、定量結合的方法研究了某一斜拉橋鋼桁架梁最大懸臂端的位移失效概率[2]；谷音、馮海清、吳文明研究了橋梁在地震作用下的風險概率，取得了良好的結果[3-5]；阮欣[6]通過研究復雜橋梁施工過程，說明了風險評估的一般過程；嵇正永、鞏春領研究了橋梁在施工階段的風險對策[7-8]；Tung-Tsan Chen[9]研究了橋梁施工中高空墜物的風險評估；Duygu Saydam[10]研究了橋梁上部結構的全生命周期風險。目前國內外學者對橋梁整體或某一突發狀況的風險評估研究較多，單獨對斜拉橋索塔施工階段的風險評估研究較少。風險評估的常用方法中仍存在一些缺陷[11-15]：傳統的層次分析法由于自身的特點，在確定指標權重時具有較大的主觀性，甚至不能通過一致性檢驗；在模糊綜合評判中經常取大或取小算子而丟失數據信息，導致評價結果不準確；常采用的加權算數平均算子是一種線形加權平均方法，而風險評估具有非線性特征，因此加權算數平均算子不適合應用在風險評估中。

安裝爬模

為更加準確、合理地對斜拉橋索塔施工階段進行安全風險評估，本文建立索塔施工階段的風險源層次模型，提出一種基于模糊綜合評判的方法，對斜拉橋索塔施工安全風險進行評估，并將此模型及方法應用到某在建斜拉橋的索塔施工安全風險評估中，針對風險源提出相應的防控對策。

1 索塔施工安全風險源辨識

影響索塔施工安全的風險事件有很多，需要對其辨識并進行層次分解，直至能具體分析某一風險事件的發生可能性及嚴重程度的地步。本文將索塔施工安全的風險大致分為自然因素、人為因素、施工因素及意外因素4個類別，每個類別下又各包含n個風險源。具體采用的層次模型見圖1。

圖1 索塔施工安全風險源層次模型

對圖1中目標層、風險類型層、風險源層進行編碼，可以將風險源與編碼一一對應，在風險源較多時可避免風險源之間的混淆，例如， FSYn指影響索塔施工安全的意外因素中的第n個風險源。

2 索塔施工安全風險評估方法

2.1 模糊隸屬關系矩陣

專家調查法具有能夠直接利用專家經驗且簡便易行的特點，適用于解決難以精確計算風險概率或損失而依靠專家的直觀判斷進行預測的風險問題[16-19]。以風險源發生可能性為例，利用專家調查法建立模糊隸屬關系矩陣的步驟如下。

（1）請專家根據表1中的描述[20-21]對風險源發生可能性等級進行評判。

表1 風險源發生可能性及嚴重程度分級表

（2）在專家評判完畢后，統計每個風險源的發生可能性等級的隸屬度，并在此基礎上建立模糊隸屬關系矩陣。以自然因素FSZ為例，假設FSZ共有n個風險源，稱RSZ為其發生可能性的模糊隸屬關系矩陣，即

其中，rij為第i個風險源對第j個評語的隸屬度（即每個評語的評判數量除以評判專家總數）。同理可得到人為因素FSR、施工因素FSC及意外因素FSY對應的發生可能性模糊隸屬關系矩陣RSR、RSC及RSY。

風險源嚴重程度模糊隸屬關系矩陣的建立過程同上。需要說明的是，《公路橋梁和隧道工程安全風險評估指南》一書中對嚴重程度等級的評判主要考慮人員傷亡和直接經濟損失2個方面，本文采用直接經濟損失作為嚴重程度等級的評判標準。

2.2 風險類型及風險源權重

在風險評估中，層次分析法經常被用來計算各因素的權重，但此方法具有較大的主觀性，同時在計算過程中其一致性檢驗比較復雜而且難以實現。因此，本文利用誘導有序加權平均（IOWA）算子并結合區間賦值的方法計算各風險類型及風險源的權重，減弱了主觀因素的影響，避免了一致性檢驗步驟，使計算更加高效。

2.2.1 IOWA算子

令N={1，2，…，n}，稱（ui，ai）（i∈N）中的ui為誘導分量，ai為數據分量。定義IOWA算子為

其中，ω=（ω1，ω2，…ωn）T，是與F相關聯的加權向量，0≤ωj≤1，bｊ是uｊ(i∈N)中第個最小元素對應的（ui，ai）中的數據分量。對誘導值ui按從小到大順序排序后對應的ai進行有序加權平均，ωj與無關bj，只與其誘導值順序有關。

2.2.2 區間賦值

由于問題的復雜性，評價者往往無法用一個確定的數值對評估對象進行描述，但卻能給出大致范圍，這種方法更加貼近專家對風險進行評估的實際情況，可操作性也更強。假設評價者P和Q對同一評估對象給出的區間賦值范圍分別是（P1，P2）和（Q1，Q2），則當（P1，P2）與（Q1，Q2）的交集是空集時，協商區間D的上限和下限分別由兩區間賦值范圍各自的平均值構成；當（P1，P2）與（Q1，Q2）的交集不是空集時，協商區間D為兩者的交集。

2.2.3 評估值計算

以發生可能性為例，請專家分別對風險類型或風險源的發生可能性根據表2進行區間賦值。需要說明的是，由于《公路橋梁和隧道工程安全風險評估指南》一書中對發生可能性的等級劃分只有四級，為更準確地進行風險評估，表2在對其進行區間賦值時將以上四級進一步細化，共劃分為9個級別，每個級別的賦值區間大小為0.2，這樣能使專家更加細致、準確地對某評估對象進行描述。

將不同評價者對同一評估對象的賦值區間進行分類，分成h個互不相交的子集。設C1，C2，…，Ch是分類后得到的子集，根據區間賦值規則求出各子集的協商區間[p1，q1]，[p2，q2]，…，[pn，qn] ，一般情況下取協商區間的中間值作為協商值bi（i=1，2， …n）。向量ω=（ω1，ω2，…ωn)T有多種定義方式，考慮到讓每個評價者的意見都充分發揮作用，體現人數與權重成正比的特點，本文采用協商值所在類別人數與總人數的比值作為ω。此時，風險類型或風險源發生可能性的評估值表達式為

風險類型或風險源嚴重程度的區間賦值及其評估值的計算過程同上。

2.2.4 權重計算

在每個風險類型或風險源發生可能性的評估值Et確定后，將其評估值歸一化就可得到各風險類型或風險源相應的發生可能性權重。

風險類型或風險源嚴重程度權重的計算方法同上。

2.3 非線性模糊合成算子

模糊合成算子對最終的評估結果至關重要?？紤]到風險評估的非線性特點，本文采用一種非線性模糊合成算子。

以風險源發生可能性為例說明，5位專家中有3位認為某風險源發生的可能性為1級，2位專家認為該風險源發生的可能性為2級，則該風險源發生可能性的突出影響系數λn=（1×3＋2×2）/（3＋2）=1.4。風險類型的突出影響系數取相應風險源突出影響系數中的最大值。

風險類型或風險源嚴重程度的突出影響系數計算方法同上。

2.4 模糊綜合評判

在計算出模糊隸屬關系矩陣以及各風險類型及風險源權重后，就能夠對風險發生可能性及嚴重程度進行評估。

以風險發生可能性的計算為例。利用非線性模糊合成算子將IOWA算子及區間賦值得到的各風險源的模糊隸屬關系矩陣以及各風險源的權重向量結合起來，計算得到各風險類型的發生可能性對于評語集的隸屬度向量。以自然因素（Z）為例，MSZ=ASZ·RSZ=[m11，m12，m13，m14]，其中“·”代表非線性模糊合成算子。同理可得到人為因素（R）的隸屬度向量MSR=[m21，m22，m23，m24]、施工因素（C）的隸屬度向量MSC=[m31，m32，m33，m34]意外因素（Y）的隸屬度向量MSY=[m41，m42，m43，m44]，綜合以上隸屬度向量得到目標層索塔安全施工（S）的模糊隸屬關系矩陣，即

利用IOWA算子結合區間賦值的方法求得風險類型層中自然因素（Z）、人為因素（R）、施工因素（C）以及意外因素（Y）對于目標層的權重AS=[a1，a2，a3，a4]，利用該非線性模糊合成算子計算出目標層索塔安全施工（S）的風險發生可能性的隸屬度向量MS=AS·RS=[m1，m2，m3，m4]。

表2 區間賦值

橋塔澆筑混凝土

由最大隸屬度原則并對照表1即可確定索塔施工安全風險評估中發生可能性的等級。索塔施工安全風險評估中嚴重程度等級的計算方法同上。在計算得到發生可能性等級及嚴重程度等級后，對照表3即可得出索塔施工的安全風險等級，并針對風險源提出相應的風險控制措施。

3 工程實例

3.1 工程概況

某斜拉橋主橋為雙索面A形獨塔混凝土斜拉橋，跨徑布置為（120＋120） m。索塔分上、中、下塔柱三部分，上塔柱高40 m，中塔柱高38 m，下塔柱高10 m，總高度為88 m，如圖2所示。索塔共設置3道橫梁，均位于上塔柱范圍內。為滿足受力要求，上塔柱及橫梁均為預應力混凝土結構，索塔及橫梁材料采用C50混凝土。該橋塔地屬于北溫帶季風氣候，平均降水量662.5 mm。常風向為南風，強風向為北風。該場地地貌單元屬第四系沖洪積平原，基本地震動加速度峰值為0.2g，基本地震動加速度反應譜特征周期0.4 s。索塔除下塔柱外采用爬升模板法逐段連續施工，每段塔柱澆筑高度控制在4~6 m。

3.2 索塔施工安全風險評估

根據提出的索塔施工安全風險源層次模型，再結合工程實際情況，確定該斜拉橋采用的索塔施工安全風險源層次模型，如圖3所示。

以自然因素（Z）風險發生可能性計算為例。征求5位專家對此的意見后，統計自然因素（Z）風險發生可能

圖2 橋塔立面

圖3 某索塔施工安全風險源層次模型

性的模糊隸屬關系矩陣為

則其相應的突出影響系數A=（2.8，2.2，1.8，2.4，1.4）。5位專家根據表2對自然因素中狂風的發生可能性賦值結果分別為：[0.3，0.4]、[0.35，0.45]、[0.55，0.65]、[0.6，0.7]、[0.7，0.8]。根據上文介紹的方法可以計算出狂風發生可能性的評估值，見表4。

表4 狂風評估值計算

同理可得暴雨、雷擊、低溫及地震的評估值E2=0.43、E3=0.35、E4=0.47、E5=0.295。將E1至E5歸一化，得到自然因素（Z）中各個風險源的發生可能性權重ASZ=（0.263，0.205，0.167，0.224，0.141）。利用前文介紹的非線性模糊合成算子計算MSZ=ASZ·RSZ=[1.200，1.765，1.509，0.773]。

采用相同的方法可以求出人為因素（R）、施工因素（C）以及意外因素（Y）的隸屬度向量MSR=[0.602，1.680，2.437，1.397]，MSC=[1.195，1.085，2.262，0.715]，MSY=[1.431，2.463，0.891，0]。綜合以上隸屬度向量，可以得到風險發生可能性模糊隸屬關系矩陣

利用IOWA算子并結合區間賦值的方法算得自然因素（Z）、人為因素（R）、施工因素（C）及意外因素（Y）對于目標層索塔施工安全中發生可能性的權重向量AS=[0.261，0.266，0.248，0.225]，利用非線性模糊合成算子將AS及RS結合起來得到風險發生可能性的隸屬度向量MS=[1.104，1.404，1.950，0.998]。根據最大隸屬度原則并對照表1可知，該索塔施工安全風險發生可能性等級為3級。

采用相同的方法可以求得索塔施工安全風險嚴重程度的隸屬度向量MS=[0.934，1.491，2.085，1.335]。根據最大隸屬度原則并對照表1可知，該索塔施工安全風險嚴重程度等級為3級。

3.3 索塔施工安全風險評估結果

綜合以上計算，該斜拉橋索塔施工安全風險評估結果見表5。

由表5可知，該斜拉橋索塔施工風險可能性等級和嚴重程度等級均為3級，對照表3得知該斜拉橋索塔施工安全風險等級為高度（Ⅲ級），在施工過程中必須采取風險處理措施并加強監測。

表5 某斜拉橋索塔施工安全風險評估結果

3.4 索塔施工安全風險防控對策

針對圖3中各風險類型的風險源，制定相應的風險防控措施，有利于降低風險發生的可能性并減小風險的嚴重程度，可以保障索塔在盡可能安全、高效的情況下施工。根據本工程實際情況，該索塔施工安全風險防控措施有以下幾點。

（1）及時關注天氣變化情況，如遇狂風等惡劣天氣，盡量減少或不進行索塔施工；施工現場應做好雨水導流措施，確保排水設施的通暢，防止汛期暴雨積水，重要場所應提前進行遮蓋或轉移，避免在暴雨下進行施工；當有雷擊等惡劣天氣發生時應切斷電源；如遇地震等自然災害，一律停止索塔施工，并在空曠處設置緊急避難場所供人員避難。

（2）項目部應設立由專人負責的安全管理機構，工地設置專職安全員，施工班組設置兼職安全員，構建一個完整的安全保障體系；建立項目安全生產責任制，明確各級生產職能部門、領導、技術人員、施工人員在工程施工中的安全責任；重視對施工人員的上崗培訓，強化安全意識；完善現場的安全標識、警示標語等安全措施；制定系統的安全檢查與驗收制度，并及時記錄和跟蹤安全檢查情況，對巡查及檢查出的問題及時整改，力求萬無一失。

（3）針對施工因素中的風險，一方面要敦促施工方保質保量地進行施工；另一方面要建立包括業主、監理方、設計方在內的監督機制及獎懲機制。對在施工因素中存在的風險認真檢查，提前預警，及時整改，將此風險的影響降到最低。

施工臨時橫撐

（4）針對意外因素，項目部應事先對索塔施工過程中可能發生的意外事故進行收集并學習，總結意外事故發生的原因，了解意外事故發生后的危害，并在此基礎上制定各類應急預案，必要時進行意外事故演練，加強施工人員的自我保護意識，提高應急反應能力。

4 結語

（1）針對索塔施工階段安全風險評估，建立了索塔安全施工風險源層次模型。

（2）提出如下基于模糊綜合評判的索塔施工安全風險評估方法：利用專家調查法計算各風險源的模糊隸屬關系矩陣；利用誘導有序加權平均算子結合區間賦值的方法，計算各風險類型及風險源的權重；運用一種非線性模糊合成算子將模糊隸屬關系矩陣及權重結合起來，對風險發生可能性等級以及嚴重程度等級進行模糊綜合評判，進而得到索塔施工安全風險等級。此方法既能夠順利地計算出各風險類型及風險源的權重，又能充分利用專家經驗，評估結果也更加貼近風險評估的實際情況。

（3）將此索塔安全施工風險源層次模型及方法應用于某實際工程中，結果表明該斜拉橋索塔施工安全風險等級為高度（Ⅲ級），并針對風險源提出了相應的風險防控措施。

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