基于改進AHP和熵權法相結合的山區在役柔性懸索橋運營安全風險評估

楊忠恒 簡平 李睿

摘 ?要： 針對傳統的層次分析法（AHP）在橋梁運營安全評估中的不足之處，提出了基于改進AHP和熵權法相結合的在役懸索橋運營安全風險評估分析方法。該方法通過定量、客觀的分析，克服傳統評估方法中各個風險指標權重值計算的局限性，做到了主觀權重和客觀權重相結合，為在役懸索橋制定科學、正確、合理的管理方案提供了重要參考。同時以云南新龍橋為例進行驗證，得到各個風險源的權重值，并找到超載風險是影響懸索橋安全運營的主要影響風險源。運用有限元軟件對懸索橋運營階段基于超載風險的仿真分析，明確超載對該橋安全運營的影響程度。研究表明該評估方法改進和完善了在役懸索橋運營風險綜合評估方法，同時對其他橋型的風險評估也有一定的參考意義。

關鍵詞： 風險評估;懸索橋;AHP;熵權法;超載，有限元軟件

中圖分類號： TB115 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.013

本文著錄格式：楊忠恒，簡平，李睿，等. 基于改進AHP和熵權法相結合的山區在役柔性懸索橋運營安全風險評估[J]. 軟件，2019，40（6）：5763

【Abstract】： Aiming at the shortcomings of traditional analytic hierarchy process （AHP） in bridge operation safety assessment， this paper proposes an operational safety risk assessment analysis method based on the combination of improved AHP and entropy weight method. The method overcomes the limitation of the calculation of the weight value of each risk index in the traditional evaluation method through quantitative and objective analysis， and combines the subjective weight with the objective weight to provide an important， scientific and correct management plan for the suspension bridge in service. reference. At the same time， the Yunnan Xinlong Bridge is taken as an example to obtain the weight value of each risk source， and finding the overload risk is a key risk source affecting the safe operation of the suspension bridge. Using finite element software to simulate the overload risk based on the overload stage of the suspension bridge， the impact of overload on the safety operation of the bridge is clarified. The research indicates that the evaluation method improves and perfects the comprehensive assessment method of operational risk of suspension bridges in service， and also has certain reference significance for the risk assessment of other bridge types.

【Key words】： Risk assessment; Suspension bridge; AHP; Entropy weight method; Overload; Finite element software

0 ?引言

近幾年，隨著我國經濟的飛速發展，我國的橋梁建設也取得了舉世矚目的成就。懸索橋由于其跨越能力強，受力明確，材料利用率高，造型美觀，施工快捷等優點，成為了跨越山川河流的最佳橋型之一[1-2]。但是懸索橋因其結構體系復雜，跨度大，在運營期間存在許多不確定因素，從而引發橋梁安全事故。因此，預防和控制懸索橋風險因素是保證橋梁安全運營的關鍵問題。為解決該問題，首先應明確懸索橋在運營期間的風險因素，并對風險因素進行評估，得到各個風險因素對懸索橋的影響程度，最后根據影響程度的大小制定相應的預防和控制措施[3-4]。當前橋梁風險評估研究大多是針對橋梁施工控制階段，對于運營期間的風險評估相對較少。在橋梁運營期間，一旦橋梁出現事故，將造成巨大的損失。對于在運營期間橋梁事故大多數是有規律可循，如果運用科學合理的方法計算出風險發生的概率以及該風險對橋梁的影響程度，并對此制定合理科學的預防措施和應急方案，將加強橋梁在運營期間的風險管理，極大的保證橋梁在運營期間的安全運營。

目前，國內對于橋梁運營安全評估方法主要是AHP[5-6]，該方法把影響橋梁安全運營的因素分解成不同層次，在各層次上進行定量和定性分析。但是橋梁風險評估是個復雜而龐大的系統，傳統的AHP在面對這類問題時可能會出現指標間的影響程度模糊性或者不準確性[7-8]。針對傳統AHP的不足之處，本文考慮將AHP和熵權法相結合，并對傳統的AHP和熵權法進行優化，從而得到各風險源的最優綜合權重值。該方法不僅能使專家的知識與經驗得到充分發揮，而且使客觀數據間相互結合，使評價的結果更加可靠和準確。

1 ?AHP和熵權法改進及運用

1.1 ?AHP的改進和運用

層次分析法（簡稱AHP）是美國Satty[9]教授提出的，是一種將定性和定量相結合的方法。其主要思路是把需要決策的問題以總目標，子目標以及評價的準則進行分層，各個層次之間相互關聯，上一層支配下層，呈遞階關系。這種層次分析可以轉換成數字，在運用矩陣進行判斷，得到在特定的準則下的優先順序，從而賦予各個影響因素的權重值[10]。其難點就在于構造兩兩比較矩陣，這關系到評估權重的科學性、客觀性以及正確性。學者[11]提出采用“1～9標度法”來描述各因素之間的相對重要性，但是在實際中遇到主觀不確定和認知模糊的問題時，“1～9標度法”容易把問題細化，使得評價結果與實際情況出現誤差。針對這種情況，研究發現運用“0～2”三標度法可以避免這種情況。三標度法具體意義如表1。

2 ?工程實例

2.1 ?工程背景

新龍橋位于云南大理，是橫跨瀾滄江連接兩岸交通的主要通道。該橋主跨為180米的懸索橋，兩側引道分別為2×11米和1×10米的鋼筋混凝土空心板，橋面凈寬3.5米，設計速度為10 Km/h。下部結構0號橋臺采用重力式橋臺，4號橋臺采用樁基礎。

2.2 ?建立風險評價指標體系

在役懸索橋在運營期間的風險評估是一個復雜且龐大的系統，考慮新龍橋內外因素對其進行風險識別劃分，得到該橋運營期間風險評估指標。分別劃分3個準則層，以及每個準則層下又分多個指標，基本包含該橋在運營期的各個風險因素。具體如圖2所示。

2.3 ?基于改進AHP法的主觀權重計算

由表8可知，隨著荷載不斷的增加，主梁豎向位移也在不斷增加，以設計荷載為標準，當超載系數 =2時，主梁的豎向位移達到了1806 mm，其豎向位移增幅達到了45.7%，主梁的撓度已經不滿足規范要求。同時，豎向撓度過大，增加豎向反復變形的疲勞程度，減少橋梁的服役年限。

4 ?結論

本文通過建立懸索橋風險評估體系，并以新龍橋為工程實例進行驗證，得到以下結論：

（1）基于改進的AHP和改進熵權法相結合對懸索橋進行風險評估，改進和完善了懸索橋運營風險綜合評估方法，使評價過程變得清晰簡便，充分將專家的知識和經驗與客觀數據間相結合，避免了單獨運用傳統AHP造成的主觀性較強的缺陷，使結果更為可靠準確。

（2）文中基于懸索橋的內外影響因數將懸索橋的運營風險評估體系劃分成包含人為災害、自然災害、偶然災害三個綜合評估指標，在三個指標下又分成16個具體指標對橋梁進行風險評估，該體系基本包含了影響懸索橋安全運營的各個風險因素，評估指標體系是合理的。

（3）通過新龍橋風險評估結果表明，影響新龍橋安全運營的主要風險是超載風險。同時對于超載風險建立空間有限元 模型分析，其結果表明，超載運營對該橋影響較明顯，當超載系數達到2時，縱梁應力基本接近鋼材的允許應力值，易造成主梁的破壞;豎向撓度超過了規范限值，嚴重影響行車舒適感。控制超載運營是十分有必要的。

（4）通過對運營期的懸索橋風險評估，將得到懸索橋運營期間主要影響安全運營的風險源，對此做好預防措施以及應急方案，將極大提高懸索橋的運營安全，同時該評估方法對其他橋型在運營安全評估一樣有參考價值。

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