某市政橋梁鋼箱梁吊裝系統風險評估與控制研究*

孫 威，張曉東，李 華

(1.中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013； 2.建筑安全與環境國家重點實驗室，北京 100013；3.國家建筑工程技術研究中心，北京 100013； 4.中鐵南方投資集團有限公司，廣東 深圳 518054)

0 引言

連續鋼箱梁橋因具有剛度大、強度高及自重小等優點被廣泛應用，受復雜氣候環境條件及多種不確定性因素的影響，鋼箱梁吊裝事故頻發，造成嚴重損失，橋梁施工前的風險評估尤為重要。故障樹分析法以失效樹的形式對引起系統故障的風險事件進行多層次分解，有助于識別系統潛在風險與薄弱環節，廣泛應用于大型復雜系統工程風險評估中。基于此，采用指標體系法與故障樹分析法對某市政橋梁鋼箱梁吊裝過程進行總體及專項風險評估，提出合理的風險控制措施，為完善施工組織方案提供依據。

1 工程概況

某市政橋梁總長510m，上部結構由主橋和引橋組成。主橋橋跨布置為(65+90+65)m，上跨地面道路和地下隧道，采用變截面連續單箱三室鋼箱梁結構，主梁頂板寬14m，底板寬10.585m，懸臂1.75m，中支點、邊支點、跨中梁高分別為4.36，2.76，2.76m，梁底為二次拋物線形。鋼箱底板水平，通過改變腹板高度形成橋面橫坡。鋼箱梁由工廠分段預制，現場焊接時在各段接口處設置臨時支墩。

引橋采用鋼-混凝土組合梁結構，橋跨布置為4×30m+(40+35)m+3×30m，采用雙箱單室鋼箱梁結構，主梁頂板寬14m，雙箱底板各寬3.8m，懸臂長2m，梁高1.5～2.0m。鋼箱梁由工廠分段預制，現場吊裝就位后采用高強螺栓連接。

2 評估方法與流程

鋼箱梁吊裝工藝流程為：臨時支墩施工→測量放線→臨時支座安裝→鋼箱梁分片吊裝→鋼箱梁臨時拼接→鋼箱梁焊接或螺栓連接→焊縫檢測→鋼箱梁轉換至永久支座上→臨時支墩拆除。依據《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南》，將鋼箱梁吊裝風險評估分為施工總體風險評估與專項風險評估，評估流程如圖1所示。采用指標體系法對施工總體風險進行評估，當總體風險等級為高度風險或極高度風險時，需采用故障樹分析法進行專項風險評估。

圖1 風險評估流程

3 總體風險評估

采用建設規模、地質條件、氣候環境條件、地形地貌特征、橋位特征及施工工藝成熟度作為評估指標，對施工總體風險進行評估(見表1)。評估指標分類與賦值標準參照《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南》。根據工程特征對各項指標進行打分，結果如表1所示，可知施工總體風險分值為12，根據表2風險分級標準可確定施工總體風險等級為Ⅲ級(高度風險)，需進行專項風險評估。

表1 施工總體風險評估指標體系

表2 施工總體風險分級標準

4 專項風險評估

4.1 建立故障樹

采用故障樹分析法進行專項風險評估，需建立符合系統特征與建樹規則的故障樹。將鋼箱梁吊裝風險作為頂事件，將鋼箱梁墜落、鋼箱梁梁體變形或破壞、施工人員高處墜落及起重機安全事故作為中間事件，將頂事件和中間事件作為結果事件，根據鋼箱梁吊裝工藝流程，逐級識別各級風險事件，直至基本事件層，形成如圖2所示故障樹。不考慮與建設、設計、施工單位管理不善相關的故障原因，假定頂事件與基本事件僅考慮正常、故障狀態，基本事件相互獨立。

圖2 故障樹

4.2 確定基本事件發生概率

根據橋梁特點，采用專家調查法對基本事件發生概率進行評估，結果如表3所示，發生概率<0.003表示不太可能發生，發生概率為0.003～0.03表示偶然發生，發生概率為0.03～0.3表示可能發生，發生概率>0.3表示很可能發生。

表3 基本事件發生概率

4.3 計算最小割集

專項風險最小割集計算如下：

T=A1+A2+A3+A4

(1)

A1=B1+B2+TB2+B3=C1+C2+(C3+X11+X14+C4+TB1)+(X14+X31+X32+X22+X16)+(C5+X12+C6+X13)=TB1+X24X25+X14+(X14+TB1+X26+X27)+(X15+X16+X11+X14+X17+X18+TB1)+(X14+X31+X32+X22+X16)+(X19+X20+X21+X12+X2+X22+X23+X13)=X2+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23+X26+X27+X28+X29+X30+X31+X32+X24X25

(2)

A2=X1+B4+X2+TB1=X1+X4+X5+X2+X28+X29+X23+X30

(3)

A3=X3B5=X3(X6+X7)=X3X6+X3X7

(4)

A4=TB1+TB2+B6=X28+X29+X23+X30+X14+X31+X32+X22+X16+X8+X9+X10

(5)

將A1～A4代入式(1)，可得：

T=X1+X2+X4+X5+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23+X26+X27+X28+X29+X30+X31+X32+X24X25+X3X6+X3X7

(6)

由式(6)可知，最小割集共30個，分別為{X1}，{X2}，{X4}，{X5}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}，{X13}，{X14}，{X15}，{X16}，{X17}，{X18}，{X19}，{X20}，{X21}，{X22}，{X23}，{X26}，{X27}，{X28}，{X29}，{X30}，{X31}，{X32}，{X24，X25}，{X3，X6}，{X3，X7}。

4.4 計算頂事件概率

每個最小割集為基本事件的積事件，根據基本事件概率與最小割集，計算得到頂事件發生概率為0.66，可知鋼箱梁吊裝施工風險性較高，需進一步分析各基本事件對頂事件發生的重要程度，以采取有針對性的風險控制措施，減小事故發生的可能性及損失。

4.5 計算基本事件關鍵重要度

關鍵重要度表示基本事件對系統故障的影響，關鍵重要度越大，表明基本事件對系統安全性的危害越大。計算得到的基本事件關鍵重要度如表4所示，由表4可知，對鋼箱梁吊裝風險影響最大的基本事件為X23，主要包括鋼箱梁垂直起吊就位時碰撞臨時支墩、吊裝就位時未穩定便下落或下落速度過大、碰撞支墩墊塊等。X29，X16，X28，X18，X22，X32等對鋼箱梁吊裝風險的影響較大，均應采取有針對性的風險控制措施。

表4 基本事件關鍵重要度

5 風險控制措施

基于風險評估結果，將對鋼箱梁吊裝風險影響較大的基本事件作為控制重點，給出風險控制措施，如表5所示。

表5 風險控制措施

6 結語

1)總體風險評估結果表明，鋼箱梁吊裝施工總體風險等級為Ⅲ級(高度風險)，需進行專項風險評估。

2)將鋼箱梁吊裝風險作為頂事件，將鋼箱梁墜落、鋼箱梁梁體變形或破壞、施工人員高處墜落及起重機安全事故作為中間事件的故障樹。計算得到頂事件發生概率為0.66，鋼箱梁碰撞其他物體、分離式吊車操作不同步、吊點合力點未在鋼箱梁重心正上方等基本事件對鋼箱梁吊裝風險的影響較大。

3)基于風險評估結果，將對鋼箱梁吊裝風險影響較大的基本事件作為控制重點，給出風險控制措施，包括確定合理的吊鉤承力點位置、保證鋼箱梁梁體質量、根據起重吊裝要求合理選擇起重機型號、確保支墩地基承載力滿足設計要求等。