基于灰色理論鋼板組合梁架設施工安全風險評估

蓋 濤 李 佳

(1.中鐵二十一局集團第一工程有限公司 新疆烏魯木齊 830026；2.新疆大學建筑工程學院 新疆烏魯木齊 830047)

1 引言

鋼板組合梁橋是一種充分發揮鋼材韌性與混凝土抗壓性能的現代裝配式建筑，具有穩定性好、承載力高、自重輕等優點，20世紀中期在全球范圍已廣泛應用于各種體量的橋梁建設[1－3]。灰色聚類是一種根據白化權函數將指標對象劃分為若干個可定義類別的方法[4]。大量學者在實際工程中運用灰色聚類等方法對鋼板組合梁施工和運行安全等進行風險評估研究，Xiaofei L[5]等將層次分析法與灰色模糊評價結合運用于大沽河單塔自錨式懸索橋施工安全風險評估中；湯天明[6]等在武漢青山長江公路大橋施工風險評估中運用了LEC法與指標體系法；牛發陽[7]等在青島地鐵1號線深基坑項目中將網絡層次分析法與灰色聚類法相結合進行施工安全風險評價；吳波[8]運用熵權－可拓理論對瓦斯隧道施工安全風險進行了評估；魏雪萍[9]等在鄭州大河路工程懸臂拼裝梁施工中利用專家打分及灰色聚類方案進行安全風險評估。綜上可知，現有應用多為傳統灰色聚類與專家調查等方法結合，更多是對評估對象整體的風險等級評估，缺乏對高溫差、大風環境下鋼板組合梁施工風險評估的全面細致考慮，不能區分指標影響重要程度，且采用傳統灰色聚類方法進行風險分類時對于聚類系數差別較小的指標歸類仍存在不合理之處，亟待完善。

本文以新疆地區鋼板組合梁橋為研究對象，以高溫差、大風氣候為環境背景，運用AHP、兩階段三角白化權函數灰色聚類、分類區分度聚類方法對組合梁架設施工階段進行風險評估，計算各指標聚類系數、分類權重，制定針對性風險防控措施，為新疆地區同類工程項目施工安全風險評估提供理論借鑒。

2 工程概況

盆克特2號大橋建設項目位于G7京新高速巴里坤縣與木壘縣交界K227＋556.5處，全橋共4聯:鋼板組合梁位于4＃～7＃墩之間，共3跨，采用3×50 m鋼板組合梁，左右幅每孔4片，共24片，橋墩空間分布構造如圖1所示。鋼梁由Q345D鋼板焊接而成，鋼梁上翼緣按?圓柱頭焊釘?[10]密布焊接?22剪力釘，采用后張預應力法預制C50自密實混凝土梁，如圖2所示。項目地處大風、高溫差地區，據氣象數據統計在2019年與2020年項目主要施工期間，最大風速達21.8 m/s；最高氣溫為32.8℃，最低氣溫為－30.5℃，同日晝夜最大溫差達23.1℃。為保證組合梁順利安全施工，需對其施工架設階段進行全面安全風險評估。

圖1 橋墩分布構造(單位:cm)

圖2 組合梁預制與架設施工

3 AHP指標權重計算及灰色聚類模型構建

3.1 事故及風險等級標準

對新疆高溫差、大風環境下鋼板組合梁架設及橫梁安裝階段存在的可能風險源進行甄別篩查，從人員、設備、材料、施工方法及環境因素五部分考慮，結合同類工程事故致險因素對組合梁施工進行風險源論證匯總。專家打分規則采用“1～9標度法”，事故發生可能性劃分及橋梁工程風險損失評分標準如表1、表2所示。

表1 風險事故發生可能性等級標準

表2 橋梁工程風險損失等級標準

3.2 兩階段三角白化權函數聚類模型

3.2.1 第一階段三角白化權聚類函數建模

(1)按照評估要求所需劃分灰類數s，將j指標的取值范圍[a1，as－1] 劃分為[a1，a2]，…，[ak－1，ak]，…，[aS－1，aS]，[aS，aS＋1]。

(2)令λk＝(ak＋ak＋1)/2屬于第k個灰類的白化權函數值為1，連接(λk，1)與第k－1個灰類的起點ak－1和k＋1 個灰類的終點ak＋2，得到j指標關于k灰類的三角白化權函數:

(3)對于指標j的一個觀測值X，可由式(2)計算其所屬灰類k(k＝1，2，…，s)的白化權函數:

(4)計算對象i(i＝1，2，…，n)關于灰類k(k＝1，2，…，s)的綜合聚類系數:

(5)計算聚類對象i的歸一化聚類系數向量為:

3.2.2 第二階段聚類函數模型

(1)計算歸一化聚類系數向量中最大值與次大值之差θi。

(2)判斷聚類系數是否有顯著性差異:當θi≤1/2S時，稱聚類對象i的聚類系數無顯著性差異，轉步驟(3)；否則稱聚類對象i的聚類系數有顯著性差異，轉步驟(4)，并稱θi為聚類對象的顯著性差異系數。本文主要討論聚類系數無顯著性差異的情況。

(3)當θi>1/2S時，按聚類系數最大原則進行聚類，即，判斷對象i屬于k?灰類。

(4)當θi≤1/2S時，根據σi向量及聚類系數的權向量η＝ (1，2，3，…，s)T，計算對象i的綜合聚類系數ψi＝σi˙η，若對象i的綜合聚類系數，則稱對象i屬于第k灰類。

3.3 分類區分度聚類函數模型

(2)計算分類信息熵Ej。設白化權函數使對象i隸屬于類別1，2，…，S的隸屬測度向量為，則對象i的分類信息熵為:

(3)計算指標對于對象i的分類區分度，計算式為:

(4)稱ηij為指標關于對象i的分類權重，計算式為:

4 鋼板組合梁施工安全風險評估及分析

4.1 AHP指標權重計算結果

結合鋼板組合梁專項設計施工方案、?公路橋涵施工技術規范?[12]及?公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南?，對我國已建成同類型橋梁施工經驗及新疆高溫差、大風區氣候環境分析論證，得到36個二級風險源指標，根據AHP算法得指標重要性權重，如表3所示。

表3 鋼板組合梁架設安裝及橫梁安裝階段風險指標體系

續表3

4.2 兩階段三角白化權函數灰色聚類風險評估結果

以層次分析指標重要性權重為基礎，根據橋梁施工風險等級，將施工階段的風險劃分為5個等級，相應的評價灰類劃分為5個灰類，分別對應施工風險接受準則中的5個風險等級(Ⅰ級不太可能、Ⅱ級偶爾發生、Ⅲ級可能發生、Ⅳ級很可能發生、Ⅴ級頻繁發生)，5個灰類的取值范圍分別是[0，1)，[1，2)，[2，3)，[3，4)，[4，5]，將風險事故發生可能性打分平均值按式(1)～式(4)建模步驟計算綜合聚類系數，判斷所屬風險等級類別。

由計算可知，B4指標聚類顯著性差異系數等于0.1，計算第二階段指標綜合聚類系數ψi∈[13/5，17/5](K＝3時)，判斷為Ⅲ級風險。其余指標顯著性差異系數較大，可根據最大聚類系數原則判斷B層指標施工安全風險均為Ⅲ級風險。根據式(4)計算鋼板組合梁架設施工階段整體風險評估5個灰類的綜合聚類系數如下:

由上可知，鋼板組合梁架設施工階段5種風險等級發生的概率大小排序為:Ⅲ級>Ⅱ級>Ⅳ級>Ⅰ級>Ⅴ級。根據，得鋼板組合梁架設施工階段安全風險等級為Ⅲ級。運用分類區分度聚類計算各指標分類權重，量化指標貢獻量。

4.3 分類區分度聚類及風險防控措施制定

圖3 鋼板組合梁架設施工階段指標分類權重

由圖3a可知，同屬B1指標下分類貢獻度排序前三位為 C2、C3、C6，指標分類權重均為 0.027 11。對于C2特種人員上崗資質，在施工前應檢查持證上崗情況；對C3施工人員專業技能，在上崗作業前應進行理論考核與專業技能考核。

由圖3b可知，同屬B2指標下分類貢獻度排序前三位的指標為C10分類權重0.031 36、C8分類權重0.029 08、C7及C9分類權重0.027 11。對 C10施工設備抗風穩定性，應選擇大噸位設備；對C8鋼絲繩斷裂致使設備損傷，應選用拉力測試合格且無斷絲的鋼絲繩。

由圖3c可知，同屬B3指標下分類貢獻度排序前三的指標為C15、C20指標分類權重0.037 68，C16指標分類權重0.027 11。對C15高強螺栓校驗，選擇產品品質優質的供貨商；對C20吊裝鋼絲繩斷裂，應在施工前仔細檢查并更換抗拉承載力滿足要求的鋼絲繩。

由圖3d可知，同屬B4指標下分類貢獻度排序前三的指標為C26、C28指標分類權重0.037 68，C22、C24指標分類權重0.031 36。對C26組合梁溫度應力控制，需改善骨料級配，在混凝土中添加引氣劑或塑化劑，埋入水管；對C28吊裝作業不同步組合梁傾覆，需要對吊裝機械檢修與保養；對C22混凝土澆筑振搗，在澆筑時可分為多層澆筑。

由圖3e可知，同屬B5指標下分類貢獻度排序前三的指標為C34指標分類權重0.029，C35、C36指標分類權重0.027 11。對C34組合梁臨時固定防風措施，可采取增加定位孔并用直徑略小的鋼柱定位；對C36編制事故應急預案，對分類權重大、發生概率高且不可避免的指標風險源制定詳略得當的事故應急處理預案。

5 結論

本文運用AHP、兩階段灰色聚類、分類區分度聚類對鋼板組合梁架設及橫梁安裝階段施工安全風險進行評估，得出以下結論:

(1)AHP、兩階段三角白化權函數灰色聚類、分類區分度聚類方法優勢互補，綜合運用三種評估方法可更細致進行施工安全風險評估，鋼板組合梁架設施工階段一級指標風險源風險等級均為Ⅲ級。

(2)將鋼板組合梁架設施工階段整體風險評估判定為中等風險。鋼板組合梁在架設施工中，通過提前采取一系列風險防控措施，未發生財產損失或人員傷亡，與本文評估風險級別“Ⅲ級”的結論相一致，結合驗證實例證明了灰色聚類綜合評估方法的正確性與可推廣性。