西北干寒地區在役橋梁安全風險評價與應用研究

彭 雪

(咸陽職業技術學院，陜西 咸陽 712000)

橋梁安全評估是確定現有橋梁質量的一種方法，可為橋梁安全提供科學指導。道路和橋梁建設過程中存在著安全風險，如果得不到充分預防，將可能導致人員傷亡。橋梁安全風險評估不斷深入發展，可以采用模糊綜合評價與層次分析相結合的方法，構建評價模型識別，計算具體的安全風險因素，為諸多風險控制提供重要數據。

1 在役橋梁安全風險評價的重要性

橋梁的安全性尤為重要，這是一種在荷載作用下仍能正常工作而不發生事故的能力。影響這種能力的因素很多，涉及橋梁結構設計、材料選擇和施工技術，也受維護程度、完工后使用情況的影響。橋梁對于保障交通系統運行至關重要，其發生故障可能會對區域安全、交通和經濟造成嚴重威脅。惡劣的環境條件和不斷增加的交通量可能會導致橋梁惡化，及時維護至關重要。橋梁風險評估是避免橋梁安全事故、保障公眾安全的重要手段。橋梁主要受到兩種危險類別的影響，即自然災害和人為災害，其中地震、海嘯、颶風、洪水、碎片、沖刷、冰、土壤和橋梁年齡屬于自然災害類別，這些風險因素不可預測且不可控制，其來源于自然；人為災害則包括碰撞、超載、變質、結構設計、火災等。我國公路橋梁出現問題的主要原因是過度使用及使用過程中未進行維護[1]。

科學的識別方法和評價分析是控制施工期安全風險的基礎。用于風險評估的主要方法有蒙特卡洛模擬分析、層次分析法(AHP)、理想解相似性排序偏好技術(TOPSIS)、機器學習方法、三角模糊數(TFN)。

風險分析的概念起源于法國，最早應用于保險業。20世紀50年代，風險管理被確立為一門獨立的學科。風險分析包括對事物的風險評估。進行安全風險評估有助于了解結構的風險狀態和識別特定的風險源因素。許多學者對大型復雜橋梁施工期間的安全風險評估進行了研究。Peng等[2]應用綜合層次分析方法和云模型，提出了一種云聚類的聚類決策方法，通過專家評分，確定主要風險因素和風險損失，并應用云生成器計算專家評分的數值特征，以定量評估橋梁安全風險。劉林等[3]總結了橋梁施工期的風險因素，不同因素會根據其影響程度產生不同的后果，當幾個風險因素相互交叉時，風險概率會大大增加。劉沐宇等[4]在研究先進風險管理的基礎上，應用多層次評價指標體系，對橋梁施工安全風險進行評價，可以有效地為橋梁安全風險管理提供指導。

2 西北干寒地區在役橋梁安全風險評價體系

2.1 安全風險評價體系的建立

主要從文獻研究方法、事故原因理論分析、事故統計分析和施工方法分析4個角度確定了橋梁施工過程中的主要風險因素。公路和橋梁施工風險源可分解為人員風險、材料和設備風險、施工環境風險和施工技術風險。通過事故原因的理論分析、事故統計分析、施工方法分析，得出人員風險、材料設備風險、施工環境風險、施工技術風險的相關風險指標，確定了重要風險因素，建立了橋梁施工安全風險評估指標體系，如圖2所示。此外，經濟合同問題、材料和設備運輸、安全措施不足、非法施工作業、施工監控情況、施工現場條件，其他風險因素可能會對橋梁施工產生不利影響。需充分關注橋梁施工過程，盡可能降低橋梁施工風險水平。

圖1 橋梁施工安全風險評價指標體系Fig.1 Bridge construction safety risk evaluation index system

2.2 基于熵權法的安全風險權重計算

橋梁施工安全風險評價指標體系使用3個參數Ex、En和He來描述數值的大小、振蕩程度和分散程度，與熵概念基本相同，但數據內涵更豐富，更符合實際分布。使用橋梁施工安全風險評價指標體系并參考熵法對指標可變性進行改進，得到了計算指標權重的改進模型。專家的主觀判斷通過云模型處理為代表不確定性的關鍵代表性參數，改進的計算模型通過主觀和客觀測量的有機結合，盡可能科學地反映風險因素重要性的權重分布。

使用m個專家和n個評估度量，根據云模型逆生成器公式，獲得了計算第j個評估度量的云模型數值特征值的公式，如下式所示：

(1)

(2)

(3)

式中，i=1,2,…,m；j=1,2,…,n；Exj，Enj，Hej分別是第j個指標的期望值、熵值和超熵值。傳統的權重計算方法用于求解第j個評價指標權重βj，如等式4所示。

(4)

基于熵權法和對橋梁施工安全風險評價指標體系生成的準確性和有效性的需要，邀請了10位專家對西北干寒地區部分在役橋梁進行調查分析，根據風險概率大小和風險損失大小兩個原則對風險指標進行評分，評分結果如表1所示。

表1 風險指標評分結果Tab.1 Scores of risk index

通過云模型逆生成器處理上表中的專家評分結果后，根據等式1～3獲得每個風險因素的預期得分Exj、離散度Enj和隨機度Hej。根據等式4，通過傳統的權重計算方法計算權重βj，結果如表2所示。

表2 風險指標的客觀加權Tab.2 Objective weight of risk index

表2分析表明，各風險指標的預期值分布良好，區間差異更為明顯；熵值和超熵值表示專家意見的分散程度。通過權重計算方法獲得的風險權重值一般為6%～9%，權重值分布相對均勻。這樣的結果不利于區分主次權重，也不利于因素重要性的判斷。

3 西北干寒地區在役橋梁安全長期性能研究

對于在役橋梁，檢測結構或構件的涂層狀況、材料腐蝕和疲勞裂紋，以評估長期性能。為了研究西北干寒地區在役橋梁的長期性能，通常采用不同的檢測方法，包括無損檢測、靜態和動態測試、結構長期監測及多種檢測措施。鋼橋長期性能研究主要分為3部分，即試驗研究、有限元分析和現場結構性能研究，具體內容如圖2所示。其主要包括3個層面，即材料層面、元素層面和結構層面。材料水平上，研究基礎橋梁上的鋼的性能，包括抗拉強度性能、不同溫度下的韌性和抗疲勞裂紋性能等。材料性能研究的試驗結果有助于識別橋梁長期使用后的材料退化性能，這對于橋梁性能評估是必要的。在元件或部件層面，考慮到制造性能和腐蝕特性，通過全尺寸模型的靜態和動態試驗，研究橋梁中典型細節的疲勞性能，如鋼橋面板、腹板間隙和典型連接。在結構層面，基于材料層面和元素層面獲得的信息，可以監測或評估橋梁結構的性能，包括結構安全性、剩余疲勞壽命、創新加固方法研究和溫度梯度監測。有限元數值研究是橋梁性能研究的一種有效且必要的方法，通常可以根據實驗研究結果建立和校準有限元模型。該校準的有限元模型可用于擴展分析規模。此外，基于材料或元件性能參數，可以建立整個橋梁結構模型并評估結構性能。對于在役橋梁性能研究，選擇典型鋼橋，包括不同地區的公路和鐵路鋼橋，進行交通量調查、靜態和動態試驗、溫度梯度監測、疲勞性能研究和結構安全評估、創新加固措施和維護策略研究。基于有限元分析、試驗研究和在役橋梁性能研究，對在役鋼橋長期性能進行評估，以獲取實際工況，建立科學的鋼橋設計、評估、加固和維護系統[5]。

圖2 橋梁長期性能研究框架Fig.2 Bridge long-term performance research framework

4 結語

橋梁作為重要的陸路交通樞紐，直接影響著經濟和社會發展。我國的基礎設施建設不斷加快，橋梁建設在跨度、施工難度、施工技術等方面都達到了新的高度。為了更好地保障橋梁安全，減少橋梁安全事故的發生，應在橋梁工程的安全施工中投入更多精力，建立橋梁安全評估模型時，應盡可能考慮所有因素，使評估結果更準確，確保橋梁工程安全。