基于混合算法的耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工風險評估

石學坤,崔鳳坤,袁 航,李賢鋒,張方敏

(1.中鐵十局集團青島工程有限公司,山東 青島 266600;2.山東交通學院,山東 濟南 250357)

0 引 言

隨著我國鐵路項目建設的不斷增加,建設跨越既有路線橋梁的數量也隨之增加。為降低橋梁施工對既有線路營運的影響,頂推施工法在新建橋梁跨越既有線方面得到了廣泛應用。相較于傳統橋梁施工方式,頂推施工法是將橋梁在側位拼裝完成后,利用步履式千斤頂頂推至設計位置。采用頂推施工法不僅可以加快施工速度,而且能夠有效減少橋梁施工對既有線路運營的影響。然而,頂推施工存在較多的并行環節,尤其是曲線橋梁頂推施工時,由于存在橋梁的頂推和糾偏等關鍵環節,使得施工風險控制難度大大增加。

國內外學者針對橋梁風險評估進行了一定的研究。其中王春生[1]結合專家調查法對大西客專聯絡左線特大橋施工風險進行了分析,并根據分析結果采取了風險控制措施;阮欣等[2]基于九堡大橋提出了橋梁施工動態風險評估方法,建立動態風險評估和管理體系,對復雜橋梁施工中存在的風險評估進行了系統說明;李濤等[3]對大跨自錨式懸索橋施工中存在的各種風險進行了識別,并采取了防范風險的具體措施,研究發現制定的風險措施將施工風險降低到安全范圍內;李海文等[4]提出了基于動態權重-二維云模型的橋梁風險評估模型,并利用該模型對藏木雅魯藏布江特大橋進行了風險評估,為青藏地區橋梁施工中的風險評估提供了新方法。

以“鄭濟鐵路ZJTLSG-1標跨京滬高鐵特大橋”工程為依托,充分考慮耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工工藝和特點,利用三角模糊數理論和熵權理論對橋梁施工全過程中的各級風險源進行權重計算,并且通過模糊綜合評判理論對耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工進行風險評估,充分融合風險評估中的主客觀因素。

1 施工風險判定方法

為了對耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工全過程中的重大風險源進行準確識別,采用三角模糊數理論、熵權理論以及模糊綜合評判理論對施工全過程的風險源進行識別,并對識別的風險源進行定量分析,構建跨線橋梁風險識別及判定的方法。

1.1 風險識別

針對風險識別國內外學者進行了大量研究,并總結出多種風險識別方法及理論。因風險識別項目的范圍和特點不同,國內外學者提出的風險識別方法也有一定的差別。根據本項目的耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工工序及特點,對風險源進行分析,將各風險因素按等級進行劃分。

1.2 風險指標權重計算

(1)三角模糊數法。

為評估耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工中存在的重大風險源,利用三角模糊數法對已識別出的重大風險源進行評判。經專家經驗評判后,再利用三角模糊數法對施工中相同等級的風險指標進行排序,解決了傳統定性評價分析方法的局限性[5-7]。

模糊數M屬于模糊數集U,其中模糊數集U中的任意值x均屬于[0,1]范圍,記三角模糊數的隸屬函數為U(a,b,c),即

(1)

式中:a≤b≤c,且a=b-α、c=b+β。

為了使專家評判結果與三角模糊數法建立相關性關系,并進行準確分析。根據風險等級給出專家評判變量為很高(VH)、高(H)、中(M)、低(L)、很低(VL),因此專家評判變量與三角模糊數之間的對應關系見表1。

表1 專家評判變量與三角模糊數對應關系

在模糊排序中,首先需要對各個相同級別的風險源依次進行相對性比較,即風險源1(ni)和風險源2(nj)對比,其中風險源1(ni)的得分表示為Uij;風險源2(nj)的得分表示為Uji,采用三角模糊數表示為Uij=(aij,bij,cij)、Uji=(aji,bji,cji),而且Uij為風險源1(ni)相對于風險源2(nj)的相對屬性判斷值,Uji為風險源2(nj)相對于風險源1(ni)的相對屬性判斷值。

根據三角模糊數的運算規則,可以得到模糊相對屬性權重,通過將計算后得到的三角模糊數進行清晰化處理,進而可以對各種風險源進行排序評估,計算過程如下。

首先計算各個風險源的得分,即

(2)

計算相同級別的所有風險源得分總和,即

(3)

(4)

進而得到模糊相對權重向量ω=(ωU1,ωU2,ωU3)。

為了方便對各個風險源進行排序,需對得到的模糊相對權重向量進行清晰化處理,即

(5)

(2)熵權法。

根據耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工工序以及風險評價標準,為避免評價人員的主觀性對風險因素產生不利影響,采用客觀賦權的熵權法計算各風險源的權重值,計算過程如下。

將耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工進行風險等級劃分,見表2。

表2 風險等級劃分

根據風險等級劃分標準,每個風險源均可建立一組m×n的參評數據矩陣,其中m表示m位專家對風險源風險等級的評價結果,構建關于相同等級風險源的評價矩陣,即

(6)

評價矩陣的標準化處理是將風險源評價指標的絕對值轉化為相對值,即采用線性比例變換法將評價矩陣X=(xij)m×n轉化成為標準化矩陣Y=(yij)m×n,計算公式如公式(7)所示。

(7)

計算各風險源的熵值

(8)

對各風險源權重賦值

(9)

(3)組合賦權。

綜合運用三角模糊數法和熵權法對各風險指標進行計算評估,既避免了評估專家的主觀性,又解決了單純的理論計算的客觀性問題。利用三角模糊數法和熵權法組合賦權的方法,計算各風險指標的最后權重值,以保證耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工風險指標的有效性。

(4)風險損失分析模型。

利用模糊綜合評判法,首先根據橋梁施工特點確定模糊因素集和評價集V={v1,v2,v3,v4,v5}={重大、較大、中、較低、低},然后建立單因素評價矩陣,最后對單因素和多因素進行綜合評價。其中模糊因素集由所有一級風險源或同一個一級風險源下的所有二級風險源構成,根據隸屬函數關系,建立模糊評價模型,即

Gi=Wij·Rij

(10)

式中:Gi為一級風險因素模糊評價向量;Rij為二級風險因素模糊評價矩陣;Wij為二級風險因素模糊評價權向量。

2 工程應用

2.1 工程概況

跨京滬高鐵特大橋151#～154#墩采用(50+85+50)m鋼箱連續梁,起始里程DIK13+484.78～DIK13+671.38。在跨京滬高鐵特大橋DK13+577、DK13+588、DK13+591處跨越既有京滬高鐵、京滬、水白鐵路,位于半徑R=950 m曲線上。

跨京滬高鐵特大橋下部結構采用鉆孔灌注樁基礎;橋墩采用單線圓端形空心橋墩;臨時支墩在158#～160#設置臨時支架搭建吊裝作業平臺,采用格構柱形式,基礎為鉆孔樁基礎;本橋采用“邊拼邊頂”的方法完成鋼箱的架設安裝作業,鋼箱梁全長186.7 m,在158#～160#墩之間的作業平臺上分節段吊裝焊接,然后依次頂推至153#墩;導梁總長85 m,約195 t,采用1 250 t履帶吊一次性吊裝就位,并與鋼箱梁在153#墩焊接完成后,再進行跨線頂推作業;頂推施工采用步履式頂推施工工藝。

為了對跨京滬高鐵特大橋耐候鋼曲線鋼箱梁頂推施工風險進行分析,將三角模糊數法和熵權法組合的方法加以利用,對存在各風險進行評價。

2.2 施工風險分析

按施工工序將跨京滬高鐵特大橋(50+85+50)m連續鋼箱梁橋劃分為樁基施工、橋墩施工、支架安裝施工、鋼箱梁吊裝及拼接施工等9個施工階段,跨京滬高鐵特大橋施工風險源見表3。

表3 跨京滬高鐵特大橋施工風險源

2.3 確定各因素的權重值

(1)三角模糊數法。

邀請專家小組對跨京滬高鐵特大橋各施工階段中的風險源依次進行打分評價,本研究以鋼箱梁頂推施工為例,按式(2)～式(5)分別計算各個風險源的權重值,見表4。

表4 各個風險源的權重值

由表4可知,根據三角模糊數法計算得到的各風險指標權重值,對其進行比較,得到各風險指標中P62的權重值最大,即跨京滬高鐵特大橋鋼箱梁頂推施工過程中主梁局部屈曲的權重值最高。

(2)熵權法。

以耐候鋼曲線鋼箱梁頂推施工為例,根據專家小組對各個風險源對應的風險因素的打分結果,按式(6)～式(7)對耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工各風險源進行權重值再計算。將評價矩陣X轉化成為標準化矩陣Y,即

Y=

根據式(8)～式(9)計算風險源各系數,并最終得到各個風險指標的權重值,見表5。

表5 各個風險源的權重值

由表5可知,根據熵權法計算得到的各風險指標權重值,對其進行比較,得到排序結果由大到小依次為P62、P63、P65、P64、P66、P61。

(3)組合賦權。

根據三角模糊數法和熵權法計算得到的鋼箱梁頂推施工過程中各風險因素的權重值,進行組合賦權,見表6。

表6 各個風險源的權重值

根據上述計算方法,結合三角模糊數法和熵權法得到對跨京滬高鐵特大橋施工中各級風險指標權重值,再利用組合賦權法得到最終風險指標的權重值,見表7。

表7 各個風險源的權重值

由表7可知,通過比較一級風險源計算的組合權重值,得到排序結果由大到小依次為P6、P5、P4、P8、P7、P3、P9、P1、P2。經分析,跨京滬高鐵特大橋施工過程中,耐候鋼曲線鋼箱梁頂推施工的權重值最高;橋墩施工的權重值最低。因此,基于計算分析結果,將耐候鋼曲線鋼箱梁頂推施工、導梁拼裝及吊裝施工、耐候鋼鋼箱梁吊裝及拼接施工、落梁施工、導梁拆除施工、支架安裝施工、橋面系及附屬結構施工、樁基施工、橋墩施工共9種一級風險源作為跨京滬高鐵特大橋施工過程中的風險源。

2.4 模糊綜合評價

采用模糊綜合評價法,對跨京滬高鐵特大橋施工各級風險進行評價。以鋼箱梁頂推施工為例,在確定各級風險源和風險評價集后,邀請專家小組對各級風險源做出評價,然后構建模糊評價矩陣Rij。

跨京滬高鐵特大橋鋼箱梁頂推施工中二級風險源組合權重為Wij。

W=(0.145,0.221,0.187,0.161,0.168,0.145)

根據模糊評價矩陣和風險源組合權重,利用式(10)得到鋼箱梁頂推二級模糊綜合評價結果GP6

GP6=(0.314,0.126,0.115,0.148,0.325)

根據上述計算過程,計算所有二級模糊綜合評價結果為

R整體=

根據隸屬度方法,并結合二級模糊綜合評價結果,可以得到一級模糊綜合評價結果,即

G整體=W整體·R整體=[0.087 0.085 0.1

0.124 0.129 0.131 0.102 0.105

0.092]

通過最大隸屬原則,跨京滬高鐵特大橋施工風險等級為重大風險,應加強風險防控。

3 結 語

(1)基于耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工工序的特點,應對其施工過程進行全面的風險識別,并綜合考慮施工中存在的顯性和隱性風險,建立合理的風險評估模型。

(2)根據上述理論方法計算結果分析,耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工風險等級為重大風險。應采取進一步可靠的風險防控措施,降低頂推施工過程中風險發生概率,提高橋梁施工質量和安全性。