引言
桥梁施工作为现代交通建设中至关重要的一环,其过程受所处环境、作业人员、机械设备、材料等众多因素的影响而面临着广泛的施工安全风险。随着桥梁的不断发展,大跨度桥梁推陈出新,其复杂的结构体系、较长的建设周期、众多的机械设备等特点使得桥梁在施工过程中存在一系列不确定性因素,进而增大桥梁发生施工安全风险的概率。通过建立科学合理的桥梁施工安全风险评价指标体系,量化桥梁在施工过程中所面临的风险概率及风险损失,针对风险概率较大的风险源制定相应的风险控制措施以降低其发生安全事故的概率、减少经济损失以及人员伤亡,相关桥梁施工风险评估的研究工作持续在发展。
01
桥梁施工风险识别
桥梁施工风险是指在桥梁工程建设过程中所出现的和桥梁工程结构相关的并能对施工阶段及长期运营阶段中人员与结构安全、桥梁质量与耐久性、运营适用性等既定目标造成影响而使其达不到预期功能的不确定事件。桥梁施工风险具有以下特征:1)人员、物资风险突出;2)施工环境复杂;3)建设周期长、风险持续时间长;4)风险突发性高。基于桥梁施工风险的特征,目前针对桥梁施工风险的识别主要有定性和定量两种识别方法。总结目前研究成果,每种风险识别方法均有其各自的适用范围和优缺点,尚无适用于所有桥梁工程的单一识别方法。
图 1 因果分析图
图 2 指标体系 - 内外因划分
图 3 黄土山区冲沟地形桥梁下部结构的安全风险评价指标体系
02
桥梁施工风险概率与损失估计
在风险识别的基础上,探明不同风险源在施工期间所发生的概率大小及风险发生后所造成的损失,是风险评估的关键,也是针对风险概率及损失较大的风险源制定相应防控措施的基础。
2.1 风险概率估计
既有研究工作中,根据风险概率估算准确程度可以将风险概率估计分为定性和定量概率估计两大类。定性的概率模型主要是以文字说明或概率等级描述风险概率水平,而定量的风险概率模型则用具体的概率数值描述风险概率水平。
图 4 不同评价等级风险发生的频率
图 5 风险概率评估和风险损失等级判断
图 6 公路桥梁施工风险评价指标
2.2 风险损失估计
桥梁施工风险损失主要包括经济损失、人员伤亡、环境损失及社会损失等部分,与风险概率估计的方法相似,风险损失估计也可分为定性和定量估计两种。定性的风险损失估计涉及风险评价过程,因此应用较为广泛,多用于事前风险评估研究;定量估计方法量化虽精确,但社会损失涉及到人的主观因素,在具体量化时仍存在一定局限性。
图 7 桥梁的总结构损失
03
桥梁施工风险评价方法与控制对策研究
3.1 桥梁施工风险评价
桥梁施工风险评价是在风险概率、风险损失估计的基础上,通过相应的评价指标体系来确定风险的等级,进而揭示影响项目成败的关键风险因素,从而为项目的风险预警、预报和对策建议提供依据。具体的风险评价流程如图8所示。桥梁施工风险评价方法主要有单目标风险评价法及多目标风险评价法,前者如如风险矩阵法和LEC法等;后者包括故障树法、贝叶斯网络、层次分析法、模糊层次分析法和模糊综合评判法。
图 8 风险评价研究流程
1 )单目标风险评价方面 ,栗海军 [21] 以某大桥项目为背景,综合采用LEC法和矩阵法,构建了一套针对桥梁工程边通航边施工状态下的风险评价指标体系,并对其风险源进行了评估,并验证了依托桥梁施工专项风险等级为高度风险(Ⅲ级)。
图 9 标准云模型图
4 )基于神经网络的风险评价方面 ,曹屹松等 [25] 提出了基于机器学习的桥梁风险评估模型,通过采用反向传播算法神经网络(BP神经网络)对待评估指标进行权重确定工作,得出桥梁综合指数后,使用K-平均算法(K-means)对桥梁风险分级评估,再采用决策树反算风险评判准则。基于机器学习的桥梁风险评估模型流程如图10所示。罗京 [26] 提出了一种基于神经网络+遗传算法的桥梁风险评估研究的新方法,对平益高速南阳湘江特大桥的风险指标进行计算,结果表明,大桥最小风险因素为现场安全措施,其值为0.1952。
图 10 基于机器学习的桥梁风险评估模型流程图
5 )基于熵值法的风险评价方面 ,李丽超等 [27] 提出了一种基于CCRAA熵值模型的风险评估方法,综合考虑多维不确定风险因素,对项目整体进行了全面风险源辨识,并建立了风险层次分析模型(如图11所示),对某大悬臂双向顶推钢混组合梁桥施工风险进行了评估,并评定其整体风险等级为重大风险。冯丹等 [28] 以东峪沟大桥为例,提出了基于随机过程理论和IE-UM构建的风险评估模型,由UM(未确知测度理论)建立测度矩阵和表征各指标的风险等级,指标的权重由IE(熵权法)来完成,指标评估值则由随机过程理论进行参数模拟;实例应用表明,基于随机过程理论和熵权法的评估方法结果合理,符合工程实际,其中不同评价指标的互相关性及分布特征如图12所示,风险等级评估值随模拟次数变化曲线如图13所示;基于该方法对某特定桥梁的施工安全风险进行评估,指出该桥的总体施工风险等级为4级。Sun等 [29] 基于聚类分析、集值统计和熵值法提出了一种考虑多信息融合的桥梁施工风险评估创新算法,并以某大跨度悬索桥施工阶段风险评估为例验证了所提方法的有效性。
图 11 施工风险层次分析模型
图 12 不同评价指标的互相关性及分布特征图
图 13 不同风险指标的随机分布图
6 )其他风险评价方面 ,周直等 [30] 建立了一种基于区间直觉模糊集和TODIM对传统FMEA改进的风险评估方法,对河床采沙条件下桥梁基础安全风险的概率进行评估,结果表明:在河床采沙条件下基础冲刷深度风险最大。王恺龙 [31] 建立了在用斜拉桥的抗风风险评估体系,并给出了在用斜拉桥抗风风险评估操作流程,如图14所示。Michalis等 [32] 提出了一种新的评估桥梁基础设施水害的传感系统,重点分析了传感器对冲刷和沉降过程最大灵敏度的关键判据,结果表明:该传感器具有为冲淤监测提供新型监测装置的潜力。Loli等 [33] 开发了一种利用GIS和遥感数据对交通网络进行特定桥梁的洪水风险评估的框架,并通过一个案例验证了该方法的可靠性。Kim等 [34] 提出了一种评估强风作用下跨海桥梁车辆事故风险的系统方法,并利用该方法成功地识别了桥梁沿线的易损位置和车辆类型。
图 14 在用斜拉桥抗风风险评估流程框架图
3.2 桥梁施工风险控制对策
在桥梁施工风险控制对策方面,胡乐乐等 [35] 采用层次分析法从“建设规模、施工条件、气候环境条件、地形地貌条件、桥位特征、施工工艺成熟度”6个方面构建评价指标体系,对“津石公路”施工过程中的风险进行评价,并在评价结果的基础上对“路基工程、桥梁工程、机械设备、施工技术”4方面提出了管控措施。周直等 [36] 基于支架施工、钢箱梁施工、斜拉索施工和桥面施工4个方面构建安全风险评估体系,对大跨径斜拉桥上部结构施工安全风险进行评估,并针对关键风险因素的风险控制措施给出了以下建议:1)落实安全技术交底,避免人员疲劳作业;2)提高产品的整体质量,减少保管损耗;3)加强操作人员的专业培养等。唐攀等 [37] 建立了老桥拆除总体风险评估指标体系,针对浦大桥老桥拆除项目总体风险等级为Ⅲ级(高度风险)的结果,提出召开专家评审会讨论具体施工组织方案、进行施工安全专项风险评估等措施建议。张晓栋等 [38] 以南通市江海大道现浇混凝土箱梁桥为背景,分别从支架与模板变形、预应力张拉施工和混凝土浇筑质量3个方面给出了防控措施:在支架与模板变形方面,确定支架模板安装的注意事项,并对支架设计安全进行验算分析;在预应力张拉施工方面,加强对锚夹具的出厂和工地检查;在混凝土浇筑质量方面,严格按设计配合比施工,分层浇筑。李德航 [39] 分析了高速公路桥梁施工安全风险,提出高速公路桥梁施工安全风险形成路径如图15所示,并针对高速公路桥梁施工风险提出防范措施:1)增加专业技能熟练程度;2)增强人员安全意识。苑晓锋等 [40] 基于最低合理可行准则(ALARP)评估出某斜拉桥索塔转体施工过程中“坍塌所造成的风险损失为不可接受风险事件”结果,提出施工过程中加强管理,转移风险的措施。Zhang等 [41] 从建筑材料、结构形式、火灾习性、火灾荷载等方面对风雨桥的火灾危险性进行了研究,并采用Sketch Up建模软件和火灾动力学模拟软件对火灾工况进行可视化和数值模拟;并根据风雨桥的建筑特点和人文环境,从自动灭火装置、防火涂料、吊顶和天窗四个方面提出了有针对性的防火对策,指出防火涂层措施最为有效。相应防火涂料的桥梁整体燃烧情况仿真分析结果见图16。
图 15 高速公路桥梁施工安全风险成形路径
图 16 采用防火涂料的桥梁整体燃烧情况仿真分析结果
04
桥梁施工风险动态评估研究
在结构新颖、复杂的大型桥梁工程实际施工中,风险事件是相互影响的,风险事件的发生往往是一系列相继触发的连锁传递过程,使得桥梁施工风险随时间的推移呈现动态传递的特征愈发明显。目前,基于链式风险传递效应的动态风险评估模型正在深入研究,基于贝叶斯网络模型分析风险随时间的演化规律也正在不断发展中。
图 17 建筑倒塌风险评估模型中 BRB 与 FTA 的转换过程
2 )基于监测数据的动态风险评估研究方面 ,卢鑫月等 [47] 提出了基于动态贝叶斯网络(DBN)和模糊综合评价法(FCEM)的地铁隧道施工动态风险评估方法,并以北京某地铁盾构施工案例对该方法的准确性进行了验证,结果表明:该方法结合监测数据的动态风险评估结果能较好地反映实际施工过程中的突发风险事件,所建立的动态贝叶斯网络模型如图18所示,相关方法为桥梁施工风险评估提供借鉴。Lu等 [48] 基于人、方法、材料、机器和环境五个方面提出了一种新型的风险评估方法及新的系统质量管理框架,并采用改进的Dempster–Shafer理论结合对某城市人行桥的动态总风险指数进行了计算。结果表明:新系统能够利用实时监测数据客观有效地预测桥梁施工各阶段的风险水平。
图 18 动态贝叶斯网络模型
05
结语与展望
桥梁施工的风险评估、管控逐渐为人们所关注、研究,并针对常规桥梁工程设计、施工及运营阶段的风险评估制定了相关管理方法及规范。然而,实际桥梁在施工过程中受桥址环境、桥梁结构构造、施工工艺等多因素的影响所面临的风险各不相同。随着大型桥梁的不断发展,其施工阶段的风险评估问题更趋复杂。近年来,尽管国内外学者对桥梁施工风险评估进行了广泛、深入的研究,也积累了不少资料,但在实际桥梁施工风险评估的实用方法中,大部分仍属于半定性半定量的风险评估,还显著依赖专家经验等人工评判,风险评判的结果仍受人为主观因素的影响,并直接影响后续风险控制的可靠性。与此同时,相关风险事件的分析、描述及对策等缺乏生动、形象的表述,降低了施工参与人员对风险不利后果的重视程度,也影响了施工决策人员对风险控制的努力。相关桥梁风险评估的研究工作仍需进一步发展,在此展望有待进一步研究的课题如下:
桥梁施工风险评估团队简介
施洲 ,副教授,博导,长期致力于桥梁结构模型试验测试研究,既有桥梁结构性能评定, 桥梁施工监控及风险评估等 。在铁路钢桥结构疲劳、钢混结合段、索梁锚固仿真分析与模型试验,以及大跨度桥梁施工控制及风险评估等方面积累了丰富的研究经验。先后参与“大胜关长江大桥”、“沪通铁路长江大桥”、“连镇铁路五峰山长江大桥”、“安九铁路鳊鱼洲长江大桥”、“马鞍山公铁长江大桥”、“宁波枢纽甬江特大桥”、“洪奇沥公铁大桥”等重大桥梁工程的科研项目,研究成果为大跨度桥梁的结构设计以及施工运营提供关键技术资料与理论支撑。主持和参与完成科研项目50余项,发表科技论文100余篇。
主要研究方向:(1)桥梁关键构造模型试验研究,(2)钢与组合结构桥梁,(3)桥梁施工监测与风险评估。电子邮箱: zshi1979@swjtu.edu.cn
冯传宝 ,正高级工程师,中国铁路上海局集团有限公司南京铁路枢纽工程建设指挥部,长期从事大跨度桥梁施工管理技术研究。
纪锋 ,硕士,主要研究方向为桥梁施工阶段风险评估、桥梁结构试验研究。联系邮箱: wing@my.swjtu.edu.cn
余万庆 ,硕士研究生,主要研究方向为 桥梁结构试验研究、桥梁施工阶段风险评估。联系邮箱: wanqingyu@my.swjtu.edu.cn
周勇聪 ,硕士研究生,主要研究方向为 桥梁健康监测及性能评定研究、桥梁施工阶段风险评估。联系邮箱 : 1987922360@qq.com
李英铭, 硕士研究生,主要研究方向为钢-混组合结构桥梁、桥梁施工阶段风险评估。联系邮箱: liyingming@my.swjtu.edu.cn
赵旭泼 ,硕士研究生,主要研究方向为 桥梁健康监测及性能评定研究、桥梁施工阶段风险评估。联系邮箱 : 1213625191@qq.com
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桥梁工程
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城市大悬臂盖梁双柱矮墩设计要点摘要: 城市大悬臂盖梁桥墩当桥墩较矮时设计难度增加,本文通过总结双柱大悬臂盖梁桥墩在不同荷载工况作用下的效应变化趋势,来为城市大悬臂盖梁桥墩的设计提供参考意义。可以通过避免过矮桥墩、降低桥墩横向尺寸和变双柱为独柱等方法降低设计难度,此外也可以通过设置外撇桥墩、设置桥墩系梁和增加承台埋置深度等措施改善桥墩受力。 关键词:
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