郑州黄河公铁两用桥钢梁架设方案的层次分析法研究

马明正

(京广铁路客运专线河南有限责任公司,郑州 450003)

郑州黄河公铁两用桥钢梁架设方案的层次分析法研究

马明正

(京广铁路客运专线河南有限责任公司,郑州 450003)

摘 要:从4个层次上构建了方案比选评价的AHP模型。根据在黄河上架设钢梁来修建特大桥进行施工的方案特点,确定了方案评价指标,即把投资、工期、技术和施工条件、环保等五个准则作为评价一个施工方案优劣的五个方面的指标;最后把指标层向下展开,形成准则层,建立了层次结构模型。本文阐述的方法和研究的结论为郑州黄河公铁两用桥钢梁架设施工提供了科学的决策依据,从方法论的角度上讲具有可推广性。可在一定条件下为其他客运专线工程特大型钢梁桥的架梁方案比选提供决策方法上的借鉴。

关键词:石武客运专线;郑州黄河公铁两用桥;钢梁架设;方案;层次分析法

1 问题的提出

施工组织方案是以工程项目为对象,运用网络、运筹、物流等技术,结合施工专业知识而编制,必须在工程项目开工前进行编制,且一经批准,就应作为指导性施工准备和组织施工的纲领性技术经济文件,体现科学性、合理性、经济性、安全性。方案比选,常常大多采用定性分析法,或平均强度法,依靠编写人员的工作经验,借鉴一些统计数据、经验数据,结合现场实际情况来确定。当一种方案的各项指标都优于其他时,就比较容易判断,但如果几种方案的若干项指标优劣交织时,就会造成决策的困难,而这种情况往往是较普遍的。因此,本文将结合运用层次分析法的实际案例,来探讨更为科学的施工方案的制定方法。

2 施工简介

2.1 工程背景

郑州黄河公铁两用桥是京广铁路客运专线及107国道跨越黄河的特大公铁两用桥。桥位距下游京珠高速公路黄河大桥约6km,距上游京广铁路郑州黄河大桥约22km,铁路桥总长14.887km,公路桥总长22.881km,公铁合建段长9.177km。共占用土地约43.33hm2(650亩),临时用地约47.1hm2(706亩)。主桥设计为边斜桁空间三主桁结构的六塔连续钢桁结合梁斜拉桥,跨度布置为(120+5×168+120+5×120) m,主桥长1684m。如图1所示。

第1联采用(120+5×168+120)m六塔部分斜拉连续钢桁梁结构,由于位于河道的有水区域,如图1的①～⑥号墩,设计跨度大(5跨均为168m长),桥墩位于水中,作业场地全部在水上。设计架设方案为“双向临时墩辅助半悬臂法拼装”,对比方案有“双向吊索塔架辅助半悬臂法拼装”,施工单位中铁大桥局经过研究,提出第3种施工方案“多点同步顶推法架设施工”。

2.2 3种施工方案介绍

2.2.1 双向临时墩辅助半悬臂法拼装

从0号墩往7号墩悬臂架设方案。其架设方法主要如下:利用支架拼装北岸120m起始段前3个节间钢梁,再在钢梁顶面拼装65t架梁吊机,钢梁运输利用设在下弦的运输走道运送,借助临时墩从0号墩半悬臂拼装钢梁直至7号墩。铁路桥面板在钢梁拼装同步进行安装焊接,公路桥面板在预制场集中预制生产,待钢梁拼装4跨后进行安装,利用设在钢梁上弦的运输走道及台车运送。钢塔柱分节段在工厂加工,待桥面板结合完毕,且预应力张拉完后,通过台车运输钢塔节段至设计位置,利用在钢梁上拼装的吊机分段安装。利用梁上吊机挂设斜拉索并张拉,最后施工桥面系及附属工程。

2.2.2 双向吊索塔架辅助半悬臂法拼装

在0号墩、12号墩各设置1座高架门吊提升站,钢梁由预拼场经提升站分别从0号墩、12号墩向7号墩双向逐节间、逐孔架设,其中除两岸边孔钢梁采用赝架法施工外,其余孔均采用吊索塔架半悬臂进行钢梁架设。在悬臂架设第2孔钢梁时,第1孔后端采用后锚固索法代替压重法满足倾覆稳定安全系数。2联钢梁架设各使用1台QLY50/16全回转吊机。

2.2.3 多点同步顶推法架设施工

在7号～8号墩设置施工平台支架,其上安装前导梁96m,然后向0号墩方向顶推导梁前行36m,组装钢桁梁4个节间。再向0号墩方向顶推36m,继续组装钢桁梁3个节间。再向0号墩方向顶推24m,继续组装钢桁梁3个节间。前导梁处于全悬臂状态,散拼支架上有10节钢桁梁。顶推钢桁梁10个节间120m,其中顶推18m后前导梁前端即支撑于6号墩墩旁托架,继续顶推102m,散拼支架上空出10个节间位置。在钢梁拼装平台支架上组装钢桁梁10个节间。整体顶推120m,然后再在钢梁拼装平台支架上组装钢桁梁10个节间。重复以上步骤,钢桁梁顶推至0号墩(导梁在过1号墩后即可分段拆除)。

3 运用层次分析法比选施工方案

3.1 指标体系的建立与构造

对施工方案进行技术经济评价与决策,必须在分析方案的技术经济特点及各种影响因素后提出方案的指标体系。采用多目标准则体系建立层次分析系统图,包括总目标、分目标、准则层和方案层。

层次分析法的典型方法是求出各层指标内容的相对权系数,再求出各下层指标相对上层指标的权系数,最后求出最基本指标相对最上层指标的相对权系数即总排序。

本文以如下层次来分析。第1层为目标层即施工方案层。第2层为分目标层,包括投资、工期、技术可靠性、施工条件、环境保护。第3层为准则层,由各分目标构成。第4层为方案层,本例有3种方案。

3.2 建立递阶层次结构模型

层次结构模型如图2所示。

图2 AHP层次结构模型

3.3 构造判断矩阵

为确定各项指标的分值,组织了包括建设、施工、设计、监理、咨询单位在内的10人共同研究,对整个AHP指标体系进行一次完整的综合打分(表1),共包含25个判断矩阵,现以A～B矩阵为例,说明如下。

表1 架梁方案选择指标评价

3.4 层次单排序

3.4.1 一致性检验

经计算,A～B矩阵的最大特征值为λmax=5,矩阵维数为n=5,查表可得5阶矩阵平均随机一致性指标RI=1.12。

一致性指标:CI=(λmax-n)/(n-1)=0

一致性比率:CR=CI/RI=0＜0.1,符合一致性要求(若不符合要求则需要对矩阵进行调整)。

3.4.2 计算各元素权重

计算该矩阵最大特征值所对应的特征向量,此特征向量的各维的数值即是相应子节点的相对权重,计算流程如下。

设矩阵A如表2所示。

表2 矩阵A

首先对目标矩阵A作变换,设wi=a1i+a2i+…+ani,生成表3的矩阵。

表3 矩阵A变换后的矩阵

然后对各行求和

设a=a1+a2+…+an,则最后算出的n个技术的归一化分数为

[CT1,CT2,…,CTn]=[a1/a,a2/a,…,an/a]

通过上面的方法,可以求得矩阵A～B的各元素权重见表4。

表4 矩阵A～B各元素权重

其余24个判断矩阵由于篇幅所限,不一一列出。

3.5 层次总排序

在3.4中得到每一层不同节点间的相对权重,并非每个叶子节点针对最顶层指标的综合权重。为计算综合权重,将叶子节点的相对权重递归的乘以其父节点的权重,直至到达指标树顶层。即得所有叶子节点的综合权重,以矩阵SW=[sw1,sw2,…,swk]表示。

根据指标树,一共有19个叶子指标存在,其权重矩阵每个元素的值([sw1,sw2,…,swk])如表5(最后1列)所示。

表5 叶子指标权重

由表5可知,权重矩阵SW=[0.0306,0.0918, 0.0612,0.1531,0.0918,0.0214,0.0643,0.1072, 0.0214,0.0068,0.0476,0.0340,0.0476,0.0068, 0.0268,0.0536,0.0268,0.0357,0.0714]

所有待评价方案针对所有叶子指标的相对权重,以下面的矩阵表示(叶子指标k个,待评项目n个)

对于本案例来讲,其PT矩阵如下

则各方案的综合权重(最终得分)为

在本次研究中,这3个方案的最终得分为

如表6所示。

表6 3种方案权重

由此可以得出结论,方案三具有明显的优势,即本工程施工采用“多点同步顶推法架设施工方案”。

层次分析法在方案比选方面具有较好的科学性,能将繁杂庞大的因素集合单一化、量化,通过层层对比计算,最终得出合理的结论,是一种实用有效的方法。但由于在确定各项指标的相对权重时,受参与人水平、认识、喜好的影响,判断矩阵并不一定完全准确,如何更客观地判断,仍然需要不断研究。

郑州黄河公铁两用桥第一联钢梁运用“多点同步顶推法架设施工方案”,从2008年11月6日正式开始顶推,于2009年11月15日顶推到位,工程进展顺利,安全质量符合要求。

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中图分类号:U445.46

文献标识码:A

文章编号:1004-2954(2010)09-0003-03

收稿日期:2010-05-26

作者简介:马明正(1969—),男,高级工程师,1992年毕业于长沙铁道学院铁道工程专业,工学学士。