当前大跨度斜拉桥的施工风险分析与对策

吴敬鹏

随着斜拉桥的发展和跨径的不断增大,斜拉桥的结构刚度越来越低,结构的几何非线性效应越来越明显,各种不确定性对结构的影响也越来越大。

1 当前大跨度斜拉桥的施工风险分析

和其他结构物一样,大跨度斜拉桥结构中存在着大量的不确定性。同时,由于大跨度斜拉桥结构体系复杂,施工难度大,尤其是大跨度混凝土斜拉桥,多采用悬臂浇筑的施工方法,施工工序多,施工工艺复杂,施工周期又短,这些不利因素进一步增加了大跨度斜拉桥在施工过程中的不确定性。大跨度斜拉桥结构施工过程中的各种不确定性按其成因可分为：决策的不确定性、现象的不确定性、物理的不确定性、模型的不确定性、统计的不确定性、预测的不确定性以及人为不确定性等几种,其主要体现在以下几个方面。

1.1 物理的不确定性

物理的不确定性主要包括材料性能的不确定性、几何参数的不确定性、荷载的不确定性以及非线性引起的不确定性。比如结构构件的材料性能,如材料的强度、弹性模量、泊松比、收缩、膨胀等,由于受材料品质、制作工艺、受荷状况、外形尺寸及环境条件等因素的影响,会产生一定的变异性,这就是材料性能的不确定性。在实际的桥梁应用中,材料的性能以其标准值表示,而各种材料性能的标准值是根据标准试件和标准试验方法确定的,并以一个时期内由全国若干个有代表性的生产单位的统计结果来代表全国的平均生产水平。由于标准试件的材料性能本身具有不确定性,且它与实际结构中的材料之间又具有差异性,以及标准试验条件与构件的实际工作条件也具有差异性,因此,实际结构构件的材料性能存在着各种不确定性。同时大跨度斜拉桥结构在施工过程中,始终存在着各种施工荷载的作用,而无论是结构恒载,还是施工活载或其他施工荷载,都不可避免地存在着各种随机误差的干扰,具有一定的不确定性。施工荷载的不确定性,一方面体现在荷载的大小具有随机性,另一方面体现在荷载具有时间和空间上的随机性,而这种随机性却很难用确定性的指标来描述。因此,施工荷载的不确定性威胁着结构的施工安全,应予以足够的重视。

1.2 模型的不确定性

结构计算模式的不确定性,主要是指抗力计算中采用的某些基本假定和计算公式的不精确性等而引起抗力值的变异性。例如在建立结构构件计算公式的过程中,常采用理想弹性、匀质性、各向同性及平面变形等假定,采用矩形、三角形等简单的截面应力图形来代替实际的曲线分布应力图形,采用简支、固支等典型的边界条件来代替实际的边界条件,以及采用线性化方法来简化计算表达式等。所有这些近似的处理,必然导致实际结构构件的抗力与给定公式计算的抗力之间的差异。结构计算模式的不确定性,就反映了这些差异,并从统计结果上对其加以界定。

1.3 统计的不确定性

大跨度斜拉桥施工过程中统计的不确定性主要包括以下两方面含义：1)在对施工阶段的结构参数、结构状态、设施状态以及环境条件等方面进行测试的过程中所产生的不确定性。由于测试仪器本身、仪器安装、测量方法、数据采集、环境状态等方面存在误差,使测试统计过程产生诸多不确定性,如测试条件与结构所处的自然状态不一致而产生的不确定性,以及测试手段受客观条件的限制而造成测试结果的不完全正确所产生的不确定性等。2)对各种数据进行统计分析所带来的不确定性。人们通过对施工过程中的各种数据进行统计分析,来推断事物的性质和状态。但用有限的数据样本来替代无限样本并不能完全反映事物的本质,存在着一定的偏差,带来统计的不确定性;另外,不同的统计数据集常常会产生不同的统计估计量,也将引起统计的不确定性。

1.4 人为因素的不确定性

在结构桥梁的设计、建造、使用等各个阶段都有人的参与,人是建设活动的主体,因此,在桥梁建设过程中,不能不考虑人为因素的影响。由于受心理因素、生理因素、个体因素以及环境因素等方面的影响,人的行为将不可避免地产生误差和错误,即人为失误,这给建设活动带来诸多不确定性,甚至导致桥梁事故的发生。在大跨度斜拉桥施工过程中,人为失误主要来自于以下几个方面：施工操作方面的失误,如施工方法失误、施工顺序失误及操作行为失误等;技术管理方面的失误,如不按图施工、不遵守施工规范、施工方案与技术措施不当等;组织管理方面的失误,如组织设计与措施不当、不认真贯彻执行施工组织设计、现场指挥失误、组织协调不力及检查督促不力等;制度管理方面的失误,如各类管理制度不健全、人员管理不力、教育培训不力等。施工期间的人为失误具有多维随机性、涉及范围广、难以控制等特点,应当予以足够的重视。

2 加强大跨度斜拉桥的施工风险识别与控制的措施

2.1 施工风险的识别

大跨度斜拉桥风险识别包括确定风险的来源,风险产生的条件,描述其风险特征和确定哪些风险会对本项目产生影响。风险识别的方法很多,目前比较常用的方法有：头脑风暴法、德尔菲法、情景分析法等。

1)头脑风暴法。头脑风暴最常用的风险识别方法,它是借助于专家的经验,通过会议,集思广益来获取信息的一种直观的预测和识别方法。该方法由美国专家奥斯本于1939年首创,从20世纪50年代起就得到了广泛的应用。2)德尔菲法。德尔菲法又称为专家调查法,采用该方法,首先是由项目风险管理人员选定和该项目有关领域的专家,并与之建立直接的函询联系,通过函询进行调查,收集意见后加以整理,然后将整理后的意见通过匿名的方式返回专家再次征求意见,如此反复多次后,专家之间的意见将会逐渐趋于一致,可以作为最后预测和识别的依据。3)情景分析法。情景分析法实际上就是一种假设分析方法,首先总结整个项目系统内外的经验和教训,根据项目发展的趋势,预先设计出多种未来的情景,对其整个过程做出自始至终的情景描述;与此同时,结合各种技术、经济和社会因素的影响,对项目的风险进行预测和识别。这种方法特别适合于提醒决策者注意某种措施和政策可能引起的风险或不确定性的后果;建议进行风险监视的范围;确定某些关键因素对未来进程的影响;提醒人们注意某种技术的发展会给人们带来的风险。

2.2 施工风险控制方法

2.2.1 优化施工技术

首先是选取合理的安全系数。安全系数是桥梁施工中必须考虑的一个因素,它能保证桥梁或施工机械零部件所要求的强度,保证设备安全运行和工艺工序的正常进行。在桥梁设计和施工技术方案中,要按照既安全可靠又节省的原则,从安全和效益两个方面考虑,辩证统一地进行分析,选取合理的安全系数。其次是提高可靠性,提高桥梁和附件在规定条件下和规定时间内完成规定功能的性能,具体有降低额定值、冗余设计、选用高质量材料、维修保养和定期更换等。同时要加强安全监控,即对桥梁施工中的危险源进行监控,控制某些技术参数,使其达不到危险的程度,从而避免事故。

2.2.2 加强和完善建设安全制度

一方面应加强政府对建设桥梁施工项目安全的监管,保证施工项目设备及安全措施费为不竞价费用、专项费用;另一方面应不断淘汰落后的技术、工艺和采用与经济发展水平同步,适度提高桥梁施工项目安全设防标准,从而提升施工项目安全技术与控制水平,降低桥梁建设施工项目安全风险。例如根据桥梁地质条件,在桥梁深基坑开挖、人工挖孔桩降水、隧道凿进的施工项目技术方案审查应考虑周围和地面已有桥梁、设施的安全,不但要考虑支挡和支撑结构安全,还要采用止水帷幕。同时建议开展施工项目安全重大危险源的辨识和项目施工项目安全风险评价,对可能影响社区安全的施工项目进行城市建设施工项目安全重大危险源登记。重大危险源登记的主要内容应包括桥梁名称、危险源类别、地址(地段)、建设开发单位、施工项目单位及联系人、联系办法、重大危险源可能造成的危害、施工项目安全主要措施和应急救援预案。有研究提出了基于神经网络有限元蒙特卡罗模拟(F-A-M)的风险概率估计方法。该方法不但成功解决了桥梁结构统计的不确定性,而且解决了随机模拟与有限元数值计算两种方法的祸合问题,以及随机有限元计算量太大的弊端;该方法可直接利用广泛应用的有限元分析程序而无需改动,同时大大减少了结构计算的次数和时间,提高了风险概率分析的效率。

2.3 重视员工的教育培训工作

当前世界各国对桥梁施工员工的教育培训都十分重视,且有明确的法律、法规、规定,企业切实按规定的要求执行,使所有桥梁施工人员的安全意识和安全素质得到普遍提高,使持证上岗得到真正落实,使进入桥梁工地的任何人在进入前就得到安全知识的教育,明确企业在桥梁工地的安全管理规定和个人行为的要求。

总之,大跨度斜拉桥施工期间存在着大量的不确定性,我们应该积极对大跨度斜拉桥进行施工风险识别、风险估计与综合评价,并就分析结果提出针对性的风险应对措施与决策建议,从而为桥梁施工风险分析理论与方法在实际桥梁中的具体应用和发展提供参考。

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