基于FAHP的钢桁梁斜拉桥施工安全风险评估研究

张寅涛，张芳全

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司 西安市 710068)

0 引言

随着我国基础设施的不断完善和发展，大跨度桥梁和特殊结构桥梁不断出现，由于其结构新颖、施工难度不断增加以及施工过程中不确定因素较多，因此加强对桥梁施工过程安全风险评估并采取合理防范措施对于保证工程的顺利进行尤为重要[1-3]。

国内外学者对桥梁施工安全风险评估方面进行了较为深入的研究[4-5]。2002年，同济大学联合中国交通第四航空学院等重要科研机构、单位对上海崇明河穿越工程进行了可行性评估，从此以后我国开始重视桥梁工程风险方面的研究，桥梁设计和施工风险评估在国人眼中也变得不可忽视[6]；2008年严新编制了中国第一座桥梁工程“桥梁工程风险评估”，为桥梁风险评估建立了基本理论框架和总体方法；2008 年阮欣提出了一套较为完整的风险管理系统，并在苏通大桥桥塔施工安全风险中进行了应用，取得了较为理想效果[7]；2011年交通运输部正式发布《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》(试行)，标志着我国桥梁施工安全风险评估逐渐走向正规化。但是上述桥梁施工安全风险评估研究并没有考虑施工组织等人为因素对风险的影响作用，同时评价指标体系有待于进一步完善[8-9]。

基于上述的国内外研究成果，提出了基于加权平均法基本原理的模糊层次分析法(FAHP)对斜拉桥施工安全进行全面、系统、客观的风险评估，并建立桥梁工程总体风险等级，为开展桥梁施工风险评估与管理提供参考依据。

1 模糊层次分析法

模糊层次分析法(FAHP)是基于模糊综合评判法与层次分析优势而提出的一种定性与定量相结合的系统分析方法[10-12]。钢桁梁斜拉桥施工安全风险评估过程中FAHP主要包括以下步骤：

(1)建立风险因素集合：对引起桥梁施工过程中安全风险的各种潜在因素进行组合。

(2)建立风险评价集合：对桥梁施工过程中的风险因素进行综合评价，并根据评价集合得到一个较为客观、合理的评判结果。

(3)建立风险权重集：以桥梁专家评定打分为依据，结合模糊层次分析法基本原理确定各种风险的相对权重。

(4)单因素模糊评定；首先根据模糊层次分析法建立影响桥梁施工安全的单因素判断矩阵，并对单因素风险进行判别。

(5)施工过程综合评定：采用加权平均法构建模糊函数对各个单因素评判的结果根据各自权重对整个项目进行风险评定，并进行风险评价，确定最不利施工安全影响因素，为施工安全措施提供依据。综合评定的主要思路为先分别对各级事物进行一次模糊综合评判，再对上一级进行模糊评判运算，直至得出最终的评判结果。

2 工程依托

以某双塔钢桁梁结合梁斜拉桥为工程依托，根据提出的FAHP分析方法对该桥梁施工过程安全进行风险评估。该工程主要施工内容包括塔柱与墩柱的基础施工、塔柱施工、墩柱与辅助墩施工以及钢桁梁施工四部分。其中塔柱与墩柱的基础采用先平台后围堰施工方法，塔柱采用液压爬模施工工艺，钢桁梁采用架梁吊机悬臂施工工艺。根据施工组织设计文件确定了该项目的一级风险指标和二级风险指标，并按照专家评估意见构造了判断矩阵，计算出了各指标的权重值，如表1所示。

表1 桥梁施工风险指标分类及相关权重

3 斜拉桥施工安全风险评估

根据模糊层次分析法基本流程确定本工程施工风险因素集、评价集合、权重集，并依据加权平均法构建模糊函数，在单因素模糊评定的基础上进行模糊综合评定，从而为桥梁施工风险控制措施提供依据。

3.1 风险因素集建立

该斜拉桥施工风险指标分类见表1所示，其中：

U ={u1，u2，u3，u4}

={基础施工风险，主塔施工风险，边墩与辅助墩施工风险，钢桁梁施工风险}

且其中：

u1={u11，u12，u13，u14}

={钻孔平台搭设风险，钢护筒施工风险，钻孔施工风险，围堰施工风险}

u2={u21，u22，u23}

={主塔墩身施工风险，纵梁施工风险，塔吊与电梯安拆风险}

u3={u31，u32}

={模版施工风险，塔吊装拆风险}

u4={u41，u42，u43，u44}

={钢桁梁运输风险，浮吊架设风险，架梁机运营风险，拉索施工风险}

3.2 风险评价指标建立

根据该斜拉桥工程施工风险对工程安全性的影响程度得到各个风险因素评价结果矩阵B，并根据以下公式转化为风险值V：

通过风险值V将施工过程风险分为低风险、中风险、高风险以及极高风险四个级别，并分别对应风险一级、二级、三级和四级，如表2所示。

表2 桥梁施工风险评价指标

3.3 权重集的建立

基于层次分析法基本原理建立(u1，u2，u3，u4)影响因素的风险判断矩阵。以基础施工风险u1为例说明权重集的建立原理。

表3 施工风险因素判断矩阵A1

即：

由表1可得基础施工风险u1的权重向量：

W1={w11，w12，w13，w14}

={0.37，0.11，0.06，0.46}

进一步：

其中，n=4，且：

本斜拉桥施工过程基础施工风险影响因素判断矩阵合理。

3.4 模糊综合评价

(1)单因素评估

聘请11位桥梁工程专家对本工程施工过程各项风险因素进行风险评价，并按照下式确定各指标的权重：

其中nij表示第i级指标中第j个参数归为同一风险档次的专家人数，∑m为专家总数。

(2)模糊矩阵建立

按照上述权重的确定方法计算每个单因素评估向量Rij，并进一步构建各个一级影响因素的关系矩阵Ri。

(3)二级指标风险模糊评估

以基础施工风险u1为例说明二级指标风险模糊评估方法与步骤。

B1=W1·R1

B1归一化后得：

进一步：

根据表2，属于高风险。

同理，主塔施工风险V2=2.78，为高风险；边墩与辅助墩施工风险V3=1.87，为中风险；钢桁梁施工风险V4=3.15，为高风险。

(4)一级指标风险模糊评估

同理，对斜拉桥施工过程一级指标风险模糊评估如下：

通过上述分析，该斜拉桥施工过程整体风险属于三级风险，为高度风险；施工过程中风险因素从大到小分别为钢桁梁施工风险、基础施工风险、主塔施工风险以及边墩与辅助墩施工风险。因此，在该斜拉桥施工过程中合理采用保证钢桁梁施工的风险措施对于过程的顺利进行具有非常重要的意义。

4 安全风险控制措施

根据上述基于模糊层次分析法的安全风险评估结果，该钢桁梁斜拉桥钢桁梁施工风险最大，结合钢桁梁悬臂施工工艺特点提出下述风险控制措施：

(1)架梁吊机在运动和吊装过程中要保证机械稳定性，避免发生倾覆，同时钢桁梁悬臂对称安装。

(2)在施工作业区域及影响范围内设置安全网和警示标志，确保施工人员及第三人人身安全。

(3)吊机在运动过程中应严格控制前进速度保证运行平稳，移动到位后要及时进行锚固。

(4)架梁吊机在正式工作前应先进行静载试验消除弹性变形，如出现变形过大情况应及时停止施工，查找原因并消除隐患。

(5)对于雨量充沛的地区，一般在吊机上设置防雨棚，并保证吊机的整体稳定性。

(6)在强风和雷暴等恶劣天气下应停止施工，采取应急处治措施，确保机械设备牢固。

5 结论

随着我国桥梁结构形式的不断创新、桥梁施工难度不断增加以及施工过程中不确定因素的增多，加强对桥梁施工过程安全风险评估对于保证工程的顺利进行尤为重要。主要研究成果如下：

(1)基于加权平均法构建了可用于桥梁施工安全风险评估的模糊层次分析法(FAHP)，其主要思路为先分别对各级事物进行一次模糊综合评判，再对上一级进行模糊评判运算，直至得出最终的评判结果。

(2)基于FAHP建立桥梁施工风险评估模型对各影响因素和整体风险进行评估，确定风险级别。

(3)根据安全风险评估结果可确定桥梁施工安全最不利影响因素，为风险控制措施的合理采取提供依据。

(4)以某双塔钢桁梁结合梁斜拉桥为工程依托，基于FAHP分析方法建立了施工过程风险评估模型，并对该桥梁施工过程安全进行风险评估，取得了理想效果，可为其他工程提供参考。