斜拉索跨越管桥安全状况评定方法研究

张志东高级工程师 骆吉庆 何 莎高级工程师 杜 雷 李姝璇

（1.四川科特检测技术有限公司，四川 广汉 618300；2.川庆钻探工程有限公司安全环保质量监督检测研究院，四川 广汉 618300；3.四川宏大安全技术服务有限公司，四川 广汉 618300；4.中国石油工程建设有限公司，北京 100032）

0 引言

油气管道斜拉索跨越是油气管道跨越常用的结构形式之一[1]，它往往是长输管道的咽喉，具有极其重要的作用，一旦发生事故，不仅影响油气的正常运输，且会造成环境污染，带来巨大的经济损失和不良社会影响。

目前，国内针对斜拉索跨越管桥安全状况评定方法的研究成果较少。《公路桥梁技术状况评定标准》提出了斜拉桥技术状况评定方法及等级分类[2]，但并未涉及斜拉索跨越油气管道。《压力管道定期检验规则—工业管道》给出了在用工业管道的安全状况等级的评定条件[3]，但只针对在用工业管道及其附属设施，并未提及斜拉索跨越管桥中所包含的斜拉索、锚固墩等重要结构。虽然已有学者对斜拉索跨越管桥的有限元模拟和风险评价方法进行了研究[4-6]，但缺乏专门针对斜拉索跨越管桥安全状况评定方法方面的研究，也未见相应的标准与法律法规。

鉴于此，笔者将结合工程实际，借鉴《公路桥梁技术状况评定标准》斜拉桥技术状况评定思想，针对跨越油气管道，增加“管桥系”模块，构建斜拉索跨越管桥安全状况评定指标体系。采用网络层次分析法和熵权法相结合的组合赋权法计算指标的权重，进而求得斜拉索管桥的安全状况评分，确定安全状况评定等级，以期为管道企业安全运行管理提供一定的技术支持与理论依据。

1 斜拉索跨越管桥安全状况评定指标体系建立

本文结合油气管道斜拉索跨越的现场工程实际，借鉴《公路桥梁技术状况评定标准》斜拉桥技术状况评定思想[2]，构建安全状况评定指标体系，包含3个一级指标和13个二级指标，如下图。

图 斜拉索跨越管桥安全状况评定指标体系Fig. Index system of safety evaluation for cable-stayed pipeline bridge

底层指标的评分标准参照文献[2]，分值论域为[0, 100]，安全状况越良好指标的分值越高。

斜拉索跨越管桥上部结构、下部结构和管桥系的安全状况评分按下式计算：

式中：

SP—上部结构安全状况总评分；

BPi—上部结构中单个部件i的安全状况评分；

SB—下部结构安全状况总评分；

BBi—下部结构中单个部件i的安全状况评分；

SD—管桥系安全状况总评分；

BDi—管桥系中单个部件i的安全状况评分；

ωi—部件i在斜拉索跨越管桥系统中的组合权重。

斜拉索跨越管桥的安全状况评分按下列公式计算：

式中：

S—斜拉索跨越管桥的安全状况评分。

2 指标权重计算

传统的赋权方法大致可分为两大类：主观赋权法和客观赋权法。主观赋权方法的优点是专家可以根据实际问题，较为合理地确定各指标之间的排序，但主观随意性大。客观赋权法的原始数据来源于评价矩阵的实际数据，客观性较强，但没有考虑到决策者的偏好且易受数据波动的干扰[7]。为此，人们提出了综合主、客观赋权法的综合集成赋权法[8-10]。本文在网络层次分析法[11]（Analytic Network Process，ANP）和熵权法[12-13]基础上，采用几何平均赋权法计算指标组合赋权，使得最终确定的组合权重能更好地反映斜拉索跨越管桥的实际工程情况。

2.1 网络层次分析法

考虑到各指标间存在相互影响，引入ANP计算各指标权重[14-15]，ANP是一种主观赋权法。假定ANP结构控制层中有元素D1，D2，…，DN，网络层次中有N个元素集C1，C2，…，CN，Cp中有元素εp1，εp2，…，εpg（p=1，2，…，N），Cq中有元素εql（q=1，2，…，N），元素集Cp中元素按其对εql的影响大小进行两两比较，得到比较矩阵Wpq：

若Cp中元素对Cq中元素没有影响，则Wpq=0，最终获得超矩阵W。为使超矩阵W能够收敛，决策者需要进一步比较信息使之随机化。以DN为准则，对元素集Cp（p=1，2，…，N）的重要性进行比较。与Cp无关的元素集的排序向量分量为0，以此得到加权矩阵A[16]。

超矩阵W的加权超矩阵对加权超矩阵取λ→∞（λ表示决策者影响程度累加次数），得到的矩阵逐渐收敛至一固定值，即为ANP计算得到的权重，记为αi。

2.2 熵权法

熵权法是一种客观赋权方法，根据各评价指标的变异程度，利用信息熵计算出各指标熵权，从而得到较为客观的指标权重[17]。假设有m个评价对象，有n个底层指标，xij表示第j个评价对象的第i个指标的得分，构建初始矩阵Xij=(xij)nm。

（1）计算第j个评价对象的第i个指标分值的比重Pij：

（2）确定各指标熵值Ei：

式中：

（3）信息熵确定后，计算第i个指标的熵权值βi：

2.3 组合权重

结合ANP和熵权法，采用几何平均赋权法计算组合权重[18]，公式如下：

其中，θ为偏好系数，取值范围为[0,1]。当专家经验不足时，客观权重就较为重要，θ偏小，反之则偏大。由于θ的取值不同，计算结果也会有所差异[19]，应用中要充分考虑实际情况，灵活取值，本文中θ取0.5。

3 安全状况评定等级划分

斜拉索跨越管桥的安全状况评分S总体上反应了管桥的安全状况，借鉴文献[2]中的桥梁总体技术状况评定等级划分原则，将斜拉索跨越管桥的安全状况等级分为4级，管桥安全状况等级的划分及意义，见表1。

表1 斜拉索跨越管桥安全状况评定等级Tab.1 Safety evaluation grade of cable-stayed pipeline bridge

有下列情况之一时，斜拉索跨越管桥安全状况应评为4级：

（1）斜拉索钢丝出现严重锈蚀、断丝。

（2）索塔、桥墩、桥台或墩台基础不稳定，出现严重滑动、下沉、位移或倾斜等现象。

（3）管道由于第三方破坏或腐蚀等因素，导致剩余壁厚承压能力不足，无法达到规范标准的相关要求。

斜拉索跨越管桥安全状况评定时，当主要部件评分为3级或4级（主要部件安全状况等级评定参照表1）且影响跨越管桥安全时，可按照斜拉索跨越管桥主要部件最差的缺损状况评定。

4 实例分析

以西南地区某天然气长输管道的其中一段斜拉索跨越管桥为例，进行安全状况评定。结合前期已开展的现场踏勘、资料审查、上部结构检测、下部结构检测和管桥系检测等工作，邀请5位专家针对斜拉索跨越管桥安全状况评定的相关指标进行打分，并取平均值，见表2。

4.1 确定组合权重

由于加权超矩阵计算十分复杂，此处采用超级决策软件Super Decisions（SD）计算指标的主观权重αi，详见文献[16]；根据式（6）～（8）计算客观权重βi；由式（9）确定组合权重ωi，详细计算结果，见表2。

4.2 安全状况等级评定

根据表2中的数据，结合式（1）～（4）和表1可得各指标及斜拉索跨越管桥的总体安全状况等级，评定结果，见表3。

表2 指标评分及权重Tab.2 Evaluation value and weight of each index

表3 各指标及斜拉索跨越管桥安全状况评定等级Tab.3 Safety evaluation grade of each index and cable-stayed pipeline bridge

实际检测发现，该斜拉索跨越管桥并未出现第3节列举的情况，结合安全状况评定等级划分的相关要求，案例评定结果为：斜拉索跨越管桥安全状况等级为3级。

4.3 评定结果分析

一级指标中，管桥系指标占40.16%，应作为斜拉索跨越管桥安全保护工作的重点，这与斜拉索跨越管桥运行管理的实际情况相吻合。“锚固墩”评分为61.6，单项指标评定结果为3级，安全状况较差，且“锚固墩”在整个评价体系中的组合权值为“0.1197”，重要程度仅次于“管道”（权值为0.3164）和“斜拉索系统”（权值为0.1479），故管道管理方应尽快对锚固墩进行治理。该斜拉索跨越管桥安全状况评定等级为3级，表明管桥的使用功能已受到了严重影响，结合现场检测结果，其原因主要包括：斜拉索护套防护层破损、索塔和支座出现了一定程度的锈蚀、锚固墩混凝土碳化较为严重、护坡工程由于河水冲刷和风蚀损毁严重。管道管理方应结合现场检测及安全状况评定结果，制定全面的修治方案，以保障斜拉索跨越管桥的安全运行。

5 结论

（1）针对油气长输管道中斜拉索跨越管桥的实际情况，增加“管桥系”模块，首次将斜拉桥技术状况评定思想引入斜拉索跨越管桥的安全状况评定，构建斜拉索跨越管桥安全状况评定指标体系，具有一定的科学性。

（2）将主观赋权法和客观赋权法有机结合，采用“网络层次分析法+熵权法”的组合赋权方法，发挥各自优势的同时也在一定程度上避免了主观赋权和客观赋权所引起的权值偏差，使指标权重的确定更加合理。

（3）安全状况评定等级反应出斜拉索跨越管桥当前的安全程度，有助于管理方制定合理的安全修治方案，为企业的管道安全管理提供一定的技术支持与理论依据。

（4）笔者所建立的斜拉索跨越管桥安全状况评定指标体系中只涉及到一级和二级指标，三级甚至更底层指标的制定还需深入研究。