改进模糊理论下的公路桥梁施工风险评价研究

陈浩燕

摘要： 针对公路桥梁修建时施工风险影响因素多、影响周期长，为减少桥梁建设过程中结构安全事故的发生，根据公路桥梁建设风险影响因素的特点，依托贵安敖江特大桥工程，采用迭代确权的模糊层次综合分析法对桥梁结构安全的施工风险因素权重进行确定排序，并结合建立的公路桥梁结构安全施工风险后果评估模型，提出一种可以快速、简便、准确地评估公路桥梁施工风险程度的模型。结果表明：得到的公路桥梁结构安全施工风险等级与桥梁建设现场实际相吻合，建立的公路桥梁结构安全施工风险评价体系具有一定的科学性与有效性，可为类似工程提供参考。

关键词： 公路桥梁 结构安全 施工安全 迭代确权 模糊理论

中图分类号： U415.12;U445.1 文献标识码： A 文章编号： 1672-3791（2023）24-0243-04

目前公路桥梁以人工巡检方式为主［1］，但是该方式花费时间较长，效率低。因此利用现代科学信息技术对大型桥梁进行在线监测，实时了解桥梁运营状态，及时发现桥梁结构中的安全隐患，采取加固或者維修的措施排除危险点，减少经济损失具有重大意义。

目前，国内外常用的桥梁施工风险评价方法主要有以下几种。（1）综合评估法。其原理简单，方法简便，但是由于桥梁的结构不同，随着时间的增长，桥梁部件的老化程度也会有差异［2］。（2）模糊评定法。虽然用此方法能够综合多种因素来考量和监测桥梁的安全，但是该评估具有模糊性和不确定性，得到检测结果也具有较大的缺陷［3-4］。（3）层次分析法。虽然该方法是一种多指标评估的定量方法，能够在一定范围内尽可能减少人为的主观因素，使得评估结果更合理，但是该方法构建判断矩阵困难，不适用于遇到的复杂桥梁问题［5-8］。（4）神经网络法。该方法能够对于不同的桥梁情况进行记忆储存并进行评估，但是该方法训练时间长，不能及时有效地应用于桥梁的安全评估上［9-13］。如今，桥梁施工风险分析评价体系并不十分成熟，难以兼顾系统性、复杂性和确定性。

为提升公路桥梁风险评价的精确度，通过查阅公路桥梁风险评价相关的资料与文献，并对其进行分析与综合，提出一种风险因素权重更为简便的分析评估方法。以贵安敖江特大桥项目为依托，应用基于迭代权重确定的模糊层次分析法和后果估算法相结合的方法，对桥梁施工过程的结构风险进行评价，以期为类似工程项目施工风险评估提供参考。

1 模型建立流程

基于模糊层次综合评价法和后果当量法结合的构建公路桥梁评价模型，主要基于Z=P×C 进行风险等级综合评价。评价流程如图1 所示。

2 分析评价模型的建立

2.1 构建风险概率评价模型

2.1.1 风险评价指标体系的建立

基于相关研究并结合有关桥梁施工特性，将影响桥梁结构施工安全的评价指标层次分为三层［14］。第一，目标层：公路桥梁结构施工风险评价体系U；第二，准则层：基于公路桥梁风险因素属性构造，U=（U1 U2 Ui ），其中Ui 为首层为i 的子因素；第三，因素指标，主要由影响准则层的因素组成，U=（Ui1Ui2Uij ），其中Uij为首层为i的子因素中的第j个因素。

2.1.2 风险因素权重确定

通过对同层元素的互相比较分析确定重要性，从而判断矩阵可以确定；这是9 标度判断矩阵确定法。9标度判断矩阵确定法容易放大且过于主观，同时一致性检验又较为繁杂。为避免该方法的缺点，基于周侃东等人［15］方法对A = （αij ）n ? n 判断矩阵进行变换，通过βij （α） 函数得到新的模糊互补判断矩阵R = （βij （α））n ? n。βij （α）的函数表达式为式（1）。

式（1）中，α是转变系数用于模糊互补。

通过以上获得的模糊互补矩阵较合理，基于李永等人［16］提出的方法把模糊一致性的判断矩阵进行变换后，获得ωi为最初权重向量：

对最初权向量值进行优化后，基于特征根与幂法进行迭代求解确权获得的W（k）为权重向量，迭代求解过程如下：

若阶判断矩阵A > 0，x = e（e为单位向量）时，有：

式（3）中：Y为判断矩阵A求解所得的特征向量；W为权向量。

2.2 评价矩阵的建立

参考《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估制度及指南解析》［17］，把公路桥梁结构安全施工风险发生概率等级设置为4 级。

评价矩阵是风险因素集与评价集的表达［18］，通过专家调查法可以获得风险因素与对评价集Vi 的隶属度，风险因素集合中的单个因素评价结果ri 按行排列组合，形成评价矩阵R。

2.3 多级模糊综合评价

所谓多级模糊综合评价，其具体步骤如下。

（1）首级评价。计算出风险因素权重矩阵Wi 和评价矩阵Vi后，形成评价矩阵R。

（2）次级评价。基于上一步求得的评价矩阵R与当前层次权重矩阵W，解得模糊综合评价集B。

（3）风险发生概率的确定。用I 级评判函数，获得公路桥梁施工风险的风险发生概率P。

2.4 风险后果当量评估

基于我国铁路与风险评价相关规定，利用式（4）对风险后果评价。

C = CZ + CR + CG + CH + CS （4）

式（4）中：C 为风险后果总损失；CS 为社会损失；CH 为环境损失；CG 为工期损失；CR 为人员伤亡；CZ 为直接经济损失。

目前我国风险后果评价方式常用人员死亡标准来评价。采用陈大川等人［18］提出的方法设置后果基本当量，即死亡1 人为1 个单位基本当量，下列后果等同为1 个后果当量：（1）10 人重伤或50 人轻伤；（2）工期延误30 d；（3）300 万元经济损失；（4）环境影响程度严重，取值标准本文取13；（6）社会影响程度，取值标准本文取13。

风险后果损失相当量总值为DC，见式（5）：

式（5）中：DC 为风险后果损失相当量，其为线性函数；ri （i=1，2，…，5）为各风险因素修正系数。

完成当量总值获得后，可对公路桥梁施工风险事故发生后果进行评价，结果如表1 所示。

2.5 风险评估结果

最终公路桥梁结构安全施工风险等级综合评价。按照风险评价等级划分标准和上述结果，获得公路桥梁施工风险的风险发生概率P，再由后果当量法计算的损失量C，采用以下公式：

Z = P ? C （6）

3 工程实例的应用与分析

3.1 工程概况

敖江特大桥跨越敖江和桃源溪，其中7#墩至9#墩跨越桃源溪，14#墩至23#墩跨越敖江，所以采用了水中钢平台作为桩基工作平台，采用钢栈桥作为施工便道来完成施工。而且贵安敖江特大桥需跨越潘小线、福州绕城高速贵安互通和欢乐大道，特别是需跨越的福州绕城高速，车流量较大。因此，基于现场设计勘察资料与超前地质预报数据，对公路桥梁施工风险危险程度进行分析与评价。

3.2 风险因素权重的确定

根据上述对公路桥梁施工风险的评估方法，综合专家的意见，获得每个层次最初的风险因素判断矩阵，再由式（1）至式（3）创建模糊一致矩阵。再由式（4）至式（6）通过迭代确权解得权向量。在這一工程实例中，通过模糊数学理论的距离判别判断；当a=1 时，相较于归一法而言，利用约束规划法获得的权重向量更合适，通过迭代确权解出的计划因素权向量为：

W（U1 ） =（0.3677 0.3629 0.1552 0.1548）T

3.3 评价矩阵的建立

根据工程的勘测设计资料对影响公路桥梁结构安全的因素进行量化和等级划分，并且分析结合敖江特大桥施工现场状况，求得各因素最终权重后，采用专家打分法［19］，对每个风险因素进行打分，可知敖江特大桥结构安全施工风险评价体系中各个风险因素的评价结果，如表2 所示。

3.4 模糊综合评价

（1）第一级模糊综合评价是最初层指标所进行综合评价，可以获得一级模糊综合评价结果如下：

B1=（0 0.383 0.649 0）

B2=（0 0.572 0.472 0）

B3=（0 0.558 0.472 0）

B4=（0 0.775 0.222 0）

B5=（0 0.772 0.237 0）

B6=（0 0.675 0.372 0）

（2）第二级模糊评价在最初层次指标之上进行，得第二级模糊综合评价结果如下：

B =W× R=（0 0.552 0.428 0）

（3）风险发生概率等级。根据上述计算结果，选用I 级评判函数，可以得到公路桥梁结构风险发生概率等级其分值如下：

P=0.1×0.552+0.01×0.428=0.05948

（4）评价结果。通过计算可知本桥梁发生结构安全风险概率为3 级。

3.5 后果当量评估

基于专家进行的风险后果损失评价，得到该工程的评价结果为：造成社会影响较轻、造成环境影响较轻、工期损失2 个月、造成经济损失9 万元、3 人伤亡、10 人严重受伤。把评价结果带入式（5），可以获得：

3.6 风险综合评估分析

在进行评估过程中不仅评价确定了风险发生概率，还评估了风险的后果，把二者进行组合，可以将结果分为4 个不同的风险等级，如表3 所示。

通过计算结果可知敖江特大桥结构安全风险发生概率为3 级，风险后果等级为3 级，高度风险。

4 结论

（1）公路桥梁施工安全的影响因素繁多复杂，呈现出模糊性和不确定性。结合敖江特大桥工程项目，在调研国内外学者对公路桥梁结构安全施工风险及相关研究的基础之上，对其影响因素进行辨识，并在此基础上建立了一套科学合理的公路桥梁结构施工安全风险评价体系。

（2）基于迭代确权的方法解得每个因素的权重向量，并由此构建的非线性模糊综合评价模型与后果当量法相结合，对敖江特大桥施工风险进行综合评价。依据模糊综合评判与后果当量得出该公路桥梁总体风险等级为三级，为高度风险，这与现场情况相符。

（3）针对模糊层次分析法进行有针对性的改进，运用现场施工实际的勘察资料与专家评分确定各风险的权重，提升了模糊层次分析法的实用性与方便性；结合风险后果损失当量法分析社会和经济等影响因素，可以提升风险评价的系统性与准确度。

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