向綠林，賀國京，沈晴晴，易錦

(1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000;2.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410004)

?

基于風(fēng)險分析-可靠度混合法預(yù)制梁板運、架施工安全評估

向綠林1，賀國京2，沈晴晴2，易錦2

(1.福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000;2.中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410004)

介紹一種適用于預(yù)制梁板運輸與架設(shè)施工安全評估方法風(fēng)險分析-可靠度混合方法。該法首先應(yīng)用風(fēng)險分析的方法對預(yù)制梁板運輸與架設(shè)施工過程事故風(fēng)險因素按照提梁、運梁和架梁3個過程進行分類識別并提出打分方案，然后，再在風(fēng)險因素識別的基礎(chǔ)上基于可靠度相關(guān)理論對危險源進行定量分析，對該類施工過程控制參數(shù)進行確定，結(jié)合已有研究及現(xiàn)場統(tǒng)計的方法對控制參數(shù)相應(yīng)荷載、抗力分布規(guī)律進行分析，最后，在對其可靠性系統(tǒng)進行確定的基礎(chǔ)上求得該類施工過程安全可靠度系數(shù)。該法有效結(jié)合風(fēng)險理論及可靠度理論的優(yōu)點，充分考慮隨機因素對施工期結(jié)構(gòu)安全性的影響，對安全因素進行定性定量分析。

橋梁施工；安全評估；風(fēng)險分析；可靠度

相關(guān)調(diào)查表明：土木工程中倒塌事故發(fā)生于施工期的占到83.2%，施工期由于結(jié)構(gòu)抗力的不成熟性、荷載的復(fù)雜多樣性、結(jié)構(gòu)的非完整性等特點，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效概率遠遠高于使用期[1]。由于早期的確定性分析方法可能忽略非確定性因素的影響，造成過高的估計結(jié)構(gòu)施工過程的安全性，因此逐漸出現(xiàn)了考慮概率因素的分析方法，諸如風(fēng)險分析、可靠度分析等的一系列方法。風(fēng)險分析方法在我國出現(xiàn)較晚，到20世紀(jì)80 年代方有學(xué)者開始從事工程項目相關(guān)風(fēng)險分析方面的研究。目前風(fēng)險分析方法在橋梁撞擊、抗風(fēng)抗震、洪災(zāi)火災(zāi)等方面應(yīng)用廣泛，大致出現(xiàn)了定性分析、定量分析、定性定量綜合分析等幾類分析方法。其中定性定量綜合分析方法結(jié)合了定性分析與定量分析的優(yōu)點，有學(xué)者將其劃分為定性半定量分析法和定量半定性分析法兩類[2-3]。隨著可靠度分析方法的發(fā)展和成熟，很大程度上彌補了前期風(fēng)險分析時對結(jié)構(gòu)安全定量確認時的困難和不足。隨著工程結(jié)構(gòu)的不斷復(fù)雜化以及對安全要求的提高，單一的處理方法往往不能滿足安全評估的要求，隨即出現(xiàn)了一系列的混合方法，力求避免各分析方法的不足以達到最佳的安全評估效果，如宗周紅等基于不確定層次分析法、加權(quán)極值統(tǒng)計理論等綜合方法對大跨徑連續(xù)鋼構(gòu)橋進行了安全評估[4]；程進[5]結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)與一階可靠度方法(FORM)對預(yù)應(yīng)力混凝土橋進行了可靠度分析；Choi等[6]結(jié)合事故樹分析(ETA)與貝葉斯方法對施工期倒塌失效起因等進行了分析；Cho等[7]結(jié)合一次二階矩法開發(fā)的線性自適應(yīng)加權(quán)響應(yīng)面法對預(yù)應(yīng)力箱梁鐵路橋進行了可靠性評估,然而，橋梁預(yù)制施工應(yīng)用廣泛，而研究較少。本研究以湖南懷化繞城高速預(yù)制梁板運輸與架設(shè)施工為背景，提出一種風(fēng)險分析與可靠度相結(jié)合的分析方法，實現(xiàn)了預(yù)制橋梁施工安全評估，為類似橋梁施工安全性評估提供參考。

1　方法介紹

1.1安全評估流程

風(fēng)險分析-可靠度混合方法是有效結(jié)合風(fēng)險分析方法與可靠性分析方法各自優(yōu)點，避免各自方法的不足，而發(fā)展起來的一種混合方法。該法分析流程如下：

首先，基于風(fēng)險分析方法對預(yù)制梁橋施工整個流程進行風(fēng)險識別并打分，然后將識別的風(fēng)險因素按照施工過程構(gòu)建子系統(tǒng)，應(yīng)用可靠度分析方法分析各子系統(tǒng)可靠度，最后，確定各子系統(tǒng)直接的相關(guān)性，結(jié)合各子系統(tǒng)的可靠度確定施工整體可靠度，具體流程如圖1所示。

圖1　安全評估流程圖Fig.1 Flow chart of safety assessment

1.2風(fēng)險分析

風(fēng)險發(fā)生的概率與風(fēng)險產(chǎn)生的危害嚴(yán)重程

度是風(fēng)險分析的兩個最主要也是最關(guān)心的方面，

因此目前工程領(lǐng)域普遍用事故發(fā)生的概率與事故造成的后果的乘積來表示風(fēng)險，若考慮整個系統(tǒng)的風(fēng)險，則用全部事故風(fēng)險的代數(shù)和來表示系統(tǒng)總風(fēng)險，如式1所示。

(1)

式中：R表示系統(tǒng)總風(fēng)險；Pi表示第i個事故出現(xiàn)的概率；Ci表示第i個事故產(chǎn)生的后果。

風(fēng)險分析主要包括風(fēng)險識別、風(fēng)險估計、風(fēng)險評估、風(fēng)險應(yīng)對與決策四個部分，其中風(fēng)險識別是進行安全分析的基礎(chǔ)，也是對分析人員自身經(jīng)驗和素質(zhì)要求較高的部分，如何有效準(zhǔn)確識別橋梁施工過程中的風(fēng)險因素是關(guān)鍵。

1.3可靠度分析

結(jié)構(gòu)可靠度及指在規(guī)定時間和條件下，保證結(jié)構(gòu)達到預(yù)期功能的能力，橋梁施工期可靠度意義與此類似，只是時間和條件上有其獨特性，時間上遠比使用期時間短；條件上施工期結(jié)構(gòu)抗力和荷載都不同于使用期，具有受時間參數(shù)的影響更加明顯，結(jié)構(gòu)抗力尚處于發(fā)展期，而荷載的變化性較大等特點[8]。

隨著可靠度理論的快速發(fā)展，形成了如一次二階矩、二次二階矩、蒙特卡羅法、響應(yīng)面法等多種可靠度分析方法，各種分析方法都有各自的優(yōu)缺點以及適用范圍，往往需要使用者結(jié)合實際工程類型、評估要求、經(jīng)濟條件等多方面因素綜合考慮，以選擇一種合適的分析方法進行分析。

2　風(fēng)險識別及評價

2.1風(fēng)險識別

預(yù)制梁橋施工工藝和流程與別的施工方案大為不同，因此在對該類施工過程進行風(fēng)險識別時需要進行獨立研究。

預(yù)制梁板運輸與架設(shè)施工流程主要包括提梁、運梁、架梁等過程，因此需要按照施工流程分別構(gòu)建風(fēng)險子集，對各子集進行風(fēng)險識別，具體如表1所示。

表1　預(yù)制施工風(fēng)險因素識別圖

2.2風(fēng)險指標(biāo)

從事故源頭抓起，分析判斷造成事故的潛在原因，探索事故發(fā)生的概率以及造成的后果，并形成統(tǒng)一可行的評價指標(biāo)，是避免施工事故發(fā)生的有效方法，也是后期基于可靠度理論進行安全評估的重要基礎(chǔ)和依據(jù)。

在《公路橋梁承載能力評定規(guī)程》[9]中將結(jié)構(gòu)狀況劃分為良好狀態(tài)、較好狀態(tài)、較差狀態(tài)、差的狀態(tài)和危險狀態(tài)5個等級，朱三凡基于等級劃分對各狀態(tài)進行了評分[10]。

該研究結(jié)合預(yù)制橋梁施工特點，考慮到特殊風(fēng)險因素缺乏統(tǒng)一劃分及評分標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀，結(jié)合現(xiàn)有相關(guān)研究，對預(yù)制施工過程風(fēng)險因素按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進行等級劃分及形成評分指標(biāo)，具體如表2所示。

3　可靠度分析模型

在對預(yù)制梁橋施工過程風(fēng)險因素進行識別與評價的基礎(chǔ)上，基于可靠性理論對風(fēng)險因素進行定量分析，形成可靠度指標(biāo)，為施工安全性評估提供參考。

表2　風(fēng)險評判標(biāo)準(zhǔn)

3.1控制參數(shù)確定

根據(jù)結(jié)構(gòu)可靠度功能函數(shù)(式2所示)，要確定結(jié)構(gòu)可靠與否，首先需要確定相應(yīng)的控制參數(shù)，根據(jù)結(jié)構(gòu)實際荷載是否超過控制參數(shù)，判斷結(jié)構(gòu)的可靠性。

(2)

預(yù)制梁板運輸與架設(shè)施工控制參數(shù)包括運梁通道最小轉(zhuǎn)彎半徑控制、橫向坡度控制、縱向坡度控制、路基承載能力控制、裸梁承載能力控制等方面。

1)通道最小轉(zhuǎn)彎半徑控制研究

目前，我國對道路半徑參數(shù)控制是基于評判轉(zhuǎn)彎處橫向力穩(wěn)定性程度的橫向力系數(shù)表達式轉(zhuǎn)化而成[11]。然而，由于運梁炮車行駛的速度相對較小，按照橫向力穩(wěn)定性要求求解的轉(zhuǎn)彎半徑極小，不滿足運梁炮車運行要求，因此，橫向力穩(wěn)定性要求不能作為運梁通道最小半徑的控制因素，應(yīng)按照通行要求求解，如圖2所示。

圖2　運梁通道轉(zhuǎn)彎半徑控制Fig.2 Turning radius control of channel for carrying beam

為了確保運梁炮車能夠正常運行，轉(zhuǎn)彎半徑最小值應(yīng)滿足式3所示要求。

(3)

化簡得到：

(4)

式中：R表示運梁通道轉(zhuǎn)彎半徑；a表示炮車與梁總長；b表示梁寬；c表示路寬。

由于此處R是按照最基本的通行要求求解的，為了通行的順便與安全，需要對該求解值考慮一定擴大系數(shù)1.4，即得到Rmin=1.4R。

2)其余相關(guān)參數(shù)控制研究

當(dāng)實際參數(shù)超過控制參數(shù)時，即認為結(jié)構(gòu)失效，反之，則認為結(jié)構(gòu)可靠。

3.2抗力、荷載概率分布模型

1)抗力、荷載概率分布直方圖

建立抗力、荷載概率分布直方圖，一方面可以方便對實際工程進行統(tǒng)計，另一方面可以方便直觀的發(fā)現(xiàn)抗力、荷載的分布規(guī)律。

結(jié)合Ayyub等[14]對結(jié)構(gòu)抗力、荷載的統(tǒng)計規(guī)律研究，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工期恒載分布符合正態(tài)分布，對于道路運梁和裸梁上運梁過程，由于只考慮梁體和跑車荷載作用，結(jié)構(gòu)荷載概率模型安照正態(tài)分布考慮。

由于預(yù)制梁板施工過程抗力、荷載模型有其特有的模式，更多的控制參數(shù)并非傳統(tǒng)荷載，即需要考慮廣義可靠度相關(guān)概念，因此需要建立統(tǒng)計分布直方圖，以判斷其抗力、荷載分布規(guī)律，由于篇幅限制，此次展示運梁通道縱向和橫向坡率分布直方圖，如圖3～4所示。由其概率分布直方圖可以方便的看出，運梁通道縱向和橫向坡率分布符合對數(shù)正太分布。

圖3　縱向坡率分布直方圖Fig.3 Longitudinal slope distribution histogram

圖4　橫向坡率分布直方圖Fig.3 Transverse slope distribution histogram

2)抗力、荷載概率參數(shù)確定

基于重要抽樣分布原理可以對各概率模型的樣本平均值(式5)和樣本方差(式6)進行求解[15]，為后期可靠度求解提供依據(jù)。

(5)

(6)

3.3基于JC法求解子系統(tǒng)可靠度

JC法[16]是由Hasofer、Lind等提出的可靠度計算方法，在很大程度上彌補了中心點法不能考慮概率分布特征的缺點，其具體計算步驟如圖5所示。

圖5　JC法計算流程圖Fig.5 Flow chart of calculate with JC method

基于前期求得的結(jié)構(gòu)抗力、荷載的概率分布模型以及其標(biāo)準(zhǔn)值和方差，即可求得各個風(fēng)險因素子系統(tǒng)的可靠度。

3.4可靠度系統(tǒng)分析

整體系統(tǒng)是由子系統(tǒng)組成，子系統(tǒng)中又可包括二代子系統(tǒng)甚至三代子系統(tǒng)，因為，要求解結(jié)構(gòu)整體系統(tǒng)可靠度[17]，需要對各子系統(tǒng)之間聯(lián)系關(guān)系進行確定。

典型系統(tǒng)可靠度模型分為串聯(lián)系統(tǒng)可靠性模型、并聯(lián)可靠性模型、串并聯(lián)混合系統(tǒng)可靠性模型、橋式網(wǎng)格系統(tǒng)可靠性模型，分別如圖6～9所示。

1)串聯(lián)系統(tǒng)分析

串聯(lián)系統(tǒng)可靠度pt為：

(7)

式中：Pt為串聯(lián)關(guān)系系統(tǒng)整體可靠度；pi為第i個子系統(tǒng)可靠度；n為子系統(tǒng)個數(shù)，下同。

2)并聯(lián)系統(tǒng)分析

圖6可靠性串聯(lián)系統(tǒng)
Fig.6 Series system of reliability

圖7　可靠性并聯(lián)系統(tǒng)Fig.7 Parallel system of reliability

并聯(lián)系統(tǒng)可靠度pt為：

(8)

3)串并聯(lián)混合系統(tǒng)分析

圖8　串并聯(lián)混合系統(tǒng)Fig.8 Series-parallel hybrid system

串并聯(lián)混合系統(tǒng)可靠度需要先求出各并聯(lián)

子系統(tǒng)可靠度pi，然后再結(jié)合串聯(lián)系統(tǒng)求整體系統(tǒng)可靠度pt。

4)橋式網(wǎng)格系統(tǒng)分析

圖9　橋式網(wǎng)格系統(tǒng)Fig.9 Bridge type grid system

根據(jù)最新路集法得橋式網(wǎng)格系統(tǒng)可靠度pt為：

(10)

確定結(jié)構(gòu)各風(fēng)險因素子系統(tǒng)可靠度，再結(jié)合各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系關(guān)系，即可確定整體系統(tǒng)可靠度，為預(yù)制梁板運輸施工過程評估提供確定性的可靠度指標(biāo)。

4　工程實例

以湖南懷化繞城高速某橋預(yù)制梁板運輸與架設(shè)施工為例，對其施工過程進行可靠度分析。由于降雨、大風(fēng)、人為失誤等偶然因素造成運、架梁事故的，可以通過提高施工管理水平、增強施工人員的安全意識、避免惡劣氣候和環(huán)境下施工等方式避免,因此此例分析過程僅考慮轉(zhuǎn)彎半徑過小、運梁通道橫向失穩(wěn)、運梁通道縱向失穩(wěn)、路基承載能力不夠、裸梁上運梁傾覆失穩(wěn)五個風(fēng)險控制因素，針對識別的這五個高危風(fēng)險因素進行可靠度分析，并得到整體可靠度指標(biāo)。該五個風(fēng)險因素概率分布及相關(guān)系數(shù)如表3所示。

表3　風(fēng)險因素概率分布及相關(guān)系數(shù)

由JC法可得轉(zhuǎn)彎半徑過小、運梁通道橫向失穩(wěn)、運梁通道縱向失穩(wěn)、路基承載能力不夠、裸梁上運梁傾覆失穩(wěn)5個風(fēng)險因素(即子系統(tǒng))對應(yīng)的可靠度指標(biāo)分別為：4.590 9,3.550 8,3.139 8,3.828 0和3.573 2。

由此可以得到各個子系統(tǒng)相應(yīng)的失效概率分別為：2.215 6e-6，1.920 1e-04，8.462 5e-04，6.459 4e-05和1.763 4e-04。

由于該子系統(tǒng)中比較獨立，相互影響較小，在此可以按照串聯(lián)系統(tǒng)計算，即得到該橋施工過程系統(tǒng)整體失效概率為：

5　結(jié)論

1)基于風(fēng)險分析的方法，可以對預(yù)制梁板施工過程可能存在的危險源進行了有效識別，并對危險源進行劃分和打分，由于有些風(fēng)險源只需增強施工管理、提高施工人員安全意識及進行規(guī)范性施工即可避免，有些危險源則需要采取相應(yīng)的技術(shù)措施才能有效避免，因此，對危險源進行有效劃分，是確保針對不同危險源采取正確處理措施的重要依據(jù)。

2)通過風(fēng)險因素的識別與判斷，對預(yù)制梁板施工過程危險源有了定性認識，為后期對施工過程進行安全性定量評估提供了參考。

3)在風(fēng)險因素識別與打分的基礎(chǔ)上，本研究基于可靠性理論，對各個子系統(tǒng)進行獨立的可靠度分析，并結(jié)合各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，對預(yù)制施工過程進行了整體安全性評估，分析了整體施工過程的失效概率。分析方法方便可行，為類似橋梁施工安全評估提供參考。

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Precast beams carrying and erecting construction security assessment based on risk analysis-reliability hybrid method

XIANG Lvlin1, HE Guojing2, SHEN Qingqing2, YI Jin2

(1. Fujian Forestry Vocation Technical College,Nanping 353000，China;2.College of Civil Engineering and Mechanics, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, China)

The risk analysis-reliability hybrid method is presented for evaluating the precast beam carring and erection construction period safety of bridge. Firstly, accident risk factors of precast beam carring and erection construction period are classified and identified based on lifting beams、carring beams and erecting beams three process, and scoring plan was showed. Then, quantitative analysis was made of dangerous source by the use of reliability theory. The construction process control parameters and the distribution regularity of loads and resistances were determined combining with the existing research and statistical methods. Lastly, reliability system and safety reliability coefficient of construction process was determined. The method effectively combine the risk theory and reliability theory. Fully considering the influence of random factors on the structure security during the construction. Qualitative and quantitative analysis of safety factors was made.

bridge congstruction; security assessment; risk analysis;reliability

2015-11-21

湖南省交通科技計劃資助項目(201332)；湖南省自然科學(xué)基金資助項目(14JJ2105)；湖南省重點學(xué)科建設(shè)資助項目(2012ZDXK003)

賀國京(1964-)，男，湖南岳陽人，教授，博士，從事橋梁工程教學(xué)與科研；E-mail：cegjhe@hotmail.com

U448.35

A

1672-7029(2016)09-1872-07