橋梁設計方案風險評估分析陶小蘭;王鵬【摘要】橋梁結構風險貫穿于橋梁建設全過程.主要介紹橋梁在方案設計階段的風險評估方法及其主要評估流程，以實際工程為例，闡述采用專家調查法確定橋梁設計方案的安全風險水平，并采用基于估計相對位置的方案排隊法優選出較優方案，為橋梁方案設計階段的風險評估提供參考依據.％Thestructuralriskofbridgesrunsconsistentlythroughthewholeprocessofbridgeconstruction.Thispapermainlyintroducesriskevaluationmethodsandprincipalevaluationprocessesforbridgedatthestageofproposaldesign,determineslevelsofsafetyriskofdesignproposalsbymeansofexpertinvestigationbasedonpracticalprojectsasexamples,andchoosesbetterproposalsbyqueuingmethodofproposalsbasedonestimationofrelativepositions.Theanalysisofthepaperprovidesareferenceforriskevaluationofbridgesatthestageofproposaldesign.【期刊名稱】《公路交通技術》【年(卷)，期】2011(000)002【總頁數】5頁(P86-90)【關鍵詞】風險評估;專家調查法;方案排隊法;風險概率;風險損失【作者】陶小蘭;王鵬【作者單位】招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶,400067;招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶,400067【正文語種】中文【中圖分類】U442.5近年來，隨著經濟和技術的發展，我國橋梁建設也出現了跨越式發展，跨海大橋的修建使得橋梁的跨度和規模越來越大，城市景觀的要求導致造型獨特的橋梁相繼出現，橋梁結構越來越復雜。另一方面，橋梁倒塌事故也時有發生，造成巨大損失。因此，如何提高橋梁設計、施工水平，加強橋梁工程安全管理，增強安全風險意識，減少橋梁結構的風險事故，對橋梁建設的災害風險進行評估已經成為迫切需要解決的問題［1-2］。橋梁結構風險貫穿于橋梁建設和運營的全過程，規劃階段橋梁方案的確定和橋位選擇、設計階段橋梁設計理論和計算模型、施工階段的施工工藝、使用階段的自然災害和人為破壞等都將給橋梁結構帶來極大的風險。如何合理地對橋梁生命周期的各種風險進行評估并做出相應的風險決策將為橋梁建設作出指導性的建議［3-4］。本文以實際工程為例，針對橋梁設計階段的方案設計進行風險評估，并提出風險意義上的較優方案。1工程概況某高速公路橋梁跨越河流河谷、河漫灘及一級階地，按照通航要求并兼顧河流大堤綜合布置，該橋應滿足150m單孔雙向主通航孔及75m單孔單向副通航孔的要求。設計時采用了2種方案，方案1為248m+148m獨塔斜拉橋，全長396m,為獨塔雙索面塔墩梁固結體系，主副通航孔均由主橋248m的主跨跨越，南岸大堤由邊跨跨越。主梁全寬33.25m，采用鋼箱梁斷面，邊跨采用預應力混凝土邊箱斷面，中央分隔帶采用鏤空形式，主塔采用獨柱方形混凝土橋塔，基礎采用群樁基礎。該方案總造價11592萬元。方案2為100m+180m+100m3跨變截面連續剛構橋，全長380m，主通航孔由主橋180m的主跨跨越，副通航孔由邊跨100m跨越。主墩墩柱采用薄壁實體墩，過渡墩墩柱均采用單排雙圓柱式橋墩，基礎采用群樁基礎。該方案由于2個主墩均位于深水中，施工費用高，總造價9518.3萬元。本文將對上述2個方案在整個壽命周期內的各種風險因素進行風險評價分析，得出各自的安全風險水平。另外，還將分析風險因素可能造成的影響和后果，在對風險因素進行分析比較的基礎上提出風險意義上的最優方案。2風險評估方法一般來講，風險評估的基本組成部分為風險定義、風險識別、風險估計、風險評價、風險控制。風險估計是風險評估的主要工作，包括風險概率估計、風險損失估計和風險量測3個方面的工作［5］。根據各項目的具體情況及相應的橋梁建設各階段相應要求風險評估一般采用專家調查法、層次分析法、檢查表法和概率分析法等方法。本文將首先采用專家調查法分別對2個方案進行風險評估，從而確定各方案的安全風險水平，然后再利用基于估計相對位置的方案排隊法對方案進行必選，選出較優方案。2.1專家調查法專家調查法是以專家作為索取信息的對象，依靠專家的知識和經驗，由專家通過調查研究對問題做出判斷、評估和預測的一種定性分析方法，其風險評估流程如圖1所示。圖1風險評估流程首先，在明確了需要進行的風險評估項目后，要根據橋梁地質、水文、氣候和交通量等建設條件和設計標準、施工工藝等設計方案進行風險因素識別，完成風險識別工作后，應對各種風險事態發生的可能性和結構的安全風險損失進行定性的分析和判斷，并確定風險矩陣。根據專家調查表確定各種風險因素在風險矩陣中的位置，并明確其基本的風險對策。對于其中處于不可接受區域的風險應進行詳細的定量分析，對ALARP區域(安全風險最低合理可行狀態)的風險也可以進行適當的研究和分析。2.2基于估計相對位置的方案排隊法需要對2個及2個以上的方案進行選擇，而并非對某個方案內各風險因素進行比較時，可以采用基于估計相對位置的方案排隊法。該法主要流程如下[6-7]:確定各種目標或屬性的相對權重，記為W(W1,W2，…，Wm)。對每一個目標或屬性j(j=1,2，…，m)進行方案的成對比較，得到與m個目標相對應的優先關系表。若第i個方案優于第k個方案，用Xi>Xk表示，記為2;若第i個方案與第k個方案并無差異，用Xi-Xk表示，記為1;若第i個方案劣于第k個方案，用XivXk表示，記為0。將Xi>Xk的那些目標權相加，總和記為W(Xi>Xk);將Xi-Xk的所有目標權相加，記為W(Xi-Xk);將Xi<Xk的所有目標權相加，記為W(Xi<Xk)o計算方案優劣指標值A(Xi,Xk):式中，c20,其作用是反映Xi與Xk無差異的那些目標的重要性，c=0則Xi與Xk無差異的目標被忽略不記，c越大則Xi與Xk受優劣無差異的目標的影響越大。選定某個閾值A>1,若A(Xi,Xk)>A，則認為Xi>Xk;若A(Xi,Xk)<I/A，則認為Xi<Xk;若1/A<A(Xi,Xk)<A，則Xi-Xk;判斷總體優劣。計算排隊指標值為Vi=pi-qi，其中pi為比Xi差的方案數，qi為比Xi好的方案數，V值最大的方案即為最優方案。3工程風險評價參照上述風險評估方法的基本流程，下面對某高速公路橋梁所采用的獨塔混合梁斜拉橋和連續剛構橋這2個方案進行風險評估分析。3.1風險因素識別根據工程可行性研究階段和初步設計階段的相關文件及風險，本文主要從橋梁建設條件和橋梁設計施工方案2方面來考慮各種風險事態。橋梁建設條件主要包括工程地質、工程水文、地震、氣候條件、通航及船撞、交通量和施工環境等。設計施工方案是指橋梁所采用的設計標準、材料選用、結構計算、結構構造、新技術新工藝和施工方案等。1）橋梁建設條件。橋位區內總的來說氣候溫和、四季分明、雨量適中、光照充足，無霜期較長，光、熱、水資源都較豐富，暴風雨災害對本工程的影響較小。汛期河流水位升幅較大，常淹沒兩岸的低洼地區。根據有關部門提供的水文資料，汛期將對橋梁施工造成一定影響，對施工設備如施工支架造成沖擊，存在施工結構毀壞、經濟損失及工期延遲的風險。橋位區地震基本烈度為VD度，抗震設防烈度為㈣度，且郯廬斷裂為深大、活動斷裂，距本工程較近。而橋位區發育第四系全新統飽和的粉砂、粉土、細砂，土體結構由松散-稍密，地下水位埋藏淺，在地震等因素作用下，可能產生液化，液化等級為輕或中等。橋梁通航等級按單孔雙向凈寬150m、凈高10m及主通航孔左側滿足單孔單向凈寬75m、凈高10m要求執行，大橋建成后可能存在船撞橋風險。2）設計施工方案。根據橋梁形式和構造的不同，斜拉橋和連續剛構橋在風險源的識別上各有迥異。在橋梁設計標準規范執行方面，二者主橋橋墩撞擊力按我國規范規定的B級航道標準取值設計偏低，可能導致橋墩設計抗撞擊力不足的風險。橋梁結構設計方案方面，對于連續剛構橋其結構計算理論相對較成熟，但對于大跨連續剛構橋（跨徑大于160m）的后期下撓和箱壁斜裂縫理論分析對策仍處在研究階段，采用大跨連續剛構橋方案存在風險。對于獨柱獨塔混合梁斜拉橋這種較為新穎、復雜結構形式，鋼橋面部分存在鋼橋面疲勞風險和鋼橋面鋪裝破壞風險，鋼結構的腐蝕也是需要注意的一個問題。另外，鋼-混凝土接合部是主梁剛度突變點，構造及應力分布復雜，在恒載和活載作用下，其強度和疲勞問題較為突出，容易形成結構體系弱點，因此該部位是保證混合結構安全性能最為關鍵的結構部位。橋梁施工方案方面，對于斜拉橋方案，基礎采用雙壁鋼圍堰施工，塔柱采用分節段爬模施工方法，混凝土主梁采用托架和滿堂支架現澆施工，主跨鋼箱梁節段采用掛籃懸臂施工，存在橋梁基礎施工、混凝土索塔施工、混合梁施工和拉索施工風險。對于連續剛構橋方案，基礎同樣采用雙壁鋼圍堰施工，全橋主梁采用平衡懸臂逐段澆筑法施工，存在橋梁基礎施工、預應力混凝土連續梁懸臂施工等風險。3.2專家調查法參照《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估》［8］中的安全風險發生概率等級標準和安全風險損失等級標準，將該橋方案設計的風險評估專家調查問卷表交給10位專家打分。各位專家根據他們所收到的材料，提出自己的預測意見，說明自己是怎樣利用這些材料并提出預測分值。然后將各位專家第1次判斷意見匯總，列成圖表，進行對比，再分發給各位專家，讓專家比較自己同他人的不同意見，修改自己的意見和判斷。經過2輪收集意見和信息反饋，對專家的意見進行綜合處理，當專家對各事件的預測不統一時，用中位數和上下四分點來做結論。最后根據安全風險評價矩陣確定各風險因素安全風險水平，見表1。由表1可知，獨塔雙索面混合梁斜拉橋方案和連續剛構橋方案各風險因素的安全風險水平大部分集中在H級和B級。H級為中風險，風險有條件接受，應實施預防措施以提升安全性。B級為高風險，風險有條件接受，應盡快實施削減風險的預防措施。3.3基于估計相對位置的方案排隊法通過專家調查法可以得到各方案的安全風險水平，該方法主要針對結構設計和施工工藝的風險因素進行評估，而沒有綜合考慮到社會效益、景觀環境及建設管理等因素[9-10],并不能對各方案進行比選。本節將綜合這些因素，采用基于估計相對位置的方案排隊法對各方案進行排隊，選出較優方案。同樣，該方法首先要對設計方案進行風險因素識別，分析后得到前兩級的風險因素，見表2。確定了風險因素后，首先需要確定各級指標風險因素的相對權重，采用專家調查法可以得到各級指標各風險因素的相對權重。相對權重確定后，再針對各風險因素進行方案的成對比較，將較優方案記為1,較差方案記為0,若2個方案在同一風險因素下為同一水平則均取1。當存在3個方案則可將最優方案記為2，中等方案記為1,最差方案記為0。本工程只對2個方案進行比選，現以環境影響下的各風險因素為例簡單介紹該方法的具體流程，經綜合分析，得到風險因素相對權重和優先關系，見表3。表1風險評估典型風險風險因素安全風安全風險水平風險概率分級風險損失分級險水平風險概率分級風險損失分級口酸雨32H32H氣候寒潮41H41施工環境旱澇111111材料需遠運52B52B砂、石、水泥22H22H材料選用鋼材、預應力筋、斜拉索、錨具22H22H支座、伸縮縫、阻尼器等22H22H鉆孔灌注樁基礎施工33033山施工方案及工藝施工荷載不確定性32H33B人為因素32H330工程養護難度及耐久性拉索病害、橋面鋪裝，連續剛構箱體開裂下撓度等43054IV表2風險因素識別（前兩級）2級指標設計標準和規范材料選用結構計算及構造新技術新工藝等工程地質水文地震影響通航及船撞影響其他災害天氣基礎施工技術索塔施工技術主梁施工技術施工荷載不確定性自然環境景觀環境社會環境生態環境表3風險因素相對權重及優先關系屬性值方案11101方案21010由表3可以得到3（1>2）=0.490,3（1“2）=0.256,3（1<2）=0.254。設c=0,根據前文介紹的公式，得到方案的總體優劣指標值A（1,2）=3（1>2）/3（1<2)=1.93，選取A=1.1，則A(1,2)>A,即方案1優于方案2。以上僅對環境影響下的各風險因素進行了分析。綜合考慮所有風險指標因素，利用基于估計相對位置的方案排隊法計算，有3(1〉2)=0.123,3(1<2)=0.108，則方案總體優劣排隊指標值為:V1=1;V2=-1。故綜合考慮到環境等風險因素影響后，根據優劣指標值可知方案1優于方案2。4結語對于設計方案的風險評估，本文首先通過采用專家調查法對影響各方案的各風險因素進行評估，得出獨塔雙索面混合梁斜拉橋方案和連續剛構橋方案的安全風險水平分別為H級和B級，均為風險有條件接受。在得到了各方案的總體安全風險水平后，在專家調查法的基礎上應用了基于估計相對位置的方案排隊法，綜合考慮社會效益和環境影響等因素，經過分析比較得出獨塔雙索面混合梁斜拉橋方案為較優方案。參考文獻【相關文獻】阮欣，陳艾榮，石雪飛.橋梁工程風險評估[M].北京:人民交通出版社，2008.師旭超，韓楊.橋梁結構的風險評估分析[J].市政技術，2005(1):59-61.項貽強，張婷婷，孫筠.國外橋梁工程項目風險及評估研究綜述[J].中外公路，2010(2):153-157.張風華.橋梁風險評估方法與發展研究[J].城市道橋與防洪，2007(5):164-167.阮