某市政桥梁钢箱梁吊装系统风险评估与控制研究*

孙 威，张晓东，李 华

(1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013； 2.建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013；3.国家建筑工程技术研究中心，北京 100013； 4.中铁南方投资集团有限公司，广东 深圳 518054)

0 引言

连续钢箱梁桥因具有刚度大、强度高及自重小等优点被广泛应用，受复杂气候环境条件及多种不确定性因素的影响，钢箱梁吊装事故频发，造成严重损失，桥梁施工前的风险评估尤为重要。故障树分析法以失效树的形式对引起系统故障的风险事件进行多层次分解，有助于识别系统潜在风险与薄弱环节，广泛应用于大型复杂系统工程风险评估中。基于此，采用指标体系法与故障树分析法对某市政桥梁钢箱梁吊装过程进行总体及专项风险评估，提出合理的风险控制措施，为完善施工组织方案提供依据。

1 工程概况

某市政桥梁总长510m，上部结构由主桥和引桥组成。主桥桥跨布置为(65+90+65)m，上跨地面道路和地下隧道，采用变截面连续单箱三室钢箱梁结构，主梁顶板宽14m，底板宽10.585m，悬臂1.75m，中支点、边支点、跨中梁高分别为4.36，2.76，2.76m，梁底为二次抛物线形。钢箱底板水平，通过改变腹板高度形成桥面横坡。钢箱梁由工厂分段预制，现场焊接时在各段接口处设置临时支墩。

引桥采用钢-混凝土组合梁结构，桥跨布置为4×30m+(40+35)m+3×30m，采用双箱单室钢箱梁结构，主梁顶板宽14m，双箱底板各宽3.8m，悬臂长2m，梁高1.5～2.0m。钢箱梁由工厂分段预制，现场吊装就位后采用高强螺栓连接。

2 评估方法与流程

钢箱梁吊装工艺流程为：临时支墩施工→测量放线→临时支座安装→钢箱梁分片吊装→钢箱梁临时拼接→钢箱梁焊接或螺栓连接→焊缝检测→钢箱梁转换至永久支座上→临时支墩拆除。依据《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》，将钢箱梁吊装风险评估分为施工总体风险评估与专项风险评估，评估流程如图1所示。采用指标体系法对施工总体风险进行评估，当总体风险等级为高度风险或极高度风险时，需采用故障树分析法进行专项风险评估。

图1 风险评估流程

3 总体风险评估

采用建设规模、地质条件、气候环境条件、地形地貌特征、桥位特征及施工工艺成熟度作为评估指标，对施工总体风险进行评估(见表1)。评估指标分类与赋值标准参照《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》。根据工程特征对各项指标进行打分，结果如表1所示，可知施工总体风险分值为12，根据表2风险分级标准可确定施工总体风险等级为Ⅲ级(高度风险)，需进行专项风险评估。

表1 施工总体风险评估指标体系

表2 施工总体风险分级标准

4 专项风险评估

4.1 建立故障树

采用故障树分析法进行专项风险评估，需建立符合系统特征与建树规则的故障树。将钢箱梁吊装风险作为顶事件，将钢箱梁坠落、钢箱梁梁体变形或破坏、施工人员高处坠落及起重机安全事故作为中间事件，将顶事件和中间事件作为结果事件，根据钢箱梁吊装工艺流程，逐级识别各级风险事件，直至基本事件层，形成如图2所示故障树。不考虑与建设、设计、施工单位管理不善相关的故障原因，假定顶事件与基本事件仅考虑正常、故障状态，基本事件相互独立。

图2 故障树

4.2 确定基本事件发生概率

根据桥梁特点，采用专家调查法对基本事件发生概率进行评估，结果如表3所示，发生概率<0.003表示不太可能发生，发生概率为0.003～0.03表示偶然发生，发生概率为0.03～0.3表示可能发生，发生概率>0.3表示很可能发生。

表3 基本事件发生概率

4.3 计算最小割集

专项风险最小割集计算如下：

T=A1+A2+A3+A4

(1)

A1=B1+B2+TB2+B3=C1+C2+(C3+X11+X14+C4+TB1)+(X14+X31+X32+X22+X16)+(C5+X12+C6+X13)=TB1+X24X25+X14+(X14+TB1+X26+X27)+(X15+X16+X11+X14+X17+X18+TB1)+(X14+X31+X32+X22+X16)+(X19+X20+X21+X12+X2+X22+X23+X13)=X2+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23+X26+X27+X28+X29+X30+X31+X32+X24X25

(2)

A2=X1+B4+X2+TB1=X1+X4+X5+X2+X28+X29+X23+X30

(3)

A3=X3B5=X3(X6+X7)=X3X6+X3X7

(4)

A4=TB1+TB2+B6=X28+X29+X23+X30+X14+X31+X32+X22+X16+X8+X9+X10

(5)

将A1～A4代入式(1)，可得：

T=X1+X2+X4+X5+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23+X26+X27+X28+X29+X30+X31+X32+X24X25+X3X6+X3X7

(6)

由式(6)可知，最小割集共30个，分别为{X1}，{X2}，{X4}，{X5}，{X8}，{X9}，{X10}，{X11}，{X12}，{X13}，{X14}，{X15}，{X16}，{X17}，{X18}，{X19}，{X20}，{X21}，{X22}，{X23}，{X26}，{X27}，{X28}，{X29}，{X30}，{X31}，{X32}，{X24，X25}，{X3，X6}，{X3，X7}。

4.4 计算顶事件概率

每个最小割集为基本事件的积事件，根据基本事件概率与最小割集，计算得到顶事件发生概率为0.66，可知钢箱梁吊装施工风险性较高，需进一步分析各基本事件对顶事件发生的重要程度，以采取有针对性的风险控制措施，减小事故发生的可能性及损失。

4.5 计算基本事件关键重要度

关键重要度表示基本事件对系统故障的影响，关键重要度越大，表明基本事件对系统安全性的危害越大。计算得到的基本事件关键重要度如表4所示，由表4可知，对钢箱梁吊装风险影响最大的基本事件为X23，主要包括钢箱梁垂直起吊就位时碰撞临时支墩、吊装就位时未稳定便下落或下落速度过大、碰撞支墩垫块等。X29，X16，X28，X18，X22，X32等对钢箱梁吊装风险的影响较大，均应采取有针对性的风险控制措施。

表4 基本事件关键重要度

5 风险控制措施

基于风险评估结果，将对钢箱梁吊装风险影响较大的基本事件作为控制重点，给出风险控制措施，如表5所示。

表5 风险控制措施

6 结语

1)总体风险评估结果表明，钢箱梁吊装施工总体风险等级为Ⅲ级(高度风险)，需进行专项风险评估。

2)将钢箱梁吊装风险作为顶事件，将钢箱梁坠落、钢箱梁梁体变形或破坏、施工人员高处坠落及起重机安全事故作为中间事件的故障树。计算得到顶事件发生概率为0.66，钢箱梁碰撞其他物体、分离式吊车操作不同步、吊点合力点未在钢箱梁重心正上方等基本事件对钢箱梁吊装风险的影响较大。

3)基于风险评估结果，将对钢箱梁吊装风险影响较大的基本事件作为控制重点，给出风险控制措施，包括确定合理的吊钩承力点位置、保证钢箱梁梁体质量、根据起重吊装要求合理选择起重机型号、确保支墩地基承载力满足设计要求等。