悬臂浇筑连续刚构梁桥施工期安全评估

邓杰楠，杨美良，王 琼

(长沙理工大学土木与建筑工程学院，湖南长沙 410004)

0 引言

20世纪70年代以来，随着中国公路、铁路快速发展，城市化水平持续增高，交通客货运输需求保持持续增长态势，对既有桥梁的运营和结构安全提出了挑战，对新建桥梁的建设水平提出了更高的要求。受气候、地形、环境等因素的影响，公路桥梁建设的技术难度加大，且限于目前技术水平，工程上对有些影响条件和未知突发情况的认识不很全面，桥梁施工过程中受到各种不确定因素的影响，使得施工期间的桥梁安全状况难以把握，从而使得桥梁施工安全评估具有不确定性，因此对在建桥梁的安全状态和已建桥梁的运营状态进行评估就尤为重要。国内外学者对此进行了较多的研究，主要采用了模糊故障树法、模糊层次法、层次分析法、模糊综合评价法等方法。本文针对采用悬臂浇筑施工法的连续刚构梁桥，分析其施工过程中各项风险因素的影响，运用未确知测度理论，建立桥梁施工风险指标体系，为采用相同施工方法的其他桥梁的施工安全评估提供参考。

1 未确知测度理论

由于工程施工建设过程中有许多不可确定的影响因素，施工建设者对于影响施工安全的各种风险因素有着不同的考虑和侧重。针对决策者主观上对于事物状态和数值的不确定性，王光远教授提出了一种新的不确定性信息［1］，它在信息量充足时可以用主观概率和主观隶属度来表述，而信息量不足时则会被信息的随机性和模糊性所掩饰，这样在数值特征上可以将其通过信比分布的形式表现出来，我们称之为未确知信息［2］，由此形成的测度理论称之为未确知测度理论。

未确知测度理论在对于预测分析和量化主观未知信息方面得到了广泛的研究和应用，在工程上大量的被应用于结构软件设计、结构可靠性研究、施工风险评估等领域［3］。

1.1 单指标未确知测度

对于研究对象 R，有 x1，x2，…，xn个样品，形成样本空间 X={x1，x2，…，xn}，每个样品可用 I1，I2，…，Im个评价指标，形成指标空间 I={I1，I2，…，Im}，对于每个指标用 C1，C2，…，CP个评价等级来评价其测量值，且将这p个等级进行有序逐级递增的排列，使其满足C1＞C2＞…＞Cp，形成一个有序分割的评价空间，记为 U={C1，C2，…，CP}。用xi表示第i个样本，Ij表示样本第j个评价指标，xij表示第i个样品的第j个指标的测量值，用μijk表示测量值xij的第k个评价等级，μ满足:

μ均为有界非负实数，满足空间集合U的归一性，且μ满足分项累加的可加性，所以满足式(1)～式(3)中所示μ即可称为未确知测度。由此建立单指标测度评价矩阵［4］:

1.2 指标区分权重

样本指标的权重ω表示评价指标在整体评价中的相对重要程度的量化值。由于各个指标的反映客观情况不尽相同，指标权重的确定需要由详实的统计数据得到，所以根据不同指标所反映评价对象的信息度不同，分类统计计算样本的数据信息，得到样本的信息熵，进行对数函数归一化处理，利用未确知测度理论计算有:

式中:vj为指标j提供的信息量;k为评价等级的数量;μimp为单指标测度。

从而得到样本指标权重向量 ω =(ω1，ω2，…，ωj)。

1.3 多指标综合测度评价矩阵

对于研究对象 R的样本 xi，命 μik=μ(xi∈Ck) ，称μik为样本xi评级等级为Ck时的多指标综合未确知测度。

可知多指标综合未确知测度满足单指标的非负有界性，归一性和可加性，即。由上述综合未确知测度指标组成的向量矩阵(μi1，μi2，…，μip)称为样本评价对象的多指标综合测度评价矩阵。

1.4 识别排序

由于各评价指标的取值差别较大且相关性较为独立，依据最大隶属度准则取值显然是不合适的，本文引入模糊数学中的置信度准则来识别排序，给出评价结果。设λ为置信度，根据不同研究对象经验取值，λ 的取值范围通常在 0.5 ～0.7，令 λ≥0.5。由于评价空间 U={C1，C2，…，C}P为一有序分割类，令:

计算所得k0表示评价对象的评价类别为第k0级。

2 悬臂浇筑桥梁施工风险评价指标体系的建立

针对悬臂浇筑法特有的各种不确定因素、施工过程中累积的问题以及相关研究［5，6］，对悬臂浇筑连续刚构梁桥的施工风险指标进行相关性分析，进而取出其中一些相对独立的风险指标，进行优化后选取具有代表性的风险指标，最终形成悬臂施工连续刚构梁桥的风险指标体系，如图1所示。风险评价指标共分为4大类，即施工环境、施工安全、施工工艺和施工突发情况，共计15项因素作为评价影响因子，即当地水文地质情况、气候情况、施工生产环境、材料质量安全、施工机械器具及施工人员的规范施工等(图1)，依次使用X1，X2，…，X15表示影响因素。

由于一些定性指标依据施工状况的不同，比较难于参与计算分析，所以在风险评价的过程中，需要通过人工赋值使其定量化，使其参与到风险计算分析中，从而得到预期的准确评价结果。结合工程实际情况，参考相关文献［7，8］，将每个指标分为 4级，分别为低风险，一般风险，中度风险，高度风险，形成评价空间 U={C1，C2，C3，C}4，对评价指标分别设置取值标准，分级情况见表1。

表1 桥梁施工安全评估指标分级标准

3 实桥分析

3.1 工程概况

以二广高速(G45)湖南段常德某特大桥为工程背景，其主桥布置为(75+5×130+75)m的预应力混凝土连续刚构连续组合梁桥。该桥分左右两幅，单幅宽15.75m，总宽31.5m。主梁为C55混凝土的单箱单室三向预应力箱梁，梁高按1.8次抛物线变化，底板厚度按2次抛物线变化;主墩墩顶梁高8m，跨中及边跨支点梁高3m，连续墩采用C40混凝土，刚构墩采用C50混凝土，主1、主2、主5、主6号墩采用独柱式箱形断面空心薄壁墩，与主梁之间设置支座;主3、主4号墩采用双柱式矩形断面实体墩，与主梁固结;主墩均采用钢筋混凝土钻孔灌注桩。该桥跨河流为长江七大支流之一沅水，4～10月为区域性暴雨频发段，水量丰富。桥位区土质多为粉质粘土，部分地段揭露有软土地基，但未见影响桥位稳定不良地质。

3.2 建立评价指标调查统计表

针对该桥施工过程中的具体情况，根据建立的安全评估指标体系，确定各评价指标取值如表2。

表2 安全评价指标调查统计表

3.3 构建单指标测度函数

根据所建立的单指标测度函数构建方法和评级分类标准表取值，得到各个单指标测度函数，如图2～图5。

图2 地质水文情况、气候情况、施工生产环境的未确知函数

图3 材料质量安全、机械器具质量、人员规范施工的未确知函数

图4 基础施工、体系转换、挂篮施工、预应力张拉的未确知函数

图5 突发洪水、船舶撞击、地震荷载、桥面临时负重、砼浇筑不同步的未确知函数

根据图2～图5中的单指标测度函数，按表2中评价指标的调查取值，分别计算得到各单指标测度，形成该评价对象的单指标评价矩阵:

3.4 形成多指标测度综合评价矩阵

依据式(5)、式(6)，确定各个评价指标的权重为:(ω1，ω2，…，ω15)={0.06191，0.09689，0.07916，0.06191，0.04985，0.09689，0.04844，0.05419，0.07417，0.09689，0.04985，0.04985，0.04913，0.04985，0.0 8 102 }，根据式(7)得多指标测度评价向量 : {0.23796，0.20865，0.27369，0.27 9 70 } 。

3.5 识别

取置信度λ=0.7，由置信度评价准则计算式计算得出，当 k0=3有 μi1+μi2+μi3=0.23796+0.20865+0.27369=0.72030 ＞ 0.7，判断该桥梁施工危险性等级为中度危险。

4 结论

针对悬臂浇筑法特有的各种不确定因素和施工过程中遇到的问题，运用基于未确知测度理论的施工安全风险评价方法，确立各种影响因素的权重，建立施工风险评价的未确知测度模型，计算并确定了某特大桥的施工风险等级为中度危险。利用此方法和模型，可为悬臂浇筑连续刚构梁桥的施工安全提供一种新的参考方法，为同类桥梁的施工建设提供有效指导和正确决策。

［1］王光远.论未确知性信息及其数学处理［J］.哈尔滨建筑工程学院学报，1990，23(4):52 －58.

［2］张 跃，等.糊数学方法及其应用四［M］.北京:煤炭工业出版社，1992.

［3］刘开第，庞彦军，张博文.水环境质量评价的未确知测度模型［J］.环境工程，2008，18(2):58 －60.

［4］吴和琴，刘开第，庞彦军.未确知数学在区间分析中的应用［J］.河北煤炭建筑工程学院学报，1994(4):26－29.

［5］阮 欣.桥梁工程风险评估体系及关键问题研究［D］，上海:同济大学，2006.

［6］乔艳丽.大跨度桥梁施工期的风险控制［J］，科技信息，2013(21).

［7］交通运输部工程质量监督局.公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估制度及指南解析［M］.北京:人民交通出版社，2011.

［8］中华人民共和国铁道部.铁路隧道风险评估与管理暂行规定［S］.2007－12－29.